JP2003230904A - 高合金鋼継目無鋼管の圧延方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マンドレルミル圧延における素管のマンドレ
ルからの引き抜き不良を防止する。 【解決手段】 マンドレルバ−が内挿された素管を、略
円形または楕円形の孔型を設けた一対の圧延ロ−ルより
なる圧延スタンドを複数スタンド通過させ、前記素管の
肉厚を前記圧延ロ−ルの孔型と前記マンドレルバ−との
間で圧下するＣｒを重量％で５％以上含有する高合金鋼
継目無鋼管の圧延方法において、前記肉厚を圧下する圧
延スタンドのスタンド数を、２〜４スタンドとすること
を特徴とする高合金鋼継目無鋼管の圧延方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はＣｒを重量％で５％以
上含有する高合金鋼継目無鋼管の圧延方法、特にマンド
レルミルによる圧延方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】継目無鋼管は、連続鋳造機により鋳造さ
れたスラブ状の鋳片を加工した圧延素材、または連続鋳
造機により鋳造された断面丸型または角型のビレットを
用いて圧延される。これらの圧延素材は、所定の温度に
加熱された後に、マンネスマン穿孔法、プレス穿孔法ま
たは熱間押出し法により、断面の中心に長手方向に沿っ
て貫通孔が開けられ、中空素管となる。この中空素管は
その後エロンゲ−タ、プラグミルまたはマンドレルミル
等の圧延機により肉厚部が延伸され、最後にサイザ−や
ストレッチレデュ−サ−により、所定の寸法に定径され
製品となる。

【０００３】このような継目無鋼管の製造において、寸
法精度、特に肉厚を確実に制御するためには、マンドレ
ルを用いたプラグミルやマンドレルミルによる延伸が必
要である。

【０００４】近年、継目無鋼管の製造においても、生産
コストの低減を目指した大量かつ高能率生産方式が主流
となっており、このような観点から継目無鋼管の延伸工
程には、連続圧延が可能であるので圧延能率のよいマン
ドレルミルによる生産プロセスが、従来から行われてい
る小径管の製造のみならず、中径管や大径管の製造にも
適用され始めている。

【０００５】マンドレルミルは、一般に被圧延材の圧延
方向に沿って、2本一対の圧延ロ−ルを複数対備えた圧
延スタンドが６〜８スタンド直列に、かつ隣り合う圧延
スタンドでは、圧延ロ−ルの回転軸が、圧延方向と直交
する垂直面内で直交するように配置されている。

【０００６】そして、前記一対の圧延ロ−ルには、被圧
延材である素管を圧延するための略円形または楕円径形
の孔型が設けられている。この孔型の大きさは、後段の
圧延スタンドになるほど小さくなり、素管に内挿された
マンドレルバ−との間の隙間が徐々に小さくなっていく
ので、素管の肉厚は圧延スタンドを通過する毎に圧下さ
れるようになっている。

【０００７】素管に内挿されたマンドレルバ−は、素管
がマンドレルミルの最後段の圧延スタンドを通過した後
に、素管から引き抜かれる。マンドレルバ−を素管から
引き抜くときには、フルフロ−トまたはセミフロ−ト方
式と呼ばれる圧延後までマンドレルバ−を拘束しない方
式では、ストリッパ−と呼ばれる引き抜き機により引き
抜かれ、リストレインド（リテインド）方式と呼ばれる
マンドレルバ−を最後まで拘束して、圧延速度の制御を
行う方式の場合には、後続の圧延機が素管を噛み込んだ
ことにより発生する引張力により引き抜かれる。

【０００８】マンドレルバ−を素管から引き抜くとき
に、マンドレルバ−の外面と素管の内面とが密着してい
ると、素管がマンドレルバ−にあたかも焼ばめされた状
態となり、その接触面に過大な摩擦抵抗が発生するの
で、マンドレルバ−の引き抜きが困難となる。このよう
な状態になった場合を一般にストリップ不良と称してい
る。

【０００９】ストリップ不良が発生すると、当該マンド
レルバ−が使用できなくなるばかりでなく、マンドレル
バ−を後続の圧延機で引き抜く方式の場合には、マンド
レルバ−が引き抜けないので、ライン全体を停止しなけ
ればならなくなる。また、マンドレルバ−が引き抜けた
としても、過大な引張力を必要とするため、素管の内面
に疵が発生したり、マンドレルバ−の外面が損傷される
ので、製品の歩留が低下したり、マンドレルバ−の手入
れに費用や手間を要するという問題がある。

【００１０】そのため、圧延ロ−ルの孔型の形状を全て
円形とするのではなくて、最初は扁平な楕円形状の孔型
とし、後段に行くにしたがって円形形状の孔型とするこ
とにより、マンドレルミルを出た後に、円形形状の孔型
と素管の外面との間に隙間ができるように工夫してい
る。

【００１１】しかしながら、なんらかの理由で上述のよ
うな隙間が形成されない場合があり、マンドレルバ−を
引き抜くときに、大きな引き抜き力（ストリッピング
力）を必要とする。その際、圧延対象材が、特にＣｒを
重量％で５％以上含有する高合金鋼のときには変形抵抗
が高いため、炭素鋼に比較してより大きなストリッピン
グ力を必要とすることに加えて、圧延直後には密着の程
度が炭素鋼と同程度であったとしても、熱膨張係数が高
いために温度が下がるにつれて密着度が高まり、さらに
引き抜きにくくなる。

【００１２】そして、無理に引き抜こうとすると、前述
のように素管の内面に疵が発生したり、マンドレルバ−
の外面が損傷されるということになる。

【００１３】このような高合金高継目無鋼管のマンドレ
ルミルによる圧延に際して発生するストリップ不良を回
避するために、従来から種々の技術が提案されている。

【００１４】ストリップ不良を回避するために、従来か
ら最もよく採用されている技術は、隣り合う圧延スタン
ドの回転数を変化させて、圧延中の素管に引張応力また
は圧縮応力を付与するという方法である。一般に圧延中
の素管に引張応力を付与すると素管の幅寸法が減少し、
圧縮応力を付与すると素管の幅寸法が増大するという現
象はよく知られている。

【００１５】このような現象を利用して、後続する圧延
スタンドの回転数を、あらかじめ設定された回転数より
も遅くすることにより、素管に圧縮応力を付与し、素管
の幅寸法を十分に大きくし、結果として素管の内面の周
長を、所定の長さ以上に保持することにより、素管とマ
ンドレルバ−との間に隙間をつくり、密着を防止すると
いうものである。

【００１６】しかしながら、この方法では圧縮応力を付
与することのできない素管の先後端部分では、素管の内
面の周長を所定の長さ以上に保持することはできず、ス
トリップ不良を完全に防止することはできない。

【００１７】このような問題を解消するための技術とし
ては、特開昭６０−４６８０５号公報に開示された技術
（従来技術１）がある。この技術に基づくストリップ不
良の防止方法は、マンドレルと圧延材間に隙間を形成
（ラウンドアップ）するための最終スタンドで適正ラウ
ンドアップが可能になるように、予め求めた該スタンド
のロ−ル反力に対する反力のずれを検知し、それに応じ
てロ−ル圧下を次材あるいは圧延中に調整するものであ
る。

【００１８】また、同様な技術として、登録特許２５８
２７０５号に開示された技術（従来技術２）がある。こ
の技術に基づくストリップ不良の防止方法は、複数の孔
型ロールスタンドを有し、それら孔型ロールスタンドが
形成するロール孔型配列内にマンドレルバーを配置し、
管を圧延するマンドレルミルにおいて、第１スタンドの
孔型周長を、ミル出側管材の熱間仕上げ周長に対する1.
12倍以上とするものである。

【００１９】また、 第２スタンドの孔型周長を、ミル
出側管材の熱間仕上げ周長に対する1.06倍以上とし、第
３スタンドの孔型周長を、ミル出側管材の熱間仕上げ周
長に対する1.02倍以上とするものである。

【００２０】さらに、同様な技術として、登録特許２９
３７０４４号に開示された技術（従来技術３）がある。
この技術に基づくストリップ不良の防止方法は、熱間継
目無管圧延用マンドレルバーの少なくとも圧延に使用さ
れる際に継目無鋼管と接触する部分の外径が、先端側か
ら後端側に向かって漸増しており、その外径の漸増平均
勾配が１／１０００００〜１０／１０００００であるも
のである。

【００２１】

【解決しようとする課題】しかしながら、上述したスト
リップ不良を防止する従来の方法には、次のような問題
点がある。 （１）従来技術１ 最終圧延スタンド以前における素管の内面周長を、所定
の周長に保持していなければ、圧下をすることができな
いので、圧延途中の幅ないしは素管周長の確保が重要と
なるが、この点についての具体的な方法が記載されてい
ない。 （２）従来技術２ ストリップ性を向上させる上では効果があると考えられ
るが、圧延初期の孔型の周長を従来よりも大きく、すな
わちより楕円化することになるので、肉厚精度の低下に
つながる。したがって、このような孔型をストリップ性
が問題とならない炭素鋼にまで適用すると、歩留が低下
するので、高合金鋼と炭素鋼とでは別々の専用孔型を用
意して、それぞれの圧延の都度組み替える必要が生じ、
圧延能率が低下するので、生産コストの低減にはつなが
らない。 （３）従来技術３ ストリップ性を向上させる上では効果があると考えられ
るが、マンドレルバーの外径の漸増平均勾配が１／１０
００００〜１０／１０００００であるので、マンドレル
バ−の長さが一般的に１０数ｍ〜３０ｍであることを考
えると、少なくとも０．２ｍｍ以上の肉厚勾配が生じな
いように、圧延機を制御する必要がある。そして、その
ためには既存の圧延機に、ロ−ル間隙の調整にあたって
同時に回転数の制御ができる制御機構を新たに設ける必
要があり、その実現は容易ではない。

【００２２】この発明は、従来技術の上述のような問題
点を解消するためになされたものであり、肉厚精度を低
下させることなく、ストリップ性も良好な高合金鋼継目
無鋼管の圧延方法を提供することを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る高合金鋼
継目無鋼管の圧延方法は、マンドレルバ−が内挿された
素管を、略円形または楕円形の孔型を設けた一対の圧延
ロ−ルよりなる圧延スタンドを複数スタンド通過させ、
前記素管の肉厚を前記圧延ロ−ルの孔型と前記マンドレ
ルバ−との間で圧下するＣｒを重量％で５％以上含有す
る高合金鋼継目無鋼管の圧延方法において、前記肉厚を
圧下する圧延スタンドのスタンド数を、２〜４スタンド
とするものである。

【００２４】また、素管の外径Ｄと肉厚ｔの比ｔ／Ｄを
０．２５以下とするとともに、ト−タル肉厚圧下量を４
〜８ｍｍとするものである。

【００２５】本発明の目的とするところは、Ｃｒを重量
％で５％以上含有する高合金鋼継目無鋼管のマンドレル
ミルによる圧延において、肉厚精度を低下させることな
く、ストリップ性を向上させることである。そのために
は、圧延中の素管の内面周長を、マンドレルバ−の外面
周長よりも大きくすることである。

【００２６】素管の内面周長をマンドレルバ−の外面周
長よりも大きくする方法として考えられるのは、素管の
外径を所定の大きさに保持しつつ、素管の内径を拡大す
る、すなわち肉厚のみを圧下する方法であるが、マンド
レルミルによる圧延においては、肉厚は圧延ロ−ルの孔
型とマンドレルバ−との間で圧下されるので、このよう
な圧延は不可能である。

【００２７】したがって、マンドレルミル圧延において
は、素管の外径を縮小させながら、マンドレルバ−の外
面周長よりも大きい素管の内面周長を得る方法を考えな
ければならない。換言すれば、肉厚圧下後の素管長手方
向（圧延進行方向）断面内で、マンドレルバ−の外周面
と素管の内周面との間に、圧延後ストリップ完了までの
温度降下にともなう収縮量よりも大きな隙間を作りださ
なければならない。

【００２８】マンドレルミルのような孔型による圧延に
おいては、素管がほぼ孔型内周面と接触していると考え
れば、出側幅寸法が大きくなり、幅拡がりが大きければ
素管内面周長も大きくなる。

【００２９】炭素鋼の圧延では、既に素管の内面周長が
マンドレルバ−の外面周長よりも大きくなるような圧延
が確立されている。しかしながら、Ｃｒを重量％で５％
以上含有する高合金鋼の圧延においては、素管の外周面
が孔型内周面から離れ、マンドレルバ−側に向かって収
縮するため、孔型との接触による幅拡がりは、炭素鋼と
同じ孔型ロ−ルを使用した場合には、炭素鋼ほど期待で
きない。

【００３０】もちろん、高合金鋼専用の孔型ロ−ルを使
用すれば、ストリップ性を向上させるような圧延は可能
であるが、ロ−ル費の増大、ロ−ル交換による生産性の
低下等につながるので、炭素鋼と同じ孔型ロ−ルを使用
して、良好なストリップ性を確立することが必要とな
る。

【００３１】一方、偏肉のない素管を得るためには、最
終肉厚圧延スタンドでは、ロ−ルの孔型底と接触してい
る部分を中心として、断面の約半分が均一な肉厚になる
ように設定する。残りのおよそ半分の断面は、その前の
圧延スタンドで肉厚が最終圧延スタンドの肉厚となるよ
うに設定されるから、最終肉厚圧延スタンドで幅寸法が
大きいということは、素管の内面周長が大きいというこ
とに他ならず、結果としてマンドレルバ−の外面周長と
の差を十分にとることが可能になる。したがって、この
ような観点から、ストリップ性が良好となる素管の内面
周長を確保するために、炭素鋼と比較しながら高合金鋼
の変形特性を把握することにした。

【００３２】そこで、変形と連続圧延に関する鋼種特性
を把握するため、炭素鋼と高合金鋼の試験材を用いて、
模擬試験を実施した。炭素鋼はストリップ性に何ら問題
のないものを、高合金鋼にはSUS420J2および高強度耐熱
鋼としてJIS-STBＡ26鋼にNb、Vを添加した火力基準STB
Ａ28鋼を選び、単軸多段圧延試験を行った。

【００３３】その結果、図３の圧延温度と累積歪率との
関係を示すグラフに見られるように、高合金鋼は炭素鋼
に比較して、マンドレルミル圧延に適するる900〜1100
℃程度の高温域においても、歪の累積が60〜70％と、極
めて大きいことが分かった。これはマンドレルミル圧延
のような連続圧延を実施する際にも、歪が累積されるこ
とを示唆するものである。

【００３４】このように歪が累積されることによる素管
の周長への影響を確認するための試験を重ねた結果、歪
が累積されるような圧延においては、板圧延での幅拡が
り挙動が、歪の累積しない場合に比べ著しく小さいこと
が一般的であることを見出し、さらにマンドレルミル圧
延にいては、周長が小さくなることを確認した。

【００３５】マンドレルミル圧延においては、肉厚圧下
を行おうとすれば、同時に外径も圧下しなければならな
い。先の試験から、高合金鋼のマンドレルミル圧延にお
いて、良好なストリップ性が発揮できる素管内面周長を
確保するためには、連続圧延で受ける全歪量を同一のま
ま、累積抑制の観点から圧下回数を減らすか、あるいは
歪量そのものを少なくすればよいことが判明した。

【００３６】したがって、高合金鋼継目無鋼管をマンド
レルミルにより圧延する場合には、圧下回数を低減させ
るために、使用圧延スタンド数を２〜４スタンドとした
のである。さらに、マンドレルミル圧延では、通常圧延
前後の外径が決まっているため、肉厚圧下量の減少が適
当と考えられる。

【００３７】また、温度に対する鋼種特性を確性するこ
とは、変形特性を把握する上で重要なことである。そこ
で、次に幅拡がりと温度の関係について、板圧延で模擬
試験を行った。マンドレルミル圧延における素管内面周
長の大小は、孔型底での圧延が大きく影響することか
ら、板圧延試験での幅拡がりの大小と、孔型圧延での周
長の大小とは、ほぼ同一の傾向を示すものであると考え
ることができる。

【００３８】そこで、所定の寸法の切板を、マンドレル
ミル圧延での加熱温度である900〜1100℃に加熱し、一
定の圧下率で圧延した後、その幅拡がりを調べた。

【００３９】その結果、図４の圧延温度と板幅拡がり量
との関係を示すグラフに見られるように、炭素鋼に比較
して、特に高強度耐熱鋼で幅拡がり量が少なくなること
が認められた。

【００４０】また、この実験においては、SUS420J2相当
鋼では炭素鋼と同程度の幅拡がりが認められた。

【００４１】ところが、この実験結果と異なり、実際の
マンドレルミル圧延では、SUS材は炭素鋼に比較してス
トリップ性が悪化することがあり、特にそれは圧下量が
大きく、肉厚が厚い場合に多い。そこで、板圧延試験に
おいて、板厚の異なる複数の試験材を、同一の圧下量で
圧延し、それぞれの幅拡がり量を調べた。その結果、同
一の圧下量で圧延すると、板厚の厚いものほど幅拡がり
量が少なくなることが分かった。これは、孔型圧延にお
いては、孔型底に代表される変形部と、フランジ部近傍
の非変形部との境界近傍での圧延状態は、素管の肉厚が
厚くなると円周方向のメタルフロ−が小さくなり、素管
の内面周長も小さくなることを意味している。

【００４２】そこで、同様の試験を繰り返した結果、高
合金鋼継目無鋼管のマンドレルミル圧延における素管の
肉厚ｔと素管の外径Ｄとの関係を、ｔ／Ｄで０．２５以
下とし、肉厚の圧下量を８ｍｍ以下に制限すれば、良好
なストリップ性を発揮できる内面周長が得られることが
分かった。なお、素管の内周面の表面性状を良好なもの
とするためには、ある程度の圧下が必要であり、このよ
うな観点から肉厚圧下量の下限を４ｍｍとした。

【００４３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を説明
する。 実施例１ 炭素鋼相当試験材としては純鉛試験材を、高合金鋼相当
試験材としては0.9％アンチモン含有の硬質鉛試験材を
用いて、室温での孔型圧延試験を行った。なお、室温で
の圧延においては、純鉛材は圧延直後に組織の回復・再
結晶が起きるが、硬質鉛材は回復も再結晶も全く起こら
ず、歪の累積・変形抵抗のいずれの観点からも、純鉛材
は熱間圧延における炭素鋼に類似した性質を、硬質鉛材
は熱間圧延における高合金鋼に類似した性質を示す。

【００４４】この試験における圧延スケジュ−ルは、実
機の圧延スケジュ−ルを模擬し、モデル比1/4.4で行っ
た。また、圧延前の素管の寸法は外径が４０ｍｍ、肉厚
が６ｍｍで、肉厚圧下終了直後の圧延機出側での素管の
目標寸法は孔型底間で外形が32.95ｍｍ、肉厚が3.２７
５ｍｍである。試験に使用した各圧延スタンドの孔型ロ
−ルの孔型周長を、肉厚圧下を行わない最終圧延スタン
ドの孔型周長を１として、比較例（従来技術の欄で説明
した前記登録特許２５８２７０５号に記載されたもの）
と合わせて表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】このように、従来は６スタンドで圧延して
いた高合金鋼継目無鋼管の圧延を、本発明の圧延方法で
ある４スタンドで圧延することにより、最終圧延スタン
ド出側の幅寸法が、図1の各圧延スタンドにおける鋼種
と出側幅寸法との関係を示すグラフに見られるように、
従来の６スタンド圧延では、炭素鋼相当材が３５．５０
ｍｍに対して高合金鋼相当材は３３．２０ｍｍであった
ものが、３５．５０ｍｍと炭素鋼と同じになり、ストリ
ップ性の向上が期待できることが確認できた。 実施例２ 肉厚圧下量と幅拡がりとの関係を確認するため、実施例
１と同じ試験材を、表１に示した本発明例と同じ孔型列
により、肉厚圧下量４ｍｍ、６ｍｍおよび８ｍｍで圧下
する試験を行った。

【００４７】その結果、図2の肉厚圧下量と各圧延スタ
ンドにおける出側幅寸法との関係を示すグラフに見られ
るように、高合金鋼相当材は肉厚４ｍｍ圧下では炭素鋼
相当材と同等の幅拡がりを示し、８ｍｍ圧下では炭素鋼
相当材には劣るものの従来よりもはるかに大きい幅拡が
りを示すことが確認できた。

【００４８】また、圧下する圧延スタンドにより幅拡が
りが影響されるか否かを確認するため、４ｍｍ圧下およ
び８ｍｍ圧下では圧延スタンドを第１〜第４スタンドと
したものを、６ｍｍ圧下では第３〜第６スタンドとした
が、幅拡がりは同じような傾向を示し、どの圧延スタン
ドを選択しても、本発明の圧延方法が有効であることが
分かった。

【００４９】また、このとときの周長を測定したとこ
ろ、従来の圧延方法では、炭素鋼相当材は９１．３ｍ
ｍ、高合金鋼相当材は８９．１ｍｍであったものが、本
発明の圧延方法では、高合金鋼相当材の４ｍｍ圧下では
９１．４ｍｍ、８ｍｍ圧下では９０．８ｍｍであり、本
発明の圧延方法により、高合金鋼の周長を従来の圧延方
法における炭素鋼の周長と同程度にすることができるこ
とが分かった。

【００５０】また、試験材をマンドレルバ−から引き抜
き、そのときの張力を測定したが、炭素鋼相当材の張力
に対して、高合金鋼相当材は４ｍｍ圧下で２．７倍、８
ｍｍ圧下で３．３倍であり、張力が従来の５倍程度から
大幅に低減されていた。

【００５１】これらのことから、本発明の圧延方法によ
り、ストリップ性が大幅に改善されることが分かった。 実施例３ SUS420J2相当鋼および火力基準STBA28鋼を高合金鋼の素
材として、実際のマンドレルミルにより、本発明範囲で
ある肉厚４ｍｍおよび６ｍｍ圧下の圧延を、従来の圧延
スケジュ−ルの比較例とともに実施し、ストリップに必
要なマンドレルバ−ストリッパ−のモ−タ−電流を測定
した。

【００５２】その結果、炭素鋼の引き抜き電流に比較し
て、従来の圧延スケジュ−ルで圧延したものは、SUS420
J2相当鋼でおよそ１．７倍、火力基準STBA28鋼で２．１
倍あったものが、本発明の適用により、SUS420J2相当鋼
で１．４倍、火力基準STBA28鋼で１．５５倍とそれぞれ
低下した。

【００５３】また、それぞれの鋼種に対して数十本程度
の試験圧延を実施したところ、抜き取り不良の発生率
は、従来SUS420J2相当鋼で１０％、火力基準STBA28鋼で
２０％程度あったものが、両者とも０％にまで低減し
た。

【００５４】

【発明の効果】本発明により、Ｃｒを重量％で５％以上
含有する高合金鋼継目無鋼管の圧延において、既存のマ
ンドレルミルに新たに設備を付加することなしに、また
専用のマンドレルバ−を用いることなしに、抜き取り不
良を防止することができるので、大幅な圧延能率の向上
と製造コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】各圧延スタンドにおける鋼種と出側幅寸法との
関係を示すグラフである。

【図2】肉厚圧下量と各圧延スタンドにおける出側幅寸
法との関係を示すグラフである。

【図３】圧延温度と累積歪率との関係を示すグラフであ
る。

【図4】圧延温度と板幅拡がり量との関係を示すグラフ
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東 祥三 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マンドレルバ−が内挿された素管を、略
   円形または楕円形の孔型を設けた一対の圧延ロ−ルより
   なる圧延スタンドを複数スタンド通過させ、前記素管の
   肉厚を前記圧延ロ−ルの孔型と前記マンドレルバ−との
   間で圧下するＣｒを重量％で５％以上含有する高合金鋼
   継目無鋼管の圧延方法において、前記肉厚を圧下する圧
   延スタンドのスタンド数を、２〜４スタンドとすること
   を特徴とする高合金鋼継目無鋼管の圧延方法。
2. 【請求項２】 素管の外径Ｄと肉厚ｔの比ｔ／Ｄを０．
   ２５以下とするとともに、ト−タル肉厚圧下量を４〜８
   ｍｍとすることを特徴とする請求項１に記載の高合金鋼
   継目無鋼管の圧延方法。