JP2008517766A - 継目無熱間仕上げ鋼管を製造するための方法およびこの方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、継目無熱間仕上げ鋼管（１６）を製造するための方法であって、加工可能な温度に加熱された鋼塊（１）から出発して第１塑性加工工程で穿孔によって厚肉中空鋼塊（８）が作製され、引き続きこの中空鋼塊が第２塑性加工工程で同じ熱内で圧延によって直径および肉厚を変えながら素管へと延伸され、第３塑性加工工程でそれから絞り圧延によって仕上げ管が作製されるものに関するものであり、この方法は圧延による特徴を有する第２、第３塑性加工工程が、鍛造機（１０）の、中空鋼塊（８）内に挿入される１つの内部工具（１１）と中空鋼塊（８）の外周面に作用する少なくとも２つの鍛造ジョーとを用いた回転鍛造プロセスの態様の１つの塑性加工工程に置き換えられ、中空鋼塊（８）が鍛造ジョーの無負荷行程の段階中に一定のサイクルで回転されかつ軸線方向で移動されることを特徴としている。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載された継目無熱間仕上げ鋼管を製造するための方法に関する。

マンネスマン兄弟の発明によって、加熱された鋼塊から厚肉中空鋼塊管を作製するために、この中空鋼塊管を他の熱間加工段において同じ熱で延伸する様々な提案がなされている。このためのキーワードは連続圧延法、エルハルト法、プラグ圧延法、ピルガー製管法である（非特許文献１）。

前記のすべての方法は、様々な寸法範囲および材料でそれらに対する利点を有しており、部分的に重複するものも存在する。平均の寸法範囲１２７ｍｍ〜４５７．２ｍｍ（５’’（インチ）〜１８’’（インチ））では連続圧延法とプラグ圧延法とが利用され、寸法範囲６６０．４ｍｍ（２６’’（インチ））以下ではピルガー製管法が利用される。３０ｍｍより大きな範囲内の厚肉では連続圧延法とプラグ圧延法とがあまり適していないとされる一方、ピルガー製管法はこの肉厚では確かに問題とならないが、製造サイクルが長いということがある。前記のすべての方法では不利な点として、寸法変更時の装備を変更する時間が比較的長いということがある。

加熱鋼塊からの継目無管の製造で特徴的なものは、穿孔‐延伸‐絞り圧延の３工程である（非特許文献２）。

製造費と設備費を下げるために１工程を省略することは既に以前から試みられている。

独国特許出願公開第１９０６９６１号に、連続鋳造で製造された中空体から継目無管を製造するための方法が開示されている。この公知の方法では鋳鋼片が、分割され、各部分片は内部工具と熱間圧延鍛造とを利用して予備延伸されている。その後、予備延伸された部分片は連続する圧延機の列で素管（チューブ・ブランク）へと圧延され、後続の延伸絞りによって素管から仕上げ管が作製されることとなる。提案されたこの方法は、連続鋳造で製造された中空体から小径管を大量生産する場合に応用されるものである。この提案は、予備延伸時に傾斜ロールの強い荷重に関する問題を克服することに役立つものとされる。

「鋼管ハンドブック（Ｓｔａｈｌｒｏｈｒ−Ｈａｎｄｂｕｃｈ）」、第１０版、ブルカン出版、エッセン、１９８６、ＩＩＩ．製造法 Ｈ．ビレル（Ｂｉｌｌｅｒ）、「継目無管の圧延−方法選択の諸問題（Ｄａｓ Ｗａｌｚｅｎ ｎａｈｔｌｏｓｅｒ Ｒｏｈｒｅ−Ｐｒｏｂｌｅｍｅ ｄｅｒ Ｖｅｒｆａｈｒｅｎｓａｕｓｗａｈｌ）」、鉄鋼（Ｓｔａｈｌ ｕｎｄ Ｅｉｓｅｎ）１０６（１９８６）、第９号、ｐ．４３１〜４３７

本発明の課題は、外径１２７ｍｍ〜７６２ｍｍ（５’’（インチ）〜３０’’（インチ））と、肉厚≧０．１×外径（外径１２７ｍｍ〜＜４０６．４ｍｍ（５’’（インチ）〜＜１６’’（インチ））の範囲の場合）、または外径４０６．４ｍｍ〜７６２ｍｍ（１６’’（インチ）〜３０’’（インチ））の範囲では肉厚≧４０ｍｍの寸法範囲において、小ロットの場合でも生産量および生産性を考慮した場合に公知の方法より優れた継目無熱間圧延鋼管の製造方法を提供することにある。

この課題は、請求項１の前文からはじまり特徴部分と合せて解決される。有利な諸構成は従属請求項の対象となっている。

本発明の教示によれば、圧延による特徴を有する従来から公知の第２、第３塑性加工工程（延伸圧延と絞り圧延）は、鍛造機の、中空鋼塊内に挿入される１つの内部工具と中空鋼塊の外周面に作用する少なくとも２つの鍛造ジョー（鍛造顎部、Ｓｃｈｍｉｅｄｅｂａｃｋｅ）とを用いた回転鍛造プロセスの態様の１つの塑性加工工程に置き換えられ、中空鋼塊が鍛造ジョーの無負荷行程の段階中に一定のサイクルで回転させられかつ軸線方向で移動されることとなる。制御の種類に応じて、中空鋼塊の回転および軸線方向の移動は同時にまたは時間をずらして行うことが可能である。

提案された方法は、厚肉管も最適に製造可能であり、装備の変更時間が僅かであるという利点を有する。ピルガーと同様に、延伸プロセス時に鍛造によって、ごく厚肉の管の場合でも、なお高い延伸が達成されることとなる。それとともに、厚肉管の場合でもきわめて長い管が製出可能である。延伸プロセス後に鍛造によって、こうして作製された熱間仕上げ管が高い仕上げ管品質を有するため、大多数の事例において本来不可欠な後段の定形圧延機を省くことができることに、その他の利点が認められる。

提案された鍛造プロセスは、２つではなく合計４つの鍛造ジョーが使用され、これらの鍛造ジョーが一平面において同期して中空鋼塊の外周面に作用するとき、とりわけ効率的で品質的に好ましい。特に熱負荷の分布向上のため、鍛造中、内部工具を軸線方向の移動と同じ方向もしくは逆方向に動かすと有利な場合がある。

延伸度が大きく（＞４）、肉厚が小さい（＜３０ｍｍ）場合、鍛造前に中空鋼塊内で例えばリン酸塩（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｒｍ）系または黒鉛系の離型剤兼潤滑剤を塗布することが必要となる場合がある。これにより、鍛造された中空鋼塊が内部工具に焼付くことが回避されることとなる。

第１塑性加工工程は選択的に穴あけ、または傾斜ロールによる穿孔とすることが可能である。穴あけ後に底は切断されまたは突き破られる。切断は炎切断または熱鋸引きを介して行うことが可能である。穴あけまたは傾斜ロールによる穿孔によって作製される中空鋼塊は直接鍛造することが可能であり、または鍛造によってその仕上げ管寸法となる前に、後段の傾斜ロールによって予備延伸することが可能である。

この方法の様式では、穴あけ後の底の切断もしくは突き破りを省くことが可能である。傾斜ロールには２ロール機または３ロール機が利用されることがある。予備操作に応じて外表面および／または内表面のデスケーリングが有利となる。

鍛造された仕上げ管は、長さ切断、目視検査、マーキング等の通常の仕上げ工程後に直ちに供給可能であるか、または事前に熱処理および／または非破壊検査を施されるかのいずれかである。熱処理は焼ならしまたは調質とすることが可能である。直線性の要求に応じて矯正が必要となる。同様に、相応する納入要求のとき、鍛造プロセスによって引き起こされる僅かな凸凹を除去するために、外表面の表面研削または別の好適な切削加工が不可欠な場合がある。利用されるべき出発鋼塊は連続鋳造棒の一部、主に連続鋳造丸棒、または鋳造鋼塊（鋳塊）のいずれかである。塑性加工困難な材料の場合、利用する穿孔プロセスに応じて圧延または鍛造による連続鋳造片の予備変形が必要となる場合がある。出発鋼塊の加熱は周知の如くにロータリハース炉内またはウォーキングビーム炉内で行われる。重量が重い場合、例えば均熱炉等の別の加熱炉も考えられる。

本方法を実施するための装置は、１つの鍛造フレームとそのなかに交換可能に配置される少なくとも２つの鍛造ジョーとを有する回転鍛造機を特徴としている。中空鋼塊の回転運動と軸線方向の移動は、進入側と進出側とに配置される各１つのマニュピレータによって行われている。有り得る矯正支出を最小にするために、少なくとも進出側でマニュピレータと鍛造フレームとの間にガイドを配置しておくと有利であることが判明した。このガイドは、鍛造フレームから進出する鍛造された仕上げ管が極力軸の中心で保持されることを確保している。

直線的な鍛造ジョーでの鍛造プロセスが基本的に可能であるが、しかし表面品質が決定的に改善されるのは、縦断面で見て各鍛造ジョーが、加工物に向き合う側に、先細進入区域とこれに続く平らな平滑部とを有する場合である。横断面で見て進入領域が凹面湾曲部を有し、各横断面平面における半径はかみ込み中の中空鋼塊の実際の半径よりも常に大きくなっている。横断面平面における一層大きな湾曲部によって掴み作用が避けられる。しかし、中空鋼塊の各進入直径用に個別の鍛造ジョーのセットを用意する必要はなく、むしろ様々な進入直径範囲は１つのセットでカバーすることが可能である。

内径と、鍛造された仕上げ管の長さにわたって見た内輪郭は、‐主に円筒状芯金の態様の‐内部工具の種類によって実質的に決定されることとなる。

僅かに円錐形の芯金を利用すると、鍛造仕上げ管と内部工具との間の遊隙が大きくなり、内部工具からの仕上げ管の引出しが容易となる。しかし円錐度はごく僅かでなければならない。というのも、さもないと肉厚が長さにわたって見て許容外に変化するでおそれがあるからである。

階段状芯金の使用は有利には、厚肉末端を有する軸の製造に利用することが可能である。階段の種類に応じて、１つの中空鋼塊から複数の軸を製造することも可能であろう。個別化はその後に行われよう。

他の応用分野は、一体継手の態様のねじ管の製造であろう。いわゆるソケット管においてソケットを個別に製造するのでなく直線状に一緒に鍛造する可能性があろう。

２つの略図に基づいて本発明に係る方法が詳しく説明される。

図１は、１つの穿孔装置による第１塑性加工工程としての本発明に係る方法を略図で示したものである。例としては、連続鋳造鋼棒から分割された鋼塊１がロータリハース炉２に挿入され、加工可能な温度、例えば１２５０℃に加熱される。加熱され、ロータリハース炉２から進出後に、加熱された鋼塊はローラテーブル３を介して穿孔装置に供給されることとなる。

この実施形態において穿孔装置は２つの傾斜ロール５，５’を備えた傾斜圧延機４として構成されている。これに付属する内部工具は穿孔芯金６と保持バー７とからなる。傾斜ロールによる穿孔は十分に知られているため、そのことに詳しく言及する必要はないものとする。穿孔によって鋼塊１から作製された中空鋼塊８は横輸送９を介して鍛造機１０に到達することとなる。後続の回転鍛造による延伸プロセスは、本発明によれば、連続法、プラグ法またはピルガー製管法と後段の絞り圧延のいずれにせよ、本来の一般的な圧延の代わりに、本来の一般的な第２、第３塑性加工工程を１つにまとめたものとなる。

主に円筒形芯金の態様の内部工具１１の進入後、中空鋼塊８は、進入側に配置されるマニュピレータ１３によって鍛造フレーム１４内を縦に輸送され、同時に回転させられている。中空鋼塊８のこの回転と軸線方向の移動とは一定のサイクルで鍛造ジョーの無負荷行程の段階中と同時にまたは時間をずらして行われている。

進出側で後に第２マニュピレータ１２が仕上げ管１６を引き取り、鍛造プロセスを終了させることができるようにしている。鍛造装置はここでは略示されているだけであり、中空鋼塊８を取り囲む図示しない鍛造ジョーを有している。鍛造ジョーは、外径も肉厚も低減することによって中空鋼塊８を延伸するため、外周面に作用することとなる。

鍛造による延伸プロセス後、熱間仕上げ管１６は輸送方向の矢印１５に相応して仕上げライン内に輸送され、そこで発送可能状態とされている。仕上げは、ふつう長さ切断、目視検査、マーキング、要求に応じて、事前に実施される熱処理および／または非破壊検査を含むものとする。スペース上の理由から、熱間仕上げ管１６は延伸したものに相当するものよりも短く製出されている。

例としては、図１に示す作業経過に相応して、寸法約４０６ｍｍ、長さ２．８ｍの鋼塊１から穿孔後に寸法・外径３９０ｍｍ×肉厚１２３ｍｍ、長さ３．５ｍの中空鋼塊８が作製されることとなる。鍛造後、熱間仕上げ管１６は外径２０３ｍｍ、肉厚５０ｍｍ、長さ１５メートルとなる。

図２は図１による方法の変更態様を示しており、同じ部品には同じ符号が選択されている。第１塑性加工工程は、中空鋼塊８の作製に至るまで、図１で説明した塑性加工工程と同一である。しかし第２塑性加工工程の鍛造による延伸プロセスの前に、さらに予備延伸装置、いわゆるエロンゲータ１７が配置されている。この実施形態においてエロンゲータも傾斜圧延機として構成され、２つの傾斜ロール１８，１８’と、保持バー２０に結合されたプラグ１９からなる内部工具とを備えている。

穿孔装置から進出した中空鋼塊８は横輸送９を介してエロンゲータ１７の入口側に供給されることとなる。傾斜ロールによって中空鋼塊８が予備延伸され、肉厚を低減された中空鋼塊８’が作製されることとなる。中空鋼塊８’の直径は予備延伸後と同じとし、小さくし、または大きくすることが可能である。

その後、中空鋼塊８’は横輸送９’を介して、図１で既に説明した鍛造機１０に供給されることとなる。後続の工程は同一であるので、繰返しは不要である。

例示的に、図２に示す作業経過に相応して寸法約５００ｍｍ、長さ４ｍの鋼塊１から穿孔後に寸法・外径５００ｍｍ×肉厚１８０ｍｍ、長さ４．３ｍの中空鋼塊８が作製されることとなる。

エロンゲータを通過後に得られる中空鋼塊８’は寸法・外径４８０ｍｍ×肉厚１２０ｍｍ、長さ５．８ｍとなっている。

鍛造による延伸プロセス後、熱間仕上げ管１６は外径３３９．７ｍｍ、肉厚７５ｍｍ、長さ１２．６ｍとなっている。

図３はかみ込み中の鍛造されるべき中空鋼塊８を縦断面で示しており、この中空鋼塊は左側から鍛造機に進入し、右側で熱間仕上げ管１６として鍛造機から進出する。この実施形態において鍛造領域で外側の４つの鍛造ジョー２１，２１’，２１’’，２１’’’と内側の円筒形芯金２２が協動することとなる。芯金２２は保持バー２３によって位置を保持されるが、しかし選択して鍛造プロセス中に軸線方向で前方または後方に動かすことが可能である。

回転方向の矢印２４と軸線方向の矢印２５は、鍛造ジョー２１〜２１’’’の無負荷行程中に中空鋼塊８が回転されかつ軸線方向でさらに移動されることを明らかとするものである。

各鍛造ジョー２１〜２１’’’は、縦断面において、主として円錐形に形成される進入区域２６とこれに続く平滑部２７とを有する。進入部２６は僅かに凸面湾曲させておくことも可能である。

横断面（図４）で見て鍛造ジョー２１〜２１’’’は凹面湾曲部を有する。一般に湾曲部は、鍛造されるべき部品の実際の半径よりも大きな半径の円弧である。

図３と図４に書き込まれた運動方向の矢印２８は各鍛造ジョー２１〜２１’’’の半径方向行程を明らかとするものである。

穿孔装置（傾斜ロール）を使った本発明に係る方法を示す。 穿孔装置（傾斜ロール）と後段の予備延伸装置（エロンゲータ）とを使った本発明に係る方法を示す。 かみ込み中の中空鋼塊を縦断面で示す。 図３のＡ‐Ａ方向の断面図である。

符号の説明

１ 鋼塊
２ ロータリハース炉
３，３’ ローラテーブル
４ 傾斜圧延機
５，５’ 傾斜ロール
６ 穿孔芯金
７ 保持バー
８ 中空鋼塊
９，９’ 横輸送
１０ 鍛造機
１１ 内部工具
１２ マニュピレータ、進出側
１３ マニュピレータ、進入側
１４ 鍛造フレーム
１５ 輸送方向の矢印
１６ 熱間仕上げ管
１７ エロンゲータ
１８、１８’ 傾斜ロール
１９ プラグ
２０ 保持バー
２１，２１’，２１’’，２１’’’ 鍛造ジョー
２２ 芯金
２３ 保持バー
２４ 回転方向の矢印
２５ 軸線方向の矢印
２６ 進入区域
２７ 平滑部
２８ 運動方向の矢印

Claims (27)

1. 継目無熱間仕上げ鋼管を製造するための方法であって、加工可能な温度に加熱された鋼塊から出発して第１塑性加工工程で穿孔によって厚肉中空鋼塊が作製され、引き続き前記中空鋼塊が第２塑性加工工程で同じ熱内で圧延によって直径および肉厚を変えながら素管へと延伸され、第３塑性加工工程でそれから絞り圧延によって仕上げ管が作製されるものにおいて、
   前記圧延による特徴を有する前記第２、第３塑性加工工程が、鍛造機の、前記中空鋼塊内に挿入される１つの内部工具と前記中空鋼塊の外周面に作用する少なくとも２つの鍛造ジョーとを用いた回転鍛造プロセスの態様の１つの塑性加工工程に置き換えられて、前記中空鋼塊が前記鍛造ジョーの無負荷行程の段階中に一定のサイクルで回転されかつ軸線方向で移動されることを特徴とする、方法。
2. 前記中空鋼塊の前記回転と前記軸線方向の移動とが同時にまたは時間をずらして行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 一平面で同期して前記中空鋼塊の外周面に作用する４つの前記鍛造ジョーが使用されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記鍛造中、前記内部工具が静止していることを特徴とする、請求項１〜３いずれか一項に記載の方法。
5. 前記鍛造中、前記内部工具が前記軸線方向の移動と同じ方向に動かされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記鍛造中、前記内部工具が前記軸線方向の移動とは逆方向に動かされることを特徴とする、請求項１〜３いずれか一項に記載の方法。
7. 前記回転鍛造プロセスの開始前に前記中空鋼塊の内面に離型剤兼潤滑剤が塗布されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第１塑性加工工程が穴あけであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記穴あけ後に底が突き破られることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記穴あけ後に前記底が切断されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
11. 前記穴あけと前記底の除去後に前記中空鋼塊が内側および外側をデスケーリングされることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記穴あけ後に複数の傾斜ロールによって予備延伸が行われることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
13. 前記傾斜ロール後に前記中空鋼塊が前記内側をデスケーリングされることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１塑性加工工程が前記傾斜ロールによる穿孔であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記穿孔後に前記傾斜ロールによる予備延伸が行われることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記作製された中空鋼塊が前記内側をデスケーリングされることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記仕上げ管が熱処理を施されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記仕上げ管が矯正されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記仕上げ管の外表面が切削加工されることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記切削加工が研削であることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
21. １つの鍛造フレームおよびその中に交換可能に配置される少なくとも２つの前記鍛造ジョーからなる回転鍛造機と、マニュピレータと、前記鍛造フレーム内に突出した軸線方向に走行可能な芯金とを備えている、請求項１記載の方法を実施するための装置において、
    進入側と進出側とに各１つの前記マニュピレータ（１２，１３）が配置されており、少なくとも前記進出側が１つのガイドを備えていることを特徴とする、装置。
22. 前記ガイドが前記マニュピレータ（１２）と前記鍛造フレーム（１４）との間に配置されていることを特徴とする、請求項２１に記載の装置。
23. 縦断面で見て前記各鍛造ジョー（２１〜２１’’’）が、加工物に向き合う側に、先細進入区域（２６）とこれに続く平らな平滑部（２７）とを備え、横断面で見て前記鍛造フレーム（２１〜２１’’’）が凹面湾曲部を備え、各横断面平面における半径が、かみ込み中の前記中空鋼塊（８，８’）の実際の半径よりも常に大きくなっていることを特徴とする、請求項２１または２２に記載の装置。
24. 前記芯金（２２）が円筒形になっていることを特徴とする、請求項２１または２３に記載の装置。
25. 前記芯金（２２）が円錐形になっていることを特徴とする、請求項２１または２３に記載の装置。
26. 前記芯金（２２）が階段状になっていることを特徴とする、請求項２１または２３に記載の装置。
27. 前記進入側も前記ガイドを備えていることを特徴とする、請求項２１〜２６のいずれか一項に記載の装置。

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