JP3070496B2 - 管材の圧延ロールおよび圧延方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は管材を多スタンド
連続圧延機で圧延する際に用いるロールの孔型形状と、
その形状のロールを用いての圧延方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】継目無鋼管の製造工程では、図１に示す
ような、サイザと呼ばれる連続多スタンド圧延機で素管
の外径を縮小し、所定の寸法に仕上げる定径絞り圧延が
行われている。サイザは５〜２８スタンドで構成され、
それぞれのスタンドはパスセンター回りに120゜ずつ隔
てて３つの同一孔型のロールを装備している。隣接する
スタンド相互間は図２(a) 、(b) に示すように、孔型ロ
ールの配置を60゜ずらせて配置している。圧延時の使用
スタンド数は管２の仕上げ外径によってきまる。

【０００３】サイザの最終１〜数スタンドでは定径仕上
げのため、ロール孔型曲線は円弧形状である。しかし、
それ以外のスタンドの孔型は図３に示すように、パスセ
ンタ点Ｏから６０゜方向にあるフランジ点Ｆまでの距離
Ａと、パスセンタ点Ｏから溝底点Ｅまでの距離Ｂとは異
なるよう設計されており、通常Ａ＞Ｂの関係にある。従
来技術では孔型断面曲線はほぼ楕円弧をなしており、
Ａ、Ｂを与えれば楕円が特定される。楕円弧孔型では縮
経率（または圧下量）は溝底部で最大で、フランジ部に
向かって順次縮径率は小さくなる。実際のロールは図２
に示すように、ロール相互の間隙があり、フランジ端は
溝底点Ｅに対して正６０゜の位置ではないが、以後はフ
ランジ端位置を正６０゜の点Ｆにあるものとして説明す
る。

【０００４】サイザ絞り圧延では、管内面の拘束がない
ため、一つのスタンドの圧延では、孔型の溝底部とフラ
ンジ部での増肉量が異なり、不均一な変形が生じる。被
圧延材は溝底とフランジの角度が交互に60゜づつ変化す
る中で圧延されるため、溝底とフランジとの中間点（溝
底またはフランジから30゜の位置。以下この点を30゜点
と言う）の肉厚は溝底部またはフランジ部より厚くなっ
たり薄くなったりする。これを六角張り、または角張り
と称し、図６に模式的に示すように(a) を負の角張り、
(b) を正の角張りという。角張りは厚肉管で顕著に発生
し、30゜点が厚肉となる正の角張りが問題になってい
る。

【０００５】特開平４−１５８９０７号公報では従来型
のロール、すなわち溝底部で縮径率が最大で、フランジ
部で最小となる孔型のロールをセットしたスタンドと、
30゜点の縮径率が最大となる孔型のロールをセットした
スタンドとを組み合わせて相殺する技術が開示されてい
る。この技術では30゜点が厚くなる正の角張り改善には
30゜点での圧下量を大きくするとしているが、実験で確
認したところ、角張りの改善は見られず、効果の確認は
できなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
３ロール連続多スタンド圧延で問題になっていた角張り
を抑制することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者が正の角張りの問
題を検討した結果、前記特開平４−１５８９０７号公報
で提案されているように、30゜点の縮径率を大きくする
のではなく、逆に小さくすべきであるとの結論を得た。
つまり、図５に示すように、パスセンタから孔型までの
距離が30゜点付近で従来より大きい孔型形状をもたせる
のである。

【０００８】すなわち、本発明の要旨は、下記(1) 項と
(2) 項の孔型ロールと圧延方法にある。

【０００９】(1) １スタンドに３つのロールを有する管
材の連続多スタンド圧延機用のロールであって、図４の
ように、パスセンター点Ｏを原点とするＸＹ座標上で、
ロールのフランジ部端点Ｆの座標を（ｘ₁ ，ｙ₁ ）、溝
底点Ｅの座標を（0 ，ｙ₂ ）、フランジ部端点Ｆにおけ
る孔型の接線角度をφとして、下記(1) 式の３次曲線４
を与えたとき、この３次曲線上の点とパスセンター間の
距離よりも、孔型３上の点とパスセンター間の距離が大
きいか等しいことを特徴とする孔型ロール。

【００１０】 Ｙ＝ａＸ³＋ｂＸ²＋ｃＸ＋ｄ ‥‥(1) ただし、ａ＝（−2ｙ₁−ｘ₁tan（150゜−φ）＋2ｙ₂）
／ｘ₁ ³ ｂ＝（−tan（150゜−φ）−３ｘ₁ ²・ａ）／２ｘ₁ ｃ＝0 ｄ＝ｙ₂ φ＝95゜ 言い替えれば、図４および図５において、点線で表され
る本発明の孔型曲線３は、実線で表されるφ＝９５゜の
３次曲線４と等しいか、それよりも上側にある、あるい
は、本発明の孔型３の方が３次曲線孔型４と同じか、よ
り深いロールである。

【００１１】(2) 連続多スタンド圧延機により管材を圧
延するに際して、少なくとも１スタンドのロールを前記
(1) 項に記載の孔型ロールとすることを特徴とする圧延
方法。

【００１２】

【発明の実施の形態】管内面の形状で従来問題になって
いた正の角張りは、30゜点で厚くなる（図６(b) ）。前
述のように、30゜点を薄くするためには、30゜点での孔
型をむしろ深くして、圧下を少なくするほうがよい。そ
して、30゜点のさらに深い孔型ロールを用いて圧延する
と管材は負の角張りになる。30゜点の孔型深さが適切な
場合は、各スタンドで角張りゼロが維持され、最終的に
角張りゼロとなることが期待できる。あるいは、30゜点
の深い孔型ロールと、30゜点の浅い孔型（従来の楕円孔
型も含まれる）ロールとをスタンドごとに適切に組み合
わせれば、正の角張りと負の角張りが最終的に相殺さ
れ、角張りゼロになることが期待できる。

【００１３】これらを検討するため、種々の圧延条件で
３次元ＦＥＭ解析を行った。以下に解析結果について説
明する。

【００１４】ＦＥＭ計算条件は以下の通りである。

【００１５】まず、素管の材質特性としては鉛の材料特
性を用いた。これは鋼材の熱間特性と近似性があるため
である。素管寸法は外形６０mm，肉厚６mmおよび１２mm
の２種である。仕上げ寸法は外径３０mmである。圧延は
１７スタンドを用いるパススケジュールとした。

【００１６】ＦＥＭ解析での孔型曲線は以下のように決
定した。

【００１７】図７に示すように(1) 式におけるφを９０
゜より大きくして３次曲線を描くと従来の楕円弧の孔型
に近いもの、あるいはφ＝１００゜の図で表される孔型
となる。一方、φ＜９５゜として３次曲線を描けば、本
発明の孔型となり、φ＝９５゜の曲線より上側になる。
従って、ＦＥＭ解析での孔型として、φ＝９０゜（本発
明）、φ＝９５゜（本発明）、φ＝１００゜（従来技術
相当）、および楕円弧孔型（従来技術）の４種類につい
て解析を行った。

【００１８】他の孔型パラメータとして、ロールのＦ
点、Ｅ点のパスセンタからの距離Ａ、Ｂは表１のように
与えた。これらＡ、Ｂの値は３次曲線孔型、楕円弧孔型
に共通である。

【００１９】なお、最終スタンドは定径仕上げのため真
円孔型である。

【００２０】

【表１】

【００２１】Ａ、Ｂが決まると、楕円弧孔型は一義的に
決まる。３次曲線孔型ではＸＹ軸上の座標点Ｆ（ｘ₁ ，
ｙ₁ ）、および点Ｅ（0 ，ｙ₂ ）は次のように求められ
る。

【００２２】 ｘ₁ ＝Ａcos30゜ ｙ₁ ＝Ａsin30゜ ｙ₂ ＝Ｂ である。

【００２３】これらの座標値とφ＝９０゜、９５゜、お
よび１００゜を(1) 式に代入すると３次曲線が決求めら
れ、これらを孔型とした。図７にφ＝９０゜、９５゜、
１００゜および楕円弧の場合の孔型曲線を示す。

【００２４】以上の条件のもとでＦＥＭ解析をおこなっ
た。その計算結果を表２に示す。

【００２５】ここで、角張り率の定義は、 角張り率＝（Ｔ_max−Ｔ_e）／｛（Ｄ／２−Ｔ_e）・（１−cos30゜）｝ ただし、Ｔ_max ：肉厚最大値、 Ｔ_e ：（溝底の肉厚＋フランジの肉厚）／２、 Ｄ ：サイザ仕上げ外径 である。

【００２６】表２において、角張り率が（＋）の場合は
溝底およびフランジの肉厚に比べ、30゜点の肉厚が厚い
正の角張り、（−）の場合は負の角張りである。

【００２７】

【表２】

【００２８】表２に示すように、比較例としての従来の
楕円弧孔型ロールを最終スタンドを除く＃１〜＃１６ス
タンドで用いた場合、正の角張りが非常に大きくなった
（解析−５）。

【００２９】３次曲線で表される30゜点の浅いロール
（φ＝１００゜）を同様に＃１〜＃１６スタンドで用い
た場合、正の角張りが非常に大きくなった（解析−
１）。

【００３０】本発明の30゜点の深いロール（φ＝９０
゜）を同様に＃１〜＃１６スタンドで用いた場合、かえ
って負の角張りが大きくなった（解析−３）。

【００３１】本発明のφ＝９５゜のロールを＃１〜＃１
６スタンドで用いた場合、角張りは非常に小さくなった
（解析−２）。

【００３２】本発明のφ＝９０゜のロールを＃４スタン
ドに用い、＃１〜＃３、＃５〜＃１６スタンドに楕円弧
孔型ロールを用いると角張りは非常に小さくなった（解
析−４）。

【００３３】このことから、本発明の孔型のロールを単
一のスタンドで用いると、φが９５゜より大きい時は正
の角張り、９５゜より小さいときは負の角張り、φ＝９
５゜なら角張りはゼロになることがわかった。

【００３４】さらに、φ＝９５゜の孔型ロールのスタン
ドを、最終スタンドを除く全スタンドに適用すると、各
スタンドで角張りゼロが維持され、最終的に角張りゼロ
が得られることがわかった。また、本発明のφ＜９５゜
の孔型ロールのスタンドと、従来の孔型（例えば楕円弧
やφ＞９５゜型）ロールのスタンドを適宜配置すれば圧
延の進行につれて、正の角張りと負の角張りが相殺され
て最終的に角張りゼロが実現できることがわかった。

【００３５】本発明のロール孔型を決定するには、前記
ＡおよびＢ値から、φ＝９５゜として３次曲線４を描い
てから、これよりも深い（パスセンターからの距離が大
きい）曲線を描けばよい。ただし、溝底のＥ点近傍はな
めらかでなくてはならず、フランジ端での接線角度φは
９０゜〜１００゜の範囲が望ましい。従って、図５で言
えば、本発明の孔型曲線３はほぼ斜線を施した範囲にあ
る。

【００３６】この曲線は例えば円弧を合成して作成して
もよいが、(1) 式でφを９０゜〜９５゜の範囲で適宜選
ぶことによって、そのまま孔型曲線としてもよい。

【００３７】

【実施例】本発明を試験圧延機で鉛圧延実験を行って、
前記のＦＥＭ解析の妥当性を確認した。孔型曲線はＦＥ
Ｍ解析における３次曲線で与えたものと同じである。結
果を表３に示す。

【００３８】

【表３】

【００３９】表３に示すように、ＦＥＭ解析結果とよく
一致している。

【００４０】このことから、真円度を出す最終スタンド
群を除き、全スタンドに本発明孔型を適用する場合、φ
＝９５゜の孔型を使用すれば角張りを最小化できること
が確認できた。また、本発明のφ＜９５゜に相当する30
゜点の深い孔型のロールのスタンドと、φ＞９５゜に相
当する30゜点の浅い孔型のロールもしくは楕円弧孔型の
ロールのスタンドとを適宜決定することにより、角張り
を防止できることが確認できた。

【００４１】本発明はサイザについての適用について述
べたが、管材のストレッチレデューサ、エキストラクタ
ーサイザなど、内面拘束のないの管材の連続圧延につい
ても適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明の方法によれば、内面の角張りの
ない管材を容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】サイザ圧延機の構成図である。

【図２】連続多スタンド圧延機の隣接するスタンドの断
面を表す模式図である。

【図３】１つのロールの孔型の断面図である。

【図４】本発明の孔型パラメータを定義する図である。

【図５】従来のロール孔型と本発明の孔型の差異を示す
図である。

【図６】六角張りの模式図である。

【図７】フランジ部の接線角度φを変えたときの孔型曲
線の極座標表示図である。

【符号の説明】

１：孔型ロール ２：管材 ３：孔型曲線 ４：φ＝９５゜の３次曲線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−71405（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−314205（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−71612（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−71617（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−57506（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−16615（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−142718（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−158907（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−278603（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−144807（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21B 27/02 B21B 17/14

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１スタンドに３つのロールを有する管材の
   連続多スタンド圧延機用のロールであって、パスセンタ
   ー点Ｏを原点とするＸＹ座標上で、ロールのフランジ部
   端点Ｆの座標を（ｘ₁ ，ｙ₁ ）、ロールの溝底点Ｅの座
   標を（0 ，ｙ₂ ）、フランジ部端点Ｆにおける孔型の接
   線角度をφとして、下記(1) 式の３次曲線を与えたと
   き、この３次曲線上の点とパスセンター間の距離より
   も、孔型上の点とパスセンター間の距離が大きいか等し
   いことを特徴とする孔型ロール。 Ｙ＝ａＸ³＋ｂＸ²＋ｃＸ＋ｄ ‥‥(1) ただし、ａ＝（−2ｙ₁−ｘ₁tan（150゜−φ）＋2ｙ₂）
   ／ｘ₁ ³ ｂ＝（−tan（150゜−φ）−３ｘ₁ ²・ａ）／２ｘ₁ ｃ＝0 ｄ＝ｙ₂ φ＝95゜
2. 【請求項２】連続多スタンド圧延機により管材を圧延す
   るに際して、少なくとも１スタンドのロールを請求項１
   に記載の孔型ロールとすることを特徴とする圧延方法。