JP3125679B2 - 継目無鋼管製造用ピアサープラグ - Google Patents
継目無鋼管製造用ピアサープラグInfo
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Description
による継目無鋼管製造時に用いられる工具、具体的には
穿孔圧延時に内面規制工具として用いられるピアサープ
ラグに関する。
管する際の主要な工程には、傾斜ロール式の2ロール式
ピアサーや3ロール式ピアサーを用いた穿孔圧延工程が
あり、この工程では内面規制工具として外郭形状が砲弾
状のピアサープラグ(以下、単にプラグという)が用い
られる。
変形抵抗の比較的低い炭素鋼や低合金鋼などを被穿孔圧
延対象として開発された3%Cr−1%Niベースの鋼
(以下、成分割合を示す%は重量%を意味する)や、こ
れに適量のMoやWを添加した鋼が一般的に使用されて
いた。
抗の高いステンレス鋼やNi基合金などの高合金鋼を被
穿孔圧延対象にすると、高い面圧のかかるプラグ先端部
近傍に溶損が生じたり、激しいせん断変形力を受けるプ
ラグ胴部で焼付きが生じ、その使用寿命(穿孔可能回
数)が数パスと極めて短いという問題があった。
低下を防ぐ手段としては、プラグ用材質の改善、プラグ
外表面へのスケール付着処理、プラグの外郭形状の改善
など種々の方法が提案されている。
は、プラグ用材質として、MoおよびWの1種以上を合
計で1.5〜8.0%の範囲内において「7・%W+8
・%Ni≦56」を満たす量だけ含有させて高温強度を
改善する一方、その外表面に厚さ250〜1000μm
の内部酸化型スケール層を形成させることより、その外
表面での潤滑性を確保するようにしたプラグが提案され
ている。
は、その外郭形状を、最大外径をDo(mm)、先端部
から前記最大外径までの有効長さをLp(mm)とした
とき、1.5≦(Lp−50)/Doの関係を満たす
か、さらには先端部の曲率半径rを10〜35mmにす
ることでプラグに作用する負荷を軽減させ、これによっ
て使用寿命の延長を図るようにしたプラグが提案されて
いる。
損や焼付き起因による使用寿命は、穿孔条件によって若
干差があるものの、被穿孔圧延材料がSUS304鋼な
どの高合金鋼の場合で3〜15パス程度、炭素鋼や低合
金鋼の場合で200〜600パス程度にまで延長する。
その使用に際してプラグ支持バー(以下、単に支持バー
という)の先端部に装着される。このため、通常、その
軸心部分には、上記支持バーの先端部にプラグサイズに
応じて取り替え自在に設けられたプラグ装着用の先端金
物が嵌合する後端開口の内孔が設けられている。
的な形状を示す模式的縦断面図である。この図1に示す
プラグでは、内径を後端部に向かうに従って順次大きく
し、先端部と後端部のプラグ肉厚が軸長方向でほぼ同じ
になるようにした最大内径をDi 、深さをhとする内孔
1が設けられている。
軸心に通路を設けて冷却水を供給し、これによってプラ
グ自体を冷却する機能を兼ねさせる場合もある。
けるプラグ肉厚の均一化が図ってあるため、その耐久性
を高め得るという利点がある。しかし、内孔1を円弧面
状にするには、その加工に要する工数と費用が嵩み、プ
ラグの製造能率低下とコスト上昇を招くという欠点があ
る。そこで、上記の内孔1を、図2または図3に示す形
状に形成したプラグが用いられる場合もある。
に同一内径Di で、その先端部を円錐状に形成された深
さhが比較的浅い内孔10が形成されている。
を効率よく冷却するために、軸長方向に同一内径Di で
深さh1 の内孔20aと、これより小径の軸長方向に同
一内径Di2で深さh3 の内孔20bとからなり、ピアサ
ープラグ先端近傍にまで達する深さhの内孔20が形成
されている。
0、20aおよび20bを軸長方向で同一内径とする場
合には、ボーリングマシーンを用いて少ない工数で内孔
10および20を加工することができる。この結果、図
1に示すプラグに比べ、その製造能率低下とコスト上昇
を少なくすることができる。
孔10の深さhをあまり深くしすぎると、プラグ先端部
近傍のプラグ肉厚が薄くなり、その部分の耐久性が低下
する。従って、内孔の深さを深くする場合には、図3に
示すように、プラグ先端側に位置する内孔の内径を2以
上の段階的に小さくした内孔20とするのが好ましい。
この場合、その内径Di 、Di2および深さh1 、h3 お
よびhなどは、図1に示すプラグにおける内孔1の形状
に近似した内孔形状が得られる寸法に設定される。
その最大内径Di と最大深さhとが内孔1、10および
20の形状と寸法を決定する代表値として用いられる。
ラグには、その外表面に溶損や焼付き損傷が発生するだ
けでなく、その内孔表面に亀裂が発生するのみならず、
これが進展して外表面にまで貫通することがある。
を示す模式図であり、図4に明らかなように、内孔に発
生する亀裂は半径方向に発生し、これが外表面に向かっ
て進展貫通するに至る。
面に進展貫通するに至るまでのプラグの使用可能なパス
回数は、ステンレス鋼などの高合金鋼を穿孔圧延対象と
して開発された上記従来プラグを高合金鋼の穿孔圧延に
供する場合には、その外表面の溶損や焼付き起因による
使用寿命(3〜15パス)の10〜20倍程度と遥かに
長寿命で何等の問題もない。
ラグを炭素鋼や低合金鋼の穿孔圧延に供する場合には、
その外表面の溶損や焼付き起因による使用寿命(200
〜600パス)の1〜3倍程度で、亀裂貫通によってそ
の使用寿命が制限され、プラグを破棄せざるを得ない場
合があり、プラグ原単位の向上を図れないという問題が
あった。
表面の溶損や焼付きによる場合、その損傷部分を除去す
べく旋盤による機械加工などの適宜な手段によって外削
し、小径サイズ用として再使用することができ、また高
合金鋼用のプラグについては小径サイズ用としては勿
論、低熱間変形抵抗の炭素鋼や低合金鋼用として再使用
することができるので、プラグ原単位の向上が図れる。
これに対し、内孔に発生した亀裂がプラグ外表面にまで
貫通すると上記外削再使用は不可能で、この時点でプラ
グを破棄せざるを得なくなるからである。
とその進展を防止し、これによってプラグの完全破棄に
至るまでの寿命延長を図る試みはなされていなかった。
で、その課題は内孔に発生する亀裂のプラグ外表面への
進展貫通を可及的に抑制し、これによって完全破棄に至
るまでの使用寿命を向上させたピアサープラグを提供す
ることにある。
図1〜図3に示すいずれのプラグの場合でも、内径Di
を最大外径DO の0.5〜0.6倍程度とし、最大深さ
hを全長Lの0.5〜0.9倍程度にしていた。
孔の亀裂発生とその進展について鋭意研究を重ねた結
果、その原因と延命策について以下の知見を得た。
被穿孔材料との接触によってその軸長方向と半径方向に
面圧(圧延荷重)が負荷される。この面圧は、プラグ円
周上の圧延ロールと対向する位置で最大となり、円周上
の圧延ロールと圧延ロールの中間位置で最小となる。
ル式ピアサーでは2回、3ロール式ピアサーでは3回の
周期的な面圧変動が生じる。穿孔1回当たりの面圧変動
の回数は、圧延ロールの数とプラグ並びに圧延ロールの
回転速度(回/sec)と穿孔時間(sec)の積とな
るが、一般的には100〜200回程度である。
れることによって、プラグには円周方向の応力変動が生
じ、その変動幅は内孔表面で最大となる。
示したように、半径方向の疲労亀裂が発生し、これがプ
ラグ外表面に向かって進展貫通するに至る。
析によってプラグ形状と発生応力の関係について種々検
討した結果、その内孔の大きさを以下に述べる条件を満
たす大きさにすると、プラグに発生する応力を低減させ
ることができ、その内孔からの亀裂発生並びにそのプラ
グ外表面への進展貫通に至るまでのプラグ使用回数を可
及的に増加させ得ることを知見した。
をDo(mm)、全長をL(mm)、内孔の最大内径を
Di(mm)、内孔の最大深さをh(mm)とすると
き、(Di/Do)×(h/L)値が0.05〜0.3
5になる大きさとすることである。
ピアサープラグにある。
孔を形成したピアサープラグであって、最大外径をDo
(mm)、全長をL(mm)、内孔の最大内径をDi
(mm)、内孔の最大深さをh(mm)とするとき、
(Di/Do)×(h/L)値を0.05〜0.35と
したことを特徴とする継目無製管用ピアサープラグ。
ついて、図5〜図11を参照して詳細に説明する。
端開口の内孔を備え、その最大外径Do、全長L、最大
内径Diおよび最大深さhが種々異なる後述の実施例に
用いたと同じプラグを対象に、有限要素法を用いた応力
解析によって求めたプラグ軸長方向の一断面における円
周方向の応力振幅Δσの分布を示す図である。
は、面圧変動の1周期において内孔表面の円周方向応力
が最大となる時点の応力値から、内孔表面の円周方向応
力が最小となる時点の応力値を減じた値である。また、
そのプラグ軸長方向位置は、内孔表面の上記応力振幅Δ
σが最大となる位置(図10参照)である。
応力振幅Δσは、内孔の大きさを表すパラメータである
上記(Di/Do)×(h/L)値の如何に係わらず、
いずれの場合も内孔表面で最大となり、外表面に向かう
に従って減少し、プラグ肉厚の中央部近傍で正負が逆転
する。また、上記パラメータ(Di/Do)×(h/
L)値が小さければ小さいほど、円周方向の応力振幅Δ
σの絶対値が小さくなることがわかる。
孔表面での円周方向の応力振幅Δσ(Δσの最大値)と
上記パラメータ(Di/Do)×(h/L)値との関係
を示す図である。
の円周方向の応力振幅Δσと内孔の大きさを表す上記パ
ラメータ(Di/Do)×(h/L)値との間には相関
があり、パラメータ(Di/Do)×(h/L)値が小
さいければ小さいほど、内孔表面での円周方向の応力振
幅Δσは小さいことがわかる。
ータ(Di/Do)×(h/L)値との間に相関がある
のは、次の理由による。すなわち、プラグの半径方向面
圧によって発生する円周方向応力は、プラグの横断面形
状(プラグ軸長方向に垂直な断面形状)の影響を受ける
ため、その最大外径Doと最大内径Diとの比(Di/
Do)に相関する。
る円周方向応力は、プラグの横断面形状と内孔の最大深
さhの影響を受けるため、上記(Di/Do)および最
大深さhと全長Lとの比(h/L)とにともに相関する
ためである。
応力振幅Δσの分布を有する各プラグの同じ断面の内孔
表面に種々深さa(図11参照)の半径方向の亀裂が生
じた場合における亀裂先端での応力拡大係数ΔKを、上
記同様の有限要素法を用いた応力解析によって求めた結
果を示す図である。
ータ(Di/Do)×(h/L)値が小さい場合には、
亀裂先端での応力拡大係数ΔKが低く、しかも亀裂の深
さが浅い段階で一定値に達し、亀裂が深くなっても殆ど
変化しない。これに対し、上記パラメータ(Di/D
o)×(h/L)値が大きい場合には、その値が大きけ
れば大きいほど、亀裂先端での応力拡大係数ΔKが亀裂
の深さの浅い段階で高くなり、しかも亀裂の深さに伴っ
て大きく変化することがわかる。
裂の深さがプラグ肉厚の10%となった時点における亀
裂先端での応力拡大係数ΔKと、上記パラメータ(Di
/Do)×(h/L)値との関係を示す図である。
の10%深さに達した亀裂先端での応力拡大係数ΔKと
上記パラメータ(Di/Do)×(h/L)値との間に
も相関があり、パラメータ(Di/Do)×(h/L)
値が小さければ小さいほど、亀裂先端での応力拡大係数
ΔKが小さくなることがわかる。
プラグの内孔表面での亀裂発生とその進展の原因が、圧
延荷重によって発生するプラグ円周方向の応力変動によ
る疲労破壊であることを示している。そして、この亀裂
発生とその進展を抑制するためには、内孔の大きさを表
す上記パラメータ(Di/Do)×(h/L)値を小さ
くすればよいことを示していることにほかならないが、
その値は0.05〜0.35とする必要がある。その理
由は、次に述べる通りである。
(h/L)値が0.35を超えると、内孔表面での上記
円周方向の応力振幅Δσや亀裂先端での応力拡大係数Δ
Kが大きくなり過ぎ、亀裂発生とその進展、特に進展を
効果的に抑制できず、後述の実施例結果からも明らかな
ように、十分なピアサープラグ使用寿命の延長が図れな
いためである。なお、内孔表面に発生した亀裂が外表面
に進展貫通するまでの期間をより長くし、その使用寿命
がプラグ外表面の溶損や焼付き損傷によって制限される
ようにするには、上記パラメータ(Di/Do)×(h
/L)値を0.20以下とするのが好ましく、この場合
には、プラグ外表面を外削して小径サイズ用などとして
再使用することが可能になる。
Do)×(h/L)値は小さければ小さいほどよい。し
かし、その値が0.05未満になると、内孔の寸法が小
さくなりすぎ、プラグを支持バーに安定装着することが
困難で、穿孔圧延中にプラグが支持バーから外れる危険
性が高くなり、穿孔圧延を安定して実施できなくなる。
また、内孔に冷却水を供給してプラグ自体を冷却する水
冷タイプのプラグの場合、その冷却効果が減少し、プラ
グ温度が上がることによって溶損や焼付きなどの外表面
の損傷が発生し易くなる。
i/Do)×(h/L)値を0.05〜0.35とし
た。
後の管長さ/ビッレト長さ)が1.5〜4.0の穿孔圧
延に適用でき、内孔表面に発生した亀裂がプラグ外表面
に進展貫通するに至るまでの使用寿命を長くすることが
できる。
(Di/Do)×(h/L)値が0.20以下になるよ
うにした場合は、プラグ外表面に溶損や焼付きなどの外
表面損傷が発生する以前に亀裂がプラグ外表面に進展貫
通することがなくなり、外削再使用が可能となる。ただ
し、上記パラメータ(Di/Do)×(h/L)値は上
記0.20以下であるが、その値を下限値の0.05に
設定した内孔を備える水冷タイプの本発明プラグでは、
上記した理由によって亀裂の進展貫通前にプラグ外表面
に溶損や焼付きなどの外表面損傷が発生する恐れがある
が、この場合には従来提案されている外表面損傷の抑制
策(例えば、特開平7−60314号公報に示される技
術)を併用すれば何等の問題もない。
べる試験を行った。
30重量%C−0.5重量%Si−3.0重量%Cr−
1.2重量%Ni−残部Feおよび不可避不純物からな
る鋼を溶製し、この溶鋼を砂型に鋳込んだ後に機械加工
で仕上げを行い、表1に示す各種形状寸法のプラグを製
造した。次いで、得られたこれらのプラグの表面に、大
気雰囲気中で970℃に5時間均熱保持する条件で25
0〜300μm厚さのスケール付着処理を施した後、下
記の条件による低炭素鋼(JIS−S20C鋼)製の種
々寸法の継目無鋼管の穿孔圧延に供し、その使用寿命
(パス回数)と寿命原因を調べた。
レットを、圧延ロールの傾斜角度を16°に設定したデ
スクロールガイドを備える傾斜ロール式の2ロール式ピ
アサーを用い、穿孔比2.5で穿孔圧延。
ラメター(Di/Do)×(h/L)値と寿命の関係を
図9に整理して示した。
うに、本発明のプラグ(No. 1〜11)の寿命は520
パス以上と長寿命である。特に、パラメータ(Di/D
o)×(h/L)値が0.20以下の内孔を設けた本発
明のプラグ(No. 1〜5)の寿命は1150パス以上と
長寿命であった。また、その寿命原因は、全て外表面の
溶損および焼付き損傷によるものであり、亀裂の進展貫
通によらないために外削再使用することができた。
(h/L)の値が0.35を超える比較例のプラグ(N
o. 12〜15)の寿命は430パス以下で本発明のプ
ラグに比べて短寿命であった。また、その寿命原因は、
全て亀裂の進展貫通によるものであったため、外削再使
用することができなかった。
/Do)×(h/L)値が0.05未満になる内孔を備
えるプラグも製造したが、支持バーへ装着することがで
きず、穿孔圧延を行うことができなかった。
レス鋼などの高合金用として開発された上記特開平7−
60314号公報に示される鋼製のプラグを用い、低炭
素鋼(JIS−S20C鋼)製のビレットを対象に上記
と同様の試験を行ったところ、上記とほぼ同様の傾向を
示す結果が得られた。
とその進展貫通によるプラグ完全破棄に至るまでの使用
寿命を可及的に長くすることができ、プラグ原単位の向
上を図ることができる。
図である。
面図である。
的縦断面図である。
態様の一例を示す模式的横断面図である。
方向の応力変動幅Δσの分布を示す図である。
(Di/Do)×(h/L)値と内孔表面での円周方向
の応力変動幅Δσとの関係を示す図である。
の関係を示す図である。
における亀裂先端での応力拡大係数Δk値とパラメータ
(Di/Do)×(h/L)値との関係を示す図であ
る。
メータ(Di/Do)×(h/L)値とを整理して示す
図である。
軸長方向の位置を示す模式的縦断面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】外郭形状が砲弾状であり、その軸心部に後
端開口の内孔を形成したピアサープラグであって、最大
外径をDo(mm)、全長をL(mm)、内孔の最大内
径をDi(mm)、内孔の最大深さをh(mm)とする
とき、(Di/Do)×(h/L)値を0.05〜0.
35としたことを特徴とする継目無製管用ピアサープラ
グ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP08116162A JP3125679B2 (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 継目無鋼管製造用ピアサープラグ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP08116162A JP3125679B2 (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 継目無鋼管製造用ピアサープラグ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09295012A JPH09295012A (ja) | 1997-11-18 |
JP3125679B2 true JP3125679B2 (ja) | 2001-01-22 |
Family
ID=14680319
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP08116162A Expired - Fee Related JP3125679B2 (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 継目無鋼管製造用ピアサープラグ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3125679B2 (ja) |
-
1996
- 1996-05-10 JP JP08116162A patent/JP3125679B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
日本鉄鋼協会編,「わが国における最近の鋼管製造技術の進歩」,昭和49年7月20日,p.125 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH09295012A (ja) | 1997-11-18 |
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