JP4375180B2 - 管の定径圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば継目無鋼管の仕上げ圧延に採用される定径圧延用孔型ロールおよびそれを用いた管の定径圧延方法に関し、さらに詳しくは、定径圧延ロールの孔型を最適に設計し、さらにロール潤滑剤および冷却水の使用条件を最適にすることにより、特に難加工材であってもロール焼き付きの発生を防止することができる管の定径圧延方法に関するものである。

継目無鋼管を製造する方法として、いわゆるマンネスマン製管法が広く採用されている。この製管方法では、高温に加熱された中実の丸ビレットを穿孔圧延機（いわゆる、ピアサー）に供給して、その軸心部を穿孔して中空素管を得る。次いで、得られた中空素管をそのまま、または必要に応じて上記穿孔圧延機と同一構成のエロンゲータに通して拡径、減肉した後、プラグミル、マンドレルミルなどの後続する延伸圧延装置に供給して延伸圧延する。

さらに、最終仕上げ工程として、サイザー等の定径圧延機に通して、外径絞り加工を施し、精整工程を経て製品となる継目無鋼管を製造する。この最終仕上げ工程において用いられる定径圧延機は、寸法精度とともに外径加工度も要求されることから、サイザー等が採用されている。

このように、定径圧延機は、最終仕上げ工程で用いられるので、各スタンドに組み込まれている孔型ロールの表面状況は、そのまま鋼管製品の表面品質に重要な影響を及ぼす。例えば、定径圧延機の孔型ロール表面にロール焼き付きが発生すると、直接的に鋼管製品の表面品質を悪化させることになる。

ところで、近年においては、油井用、各種プラント用、または建設構造用としてＣｒを３〜３０％含有する、いわゆる高Ｃｒ合金鋼の継目無鋼管や、ステンレス鋼の継目無鋼管が多く採用され始めている。高Ｃｒ鋼は、一般鋼とに比較してその熱間加工性が劣るため、最終仕上げ工程での定径圧延において、ロール焼き付きを発生し易い。

定径圧延においてロール焼き付きが発生すると、鋼管製品の歩留りが低下するだけでなく、穿孔圧延機をはじめとして、伸延圧延機および定径圧延機からなる製管ミル全体を停止させなければならないことから、生産効率が著しく阻害されることになる。このため、従来から、マンネスマン製管法においてロール焼き付きを防止して、優れた表面性状を有する鋼管が得られるように、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１では、マンドレルミルにおけるカリバーロールとして鋳鉄ロールまたは鋳鋼ロールを用い、かつマンドレルミルのスタンドの入側からカリバーロールと素管との間に潤滑剤を連続的に塗布するとともに、カリバーロールのみに冷却水を散布しながら素管を圧延する方法が提案されている。

具体的には、素管の圧延中にはロール冷却水の散布を停止して、潤滑剤のみを塗布するが、素管の非圧延中は潤滑剤の塗布を停止して、ロール冷却水のみを散布する方法が開示されている。これにより、特許文献１のカリバーロールは、摩耗および肌あれを著しく抑制することができ、ロール焼付きを抑制できるとしている。

また、特許文献２では、２ロール式と３ロール式とを組み合わせて配列したサイザーを用いて、ロール焼き付きの発生を防止する鋼管の定径方法が提案されている。具体的には、合計１０スタンドで構成され、最初の２スタンドは２ロール式、中間の６スタンドは３ロール式、そして最後の２スタンドは２ロール式で構成することが開示されている。このような構成により、ロール焼き付きは殆ど発生せず、真円度を含めた不良率は０％であるとしている。

次に、特許文献３では、十分に薄いスケールを有し、かつ表面粗さの小さい優れた表面性状を有する鋼管を製造するため、温間絞り圧延と適切に選択したスタンドへの潤滑剤適用とを組み合わせる絞り圧延方法が提案されている。その具体的な構成として、複数のスタンドを複数タンデムに配列した絞り圧延装置に鋼管を連続的にパスさせて絞り圧延する鋼管の絞り圧延方法において、絞り圧延前の鋼管を８００℃未満に加熱し、絞り圧延の終了温度を５００℃〜７００℃とし、少なくとも最終２パスのスタンドに潤滑剤を適用する絞り圧延方法が開示されている。

特公平７−７３７２７号公報、［特許請求の範囲］ 特開平７−１６４０２３号公報、［特許請求の範囲］、［００１４］ 特開平１１−５７８１８号公報、［特許請求の範囲］

前述の複数の穿孔技術は、いずれの場合も、高Ｃｒ合金鋼や、ステンレス鋼の薄肉管を対象とせず、またそれらに適用した場合の作用効果が不明である。

さらに、特許文献１または３で提案される圧延方法では、ロール潤滑剤の塗布を前提とするため、圧延中に潤滑剤の供給・塗布する装置を設けることが必要になるので、製造コストの増大が予想される。また、特許文献２で提案される定径方法では、孔型ロールの冷却条件がロール焼き付けに及ぼす作用について何ら考慮されていない。また、２ロール式と３ロール式とを組み合わせて定径圧延機を配列することから、圧延設備の構成が煩雑となる。

本発明は、特に３ロール式定径圧延機を採用して、その孔型ロールを最適に設計し、さらにロール潤滑剤の塗布およびロール冷却水の散布条件を最適にして、難加工材を定径圧延する場合であってもロール焼き付きの発生を防止することができる管の定径圧延方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記の課題を解決するため、数多くの定径圧延におけるロール焼き付きの発生状況を調査し、ロール焼き付きの発生メカニズムを明らかにした。通常、定径圧延用孔型ロールでは各スタンド毎にエッジ部半径Ａ_iおよび溝底部半径Ｂ_iが定められ、エッジ部半径Ａ_iが溝底部半径Ｂ_iより大きく設計されており、いわゆる楕円度（β）Ｂ_i／Ａ_iでロール表面形状が把握されている。

このため、定径圧延に際し、被圧延材がロール孔型の溝底部で圧下されることによって外径絞りが加えられるが、エッジ部では外径絞りを生ずるほど圧下を受けない。このとき、孔型ロールのエッジ部近傍では、ロール表面と被圧延材との速度差が大きくなるため、ロール焼付きが発生し易い。特に、２ロール式孔型圧延ロールは、ロール孔型が半円状であるため、溝底部と両エッジ部の周速度差がより大きくなり、エッジ部においてロール焼き付きが発生し易い。

したがって、ロール焼付きの発生を有効に防止するには、まず３ロール式孔型圧延ロールを選択し、そのロール表面と被圧延材との速度差が適正になるように孔型ロールの楕円度（β）Ｂ_i／Ａ_iを所定の範囲で管理する必要がある。

ところで、本発明者らは、穿孔圧延、延伸圧延されてサイザー等の定径圧延機に供給される素管（被圧延材）は、ほぼ全面に緻密なスケールを有しているため、定径圧延中には、ロール冷却水を散布せずに素管表面にスケールを付着させたままの状態で圧延を行うと、ロール焼付きの発生を低減することができることを見出した。

さらに、スケール生成の比較的少ない高Ｃｒ合金鋼やステンレス鋼においても、定径圧延中にロール冷却水の散布を止めると、素管およびロール表面に付着したスケールが剥離しないため、素管表面とロール表面とがメタル−メタル接触を回避でき、ロール焼き付きを十分に抑制できることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）の管の定径圧延方法を要旨としている。

（１）複数の３ロール孔型スタンドを交差して連設した定径圧延機を用い、素管圧延中にロール潤滑剤の塗布およびロール冷却水の散布を行わず、素管圧延終了後にロール冷却水を散布し、前記３ロール孔型スタンドを構成する孔型ロールが次の（１）式の条件を満足することを特徴とする管の定径圧延方法である。
０ ＜ ρ ＜（−５９．０２×β）＋５９．７１ ・・・ （１）
ただし、Ａ _i ：Ｎｏ．ｉスタンドを構成する孔型ロールのエッジ部半径、およびＢ _i ：Ｎｏ．ｉスタンドを構成する孔型ロールの溝底部半径とした場合に、
ρ＝［｛（Ｂ _i-1 ＋Ａ _i-1 ）−（Ｂ _i ＋Ａ _i ）｝／（Ｂ _i-1 ＋Ａ _i-1 ）］×１００
β＝Ｂ _i ／Ａ _i とする

本発明の定径圧延用孔型ロールおよび圧延方法では、ステンレス鋼の薄肉材、または高Ｃｒ合金鋼において、特に効果を発揮する。これらの鋼種は、一般鋼に比較して熱間加工性や変形能が劣る難加工材であるが、本発明の孔型ロールおよび定径圧延方法を用いることによって、ロール焼き付きの発生を有効に防止できるからである。

ここで、高Ｃｒ合金鋼としては、１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼が例示されるが、例えば、ＡＰＩ−１３％ＣｒまたはＪＩＳ−ＳＵＳ４２０鋼に規定するように、良好な耐炭酸ガス腐食性を備えるとともに、高強度が容易に得られることから油井用、各種プラント用、または建設構造用として多用されている。

本発明の定径圧延用孔型ロールおよび定径圧延方法によれば、特に難加工材を定径圧延する場合であっても、ロール焼き付きの発生を防止することができる。これにより、継目無鋼管の生産効率および製品歩留まりを向上させるとともに、製造コストの低減を達成できるので、マンネスマン製管法の仕上げ圧延用として、広く採用されている。

本発明の定径圧延方法および定径圧延用孔型ロールでは、ステンレス鋼の薄肉材、または高Ｃｒ合金鋼からなる難加工性の素管を圧延する場合であっても、孔型ロールにロール焼き付きを発生させないことを目的としている。この目的を達成するため、３ロール式で孔型設計の最適化を図り、これを前提としてロール潤滑剤を塗布することなく、かつ冷却水を散布することなく素管を圧延することにしている。以下、その内容を説明する。

図１は、本発明が採用する３ロール孔型スタンドの配置状況および孔型ロールの表面形状を示す図である。同図に示すように、３ロール式では孔型スタンドの円周方向に３分割した３個の孔型ロール１ａ、１ｂ、１ｃで構成されており、その表面形状は当該ロールのエッジ部半径Ａｉおよび溝底部半径Ｂｉで規定されている。

前述の通り、素管を定径圧延する場合には、孔型ロール１ａ、１ｂ、１ｃの溝底部で素管を圧下するが、エッジ部では素管と接するものの圧下を施す程ではない。このため、孔型ロール１ａ、１ｂ、１ｃのエッジ部近傍では、ロール表面と被圧延材との速度差が大きくなるため、ロール焼付きが発生し易くなる。このような挙動は２ロール式で顕著になることから、本発明では３ロール式を採用し、外径圧下量を大きく取れるようにすると同時に、エッジ部近傍で発生するロール焼き付きを防止することにした。

本発明の孔型設計に際しては、孔型ロールの楕円度（β）Ｂ_i／Ａ_iを、外径絞り加工における外径加工度（ρ）の限界範囲内で管理することとした。後述する図２は、ステンレス鋼の薄肉材を素管に用いて定径圧延を行った場合の外径加工度（ρ）と孔型ロールの楕円度（β）の関係を示す図であるが、両者には一定の相関があることが確認された。

Ｎｏ．ｉスタンドを構成する孔型ロールのエッジ部半径Ａ_i、および溝底部半径Ｂ_iとした場合に、楕円度はβ＝Ｂ_i／Ａ_iとなり、外径加工度（％）は次のようになる。

ρ＝［｛（Ｂ_i-1＋Ａ_i-1）−（Ｂ_i＋Ａ_i）｝／（Ｂ_i-1＋Ａ_i-1）］×１００
したがって、本発明の孔型ロールは、本発明者らによる実験結果に基づいて、次の（１）式の条件を満足する必要がある。

０ ＜ ρ ＜（−５９．０２×β）＋５９．７１ ・・・ （１）
本発明の定径圧延方法では、ロール潤滑剤を塗布することなく、かつロール冷却水を散布することなく素管を圧延する。素管の圧延中にロール冷却水を散布することなく、素管表面にスケールを付着させたままで圧延することにより、ロール潤滑剤を塗布しない場合であっても、素管表面とロール表面とのメタル−メタル接触を回避できるので、ロール焼付きの発生を防止できることによる。

３ロール式サイザーに供給する中空素管として、マンドレルミルによって外径１５１ｍｍ×肉厚４．０〜１５ｍｍに圧延されたステンレス鋼（ＳＵＳ ３０４Ｈ）を準備した。使用したサイザーには前記図１に示す３ロール孔型スタンドを配置して、Ｎｏ．１〜７スタンドからなるメインロールスタンドとＮｏ．８〜１０スタンドからなる仕上げロールスタンドとを組み込んだ。

ロール潤滑剤を塗布しない条件で、外径加工度（ρ）および孔型ロールの楕円度（β）を変動させながら、ロール冷却水を散布する場合と散布しない場合に区分して、準備した中空素管に定径圧延を実施し、ロール焼き付きの発生状況を調査した。

図２は、実施例におけるステンレス鋼の薄肉材（肉厚Ｗｔ：１５ｍｍ以下）を素管に用いて定径圧延を行った場合の外径加工度（ρ）と孔型ロールの楕円度（β）の関係を示す図である。図中で示す相関Ｙは、ロール冷却水を散布する場合のロール焼き付き限界における外径加工度（ρ）と孔型ロールの楕円度（β）の関係を示している。

一方、相関Ｘは、冷却水を散布しない場合の両者の関係を示しており、下記（１’）式で表される。

ρ ＝（−５９．０２×β）＋５９．７１ ・・・ （１’）
図２の結果から、ロール冷却水を散布しない場合には孔型ロールの楕円度（β）が同一であっても、外径加工度（ρ）の限界が上昇しておりロール焼き付きが発生しにくいことを確認することができる。

本発明の定径圧延用孔型ロールおよび定径圧延方法によれば、特に難加工材を定径圧延する場合であっても、ロール焼き付きの発生を防止することができる。これにより、継目無鋼管の効率生産に大きく寄与できることから、本発明の定径圧延用孔型ロールは、マンネスマン製管法の仕上げ圧延用として多用されることになる。

本発明が採用する３ロール孔型スタンドの配置状況および孔型ロールの表面形状を示す図である。 実施例におけるステンレス鋼の薄肉材（肉厚Ｗｔ：１５ｍｍ以下）を素管に用いて定径圧延を行った場合の外径加工度（ρ）と孔型ロールの楕円度（β）の関係を示す図である。

Claims (1)

1. 複数の３ロール孔型スタンドを交差して連設した定径圧延機を用い、素管圧延中にロール潤滑剤の塗布およびロール冷却水の散布を行わず、素管圧延終了後にロール冷却水を散布し、前記３ロール孔型スタンドを構成する孔型ロールが次の（１）式の条件を満足することを特徴とする管の定径圧延方法。
   ０ ＜ ρ ＜（−５９．０２×β）＋５９．７１ ・・・ （１）
   ただし、Ａ_i：Ｎｏ．ｉスタンドを構成する孔型ロールのエッジ部半径、およびＢ_i：Ｎｏ．ｉスタンドを構成する孔型ロールの溝底部半径とした場合に、
   ρ＝［｛（Ｂ_i-1＋Ａ_i-1）−（Ｂ_i＋Ａ_i）｝／（Ｂ_i-1＋Ａ_i-1）］×１００
   β＝Ｂ_i／Ａ_i とする

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