JP4487847B2 - 延伸圧延による継目無金属管の熱間製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、エルハルト・プッシュベンチミルプロセス、マンネスマン・プッシュベンチミルプロセスなど延伸圧延工程にプッシュベンチミルを採用する継目無金属管の熱間製造方法に関する。

エルハルト・プッシュベンチミルプロセスは、１８９１年にハインリッヒ・エルハルトが特許を取得した継目無鋼管の製造方法であり、加熱した角鋼片を横断面が円形のコンテナに挿入し、円筒形のポンチを押し込んで穿孔して得られた底付き素管の内側にマンドレルを挿入し、マンドレルを駆動して、ソリッドダイス群を一挙に押し抜いて底付き素管の外径および肉厚を減じ、製品とするプロセスである。その後、改良が加えられ、近代のエルハルト・プッシュベンチミルプロセスは、ソリッドダイス群に替えて３ロール型ローラダイス群を採用し、マンドレルを駆動してローラダイス群を一挙に押し抜いて主として肉厚を減じ、マンドレルバーリーラにより管の内外面を磨くと同時にマンドレルバーを抜きやすくする。

マンドレルバーをストリッピングする際に温度低下が著しいので、管を再加熱し、ストレッチレデューサまたはサイザにより外径を絞って所定の製品寸法を得る。無理のない単純な製管方法であり、また、設備コストが極めて安価であって、ある程度の生産能率を確保できるので、欧州を中心に広く普及した（非特許文献１、非特許文献２など）。

このプロセスの欠点は、穿孔プレスにおける偏肉の発生と長尺穿孔ができないことであったが、１９８０年代になって、マンネスマン・デマーグ・メーア社は、プレス穿孔に替えてマンネスマン・ピアサにより穿孔し、クリンピングプレスによりホローピースの片端をクリンプして擬似コップ形状素管とし、その内側に挿入したマンドレルを駆動して、３ロールの非駆動ローラダイス群を押し抜くプロセスを開発した。いわゆるＣＰＥ（Ｃｒｏｓｓ Ｐｉｅｒｃｅｒ ＆ Ｅｌｏｎｇａｔｏｒ）プロセスであり、いわばマンネスマン・プッシュベンチミルプロセスとでも言うべき製造プロセスである。この発明によって、前記の偏肉問題は解決し、長尺穿孔も可能となって生産能率も飛躍的に革新され、これまた、欧州を中心に広く普及し、２１世紀に入ってもミルの新設および改造が続いている。

図１に、マンネスマン・プッシュベンチミルプロセスを示した。同図（ａ）は回転炉床式加熱炉、（ｂ）はマンネスマン・ピアサ、（ｃ）はプッシュベンチミル、（ｄ）はマンドレルバーリーラ、（ｅ）は再加熱炉、（ｆ）はストレッチレデューサであり、同図（ｃ）において、符号１は駆動マンドレル、２はホローピース、３はクリンピングプレス（図示せず）により片端をクリンプしたコップ形状素管、４は非駆動ロール（非駆動ローラダイス）を示す。

日本鉄鋼協会編集：第３版 鉄鋼便覧 第３巻（２）条鋼・鋼管・圧延設備（昭和５５年１１月２０日） ９４８〜９５１頁および１０２７〜１０３７頁 林 千博著：鋼管の製造方法（２０００年１０月１０日） ４３〜４５頁

マンネスマン・プッシュベンチミルプロセスの開発は、偏肉の改善および生産能率の向上に画期的なものであったが、なお、下記のような技術開発の余地が残されている。

プッシュベンチミルでは、非駆動のローラダイス群にストレッチレデューサと同じ構造の３ロール方式を採用するため、管材料はマンドレルバーに固着し、焼き嵌め状態となりながら圧延が繰り返され、プッシュベンチミル内ではストリッピングが不可能となる。そのため、マンドレルバーリーラが必要になり、さらには、管材料の温度が低下して、再加熱炉が必要不可欠となる。

本発明者は、マンドレルのストリッピングをプッシュベンチミル内で行って、マンドレルバーリーラを省略し、あわよくば、再加熱炉をも省略する意図をもって技術開発に挑戦した。

本発明者は、上述の課題を解決するために、従来の問題点を踏まえて開発を進め、下記の知見を得て、本発明を完成させるに至った。

一般に、管内面にマンドレルバーを挿入して連続圧延するマンドレルミルでは、駆動ロールの個数が２ロール、３ロール、４ロールと増加するほど、ロール孔型形状を真円に近づけることができるので、管断面の円周方向の偏肉は顕著に改善される。しかし、その反面、管内面はマンドレル表面に密着して肉厚圧下が繰り返されるので、管内面はマンドレル表面に固着し、あたかも焼き嵌め状態のようになり、マンドレルバーのストリッピングが極めて困難となる。

各スタンドのロールを非駆動とし、マンドレルを駆動するプッシュベンチミルにおいても同様であり、ロール個数が多くなるほど管断面の円周方向の偏肉特性は改善されるが、反面、ストリッピングが困難となり、ストリッピングするためにマンドレルバーリーラが必要になり、それによって、管材料の温度が低下し、再加熱炉が必要となる。

本発明者は、管断面の円周方向の均一な肉厚分布を確保しながら、ストリッピング特性を抜本的に改善する手段について試行錯誤を繰り返し、最終的に、非駆動のローラダイスとして傾斜圧延機能を有する非駆動のロータリローラダイスの採用に踏み切った。

非駆動のロータリローラダイスに傾斜圧延機能を付与する方法としては、二、三の方法が考えられるが、本発明者は、最も簡単で効果的な方法として、駆動マンドレルに強制回転機能を付与し、駆動マンドレルを強制的に回転させながら非駆動のロータリローラダイス群を押し抜けば、マンドレルバーの先端はコップ状素管の底部に密着しているので、コップ状の管材料はマンドレルの回転とともに回転し、それによって非駆動傾斜ロールは確実に回転し、傾斜圧延が可能になると考えた。そして、管材料は管軸方向に延伸されると同時に、管周方向にも延伸されるので、管内面とマンドレルとの間に隙間を生じ、管材料はプッシュベンチミル内でストリッピングが可能になる。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示す継目無金属管の製造方法にある。

（１）エルハルト・プッシュベンチミルプロセス、マンネスマン・プッシュベンチミルプロセスなど延伸圧延機としてプッシュベンチミルを採用する継目無金属管の熱間製造方法において、前記プッシュベンチミルのローラダイス群に替えて、傾斜圧延機能を有する非駆動のロータリローラダイス群を採用し、コップ状素管内に挿入した駆動マンドレルをマンドレル軸の周りに強制回転させながら前記素管の管軸方向に駆動し、前記非駆動のロータリローラダイス群を一挙に押し抜いて素管の肉厚を減じることを特徴とする延伸圧延による継目無金属管の熱間製造方法。

（２）前記延伸圧延終了後、前記駆動マンドレルを元の位置まで復帰させ、当該駆動マンドレルのストリッピングを行い、圧延サイクルとすることを特徴とする前記（１）に記載の延伸圧延による継目無金属管の熱間製造方法。

（３）前記延伸圧延後の再加熱工程を省略することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の延伸圧延による継目無金属管の熱間製造方法。

本発明において、「ダイス群」とは、１基または複数基のダイスから構成されるダイスの集合を意味する。

本発明の方法によれば、延伸圧延機としてプッシュベンチミルを採用する継目無金属管の熱間製造プロセスにおいて、プッシュベンチミルの非駆動のローラダイス群に替えて、非駆動のロータリローラダイス群を採用し、強制回転機能を有するマンドレルを駆動して一挙に非駆動のロータリローラダイス群を押し抜くことにより、プッシュベンチミル内においてマンドレルバーのストリッピングを可能とし、マンドレルバーリーラを省略し、併せてローラダイス基数の抜本的削減を図り、あわよくば、再加熱をも省略できる。さらに、継目無金属管製造の設備コストはもちろんのこと、ランニングコストの削減効果は極めて大きい。

本発明は、前記のとおり、延伸圧延機としてプッシュベンチミルを採用する継目無金属管の熱間製造方法において、プッシュベンチミルのローラダイス群に替えて、傾斜圧延機能を有する非駆動のロータリローラダイス群を採用し、強制回転機能を有する駆動マンドレルをコップ状素管内に挿入し、駆動マンドレルをマンドレル軸の周りに強制回転させながら素管の管軸方向に駆動し、ダイス群を一挙に押し抜いて素管の肉厚を減じることを特徴とする延伸圧延による継目無金属管の熱間製造方法である。

都合の良いことに、一般に傾斜圧延によれば、傾斜圧延を行わない通常の圧延の数倍の肉厚リダクションがとれるので、十数基のローラダイスからなるローラダイス群は、２〜３基のロータリローラダイスからなるロータリローラダイス群で十分となり、ローラダイス基数の抜本的削減が可能となり、設備コストの更なる圧縮も実現できる。

次に、ロールを回転駆動する傾斜圧延機では、２ロール型あるいは３ロール型が一般的であるが、非駆動の傾斜圧延機では、２ロール型、３ロール型はもちろんのこと、４ロール型も採用できる。非駆動なので、スピンドル、減速機そしてモータは不要であり、傾斜ロールは一つのカセット内に納められ、２〜３のカセットをタンデム状に並べて配置しさえすればよい。

発明の実施の形態を図２に示した。図２において、符号１１は強制回転機能を有する駆動マンドレル、１２はホローピース、１３はクリンピングプレス（図示せず）により片端をクリンプしたコップ形状素管、１４は非駆動傾斜ロール（非駆動ロータリローラダイス）を示す。

マンネスマン穿孔機により穿孔したホローピース１２の片端をクリンピングプレスによりクリンプしてコップ形状素管１３となし、その内側に強制回転機能を有する駆動マンドレル１１を挿入し、駆動マンドレル１１をマンドレル軸の周りに強制回転させながら素管の管軸方向に駆動し、２〜３スタンドの非駆動傾斜ロール１４からなる非駆動傾斜ロール群を一挙に押し抜いて肉厚を減ずる。

ここで、若干付言すれば、一般に、駆動傾斜ロールを並べて配置しタンデム圧延すれば、回転数の設定誤差がわずかであっても管材料はスタンド間で捩れ、満足すべき肉厚圧下ができないが、非駆動傾斜ロールを用いる場合には、管材料の回転速度に追随してロールの回転数が決まるから、スタンド間で捩れを生じない。したがって、本発明は、タンデム傾斜圧延法を新規に提供するものでもある。

本発明の継目無金属管の製造方法による効果を確認するため、下記の試験を行い、その結果を評価した。試験においては、マンネスマン・マンドレルミルプロセスにより製造された外径４２．０ｍｍ、肉厚５．５ｍｍの炭素鋼の鋼管の片端を熱間鍛造して閉塞することによりコップ状素管とし、３ロール型傾斜圧延機の駆動軸をはずして非駆動傾斜ロールとなし、コップ状素管内に挿入したプッシャのマンドレルを強制回転させながら駆動して非駆動傾斜ロールを押し抜いた。

現在はタンデム圧延機がないため、同一傾斜圧延機のロール開度を変更して２回パスさせ、２タンデム傾斜圧延をシミュレーションした。マンドレル径は３０．０ｍｍである。素管の外径は４２．０ｍｍであるので、実機換算で１／６〜１／３縮尺の模型実験を行って非駆動ロータリローラダイスによるタンデム圧延をシミュレーションしていることになる。試験条件を以下に列挙するが、マンドレルの回転数、ロールの傾斜角および交叉角を変化させながら試験を行った。
（１）押し抜き速度：〜最大０．３ｍ／ｓ
（２）ロール径（ゴージ径）：２１０ｍｍ
（３）マンドレル径：３０．０ｍｍφ
（４）ロール傾斜角：６°〜１２°
（５）ロール交叉角：４°〜８°
（６）マンドレル回転数：〜最大１００ｒ．ｐ．ｍ
（７）加熱温度：９２０℃
（８）パススケジュール（単位ｍｍ）
第１パス：４２．０φ×５．５ｔ→３６．４φ×２．８ｔ（目標）
第２パス：３６．４φ×２．８ｔ→３５．２φ×１．８ｔ（目標）
（９）クリアランス：（０．８±０．３）ｍｍ、ストリッピング良好
上記試験の結果、２回の傾斜圧延により管材料は管軸方向に延伸されると同時に管周方向にも延伸され、管内面とマンドレル表面との間のクリアランスは十分であり、ストリッピングは問題ないことが判明した。

本発明の方法によれば、エルハルト・プッシュベンチミルプロセス、マンネスマン・プッシュベンチミルプロセスなど延伸圧延機としてプッシュベンチミルを採用する継目無金属管の熱間製造プロセスにおいて、プッシュベンチミルの非駆動のローラダイス群に替えて、非駆動のロータリローラダイス群を採用し、強制回転機能を有するマンドレルを駆動して一挙に非駆動のロータリローラダイス群を押し抜くことにより、プッシュベンチミル内においてマンドレルバーのストリッピングを可能とし、マンドレルバーリーラを省略し、併せてローラダイス基数の抜本的削減を図り、あわよくば、再加熱をも省略できる。さらに、継目無金属管製造の設備コストはもちろんのこと、ランニングコストの削減効果は極めて大きい。

マンネスマン・プッシュベンチミルプロセスの説明図であり、同図（ａ）は回転炉床式加熱炉、（ｂ）はマンネスマン・ピアサ、（ｃ）はプッシュベンチミル、（ｄ）はマンドレルバーリーラ、（ｅ）は再加熱炉、（ｆ）はストレッチレデューサをそれぞれ示す。 本発明に関するロータリローラダイスを採用するプッシュベンチミルの説明図である。

符号の説明

１：駆動マンドレル、 ２：ホローピース、 ３：クリンピングプレス（図示せず）により片端をクリンプしたコップ形状素管、 ４：非駆動ロール（非駆動ローラダイス）、 １１：強制回転機能を有する駆動マンドレル、 １２：ホローピース、 １３：クリンピングプレス（図示せず）により片端をクリンプしたコップ形状素管、 １４：非駆動傾斜ロール（非駆動ロータリローラダイス）

Claims (3)

1. エルハルト・プッシュベンチミルプロセス、マンネスマン・プッシュベンチミルプロセスなど延伸圧延機としてプッシュベンチミルを採用する継目無金属管の熱間製造方法において、
   前記プッシュベンチミルのローラダイス群に替えて、傾斜圧延機能を有する非駆動のロータリローラダイス群を採用し、コップ状素管内に挿入した駆動マンドレルをマンドレル軸の周りに強制回転させながら前記素管の管軸方向に駆動し、
   前記非駆動のロータリローラダイス群を一挙に押し抜いて素管の肉厚を減じることを特徴とする延伸圧延による継目無金属管の熱間製造方法。
2. 前記延伸圧延終了後、前記駆動マンドレルを元の位置まで復帰させ、当該駆動マンドレルのストリッピングを行い、圧延サイクルとすることを特徴とする請求項１記載の延伸圧延による継目無金属管の熱間製造方法。
3. 前記延伸圧延後の再加熱工程を省略することを特徴とする請求項１または２に記載の延伸圧延による継目無金属管の熱間製造方法。

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