JP4735776B2 - 多ロールマンドレルミルおよび継目無管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多ロールマンドレルミルおよびこれを用いた継目無管の製造方法に関する。詳しくは、本発明は、マンドレルミルにおけるアンダーフィルおよびオーバーフィルを効率的に防止することができる多ロールマンドレルミルおよびこれを用いた継目無管の製造方法に関する。

なお、別に記載がない限り、本明細書における用語の定義は次のとおりである。
「多ロールマンドレルミル」：ロール孔型としてロール数が３または４の孔型ロールがそれぞれ配置された圧延スタンドを複数基備えるマンドレルミルである。
「ロール径比」：圧延スタンドに配置された孔型ロールの溝底におけるロール径（溝底ロール径）をＤｒ、当該孔型ロールで延伸圧延された管材の断面径をＤｐとしたときに、Ｄｒ／Ｄｐで表される値である。管材の断面径は、ロール溝底に対応する部位と管の軸心との距離を半径とする管の断面径とする。

「アンダーフィル」：管材が圧延される際に、管材の外周長が短くなり過ぎ、管材の内面がマンドレルバーに張り付く現象である。
「オーバーフィル」：管材が圧延される際に、管材の外周長が長くなり過ぎ、管材が孔型ロールのフランジ部から噛み出す現象である。

マンドレルミルによる継目無管の製造において、まず、加熱した中実ビレットをピアサーで穿孔して中空の素管とする。続いて、この中空素管にマンドレルバーを挿通した後、通常、５〜８基の圧延スタンドからなるマンドレルミルにより当該素管を延伸圧延する。この延伸圧延により、管の肉厚が所定の肉厚に調整されるとともに、素管の外径が減少して周長が減少する周径加工が加えられる。延伸圧延終了後、マンドレルバーを引き抜く。その後、延伸圧延された管をストレッチレデューサーにより所定の外径になるように成形圧延し、製品としての継目無管とする。

従来から、マンドレルミルとして、対向する一対の孔型ロールがロール孔型として配置された圧延スタンドを複数基有する２ロールマンドレルミルが多用されている。この２ロールマンドレルミルでは、前記対をなす孔型ロールが、隣接する圧延スタンド間で圧下方向を９０度ずらして配置されている。

さらに、マンドレルミルには、各圧延スタンドにロール孔型として圧下方向のなす角が１２０°である３つの孔型ロールが配置された３ロールマンドレルミル、さらには、圧下方向のなす角が９０°である４つの孔型ロールが配置された４ロールマンドレルミルも一部で使用されている。

このマンドレルミルによる継目無管の製造において、マンドレルミルでの圧延条件が適切でない場合には、オーバーフィルに起因した噛み出し疵や、アンダーフィルに起因した穴あき欠陥が発生する。これらの噛み出し疵や穴あき欠陥を防止するために従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１では、管の延伸比を高める（すなわち、継目無管の製造効率を高める）と同時にアンダーフィルに起因した穴あき欠陥の発生を抑止することが可能なマンドレルミルおよびこれを用いた継目無管の製造方法が提案されている。この提案の方法によれば、２ロールマンドレルミルにおいて、第１圧延スタンドおよび第２圧延スタンドのロール径比（溝底ロール径／延伸圧延された管の断面径）が４．６以上、３ロールマンドレルミルにおいて、同ロール径比が２．８以上に設定されるマンドレルミルを用いることにより、圧延不良を引き起こすことなく、継目無管の製造効率を高めることができるとしている。

特許文献２では、マンドレルミルでの薄肉管の圧延で問題となる穴開き欠陥の発生を防止できる継目無鋼管の圧延方法が提案されている。この方法によれば、少なくとも１つのスタンド（好ましくは＃２スタンド、更に好ましくは全スタンド）の圧延ロール溝底のロール径ＤＦと該圧延ロール溝底の曲率半径ＲＩとの比（以下、単に「ＲＩ／ＤＦの比」ともいう）を０．２７５以上とすることにより、穴開き欠陥の発生を防止して、薄肉管を製造することが可能であるとしている。

また、特許文献３では、オーバーフィルおよびアンダーフィルの双方を効果的に防止することができるマンドレルミル圧延方法が提案されている。この方法は、普通鋼や合金鋼など種々の鋼種や肉厚の管材について、素管の外径、ならびに、第１スタンドおよび第２スタンドの孔型周長／仕上周長を所定範囲に規定する方法である。この方法によれば、一種類の孔型圧延ロールの組合せを用いても、オーバーフィルに起因した噛み出し疵の発生や、アンダーフィルに起因したストリッピング不良やこれに起因した疵の発生を効果的に防止できるとしている。

これら特許文献１〜３に記載される継目無管の製造方法では、ロール径比や、溝底ロール径ＤＦに対する当該ロールの曲率半径ＲＩの比（すなわち、ＲＩ／ＤＦの比）、あるいは孔型周長／仕上周長を調整して、アンダーフィルやオーバーフィルに起因する疵や欠陥の発生を防止する。

しかしながら、多ロールマンドレルミル（３ロール、４ロールのマンドレルミル）では、ロール孔型形状が幾何学的な制約を受けることから、上述したロール径比、ＲＩ／ＤＦの比、あるいは孔型周長／仕上周長を調整では、アンダーフィル、オーバーフィルの防止が制限されることがある。

加えてロール径比の設計において、アンダーフィルやオーバーフィルに起因する疵や欠陥の発生を防止するには、ロール径比を一定の範囲で管理する必要がある。ところが、適正なロール径比で管理しようとすると、ロールハウジングの構成によって制約されることがある。

図１は、３ロールマンドレルミルにおけるロール径比の設計が制限される場合の一例を説明する図であり、図１（ａ）は通常の圧延スタンドにおける孔型ロールの配置を模式的に示し、図１（ｂ）はロールチョック部の側面を模式的に示している。

図１（ａ）に示すように、各圧延スタンドには、孔型ロール本体１、ロール軸２およびロールチョック部３を一体とする孔型ロールが３個配置され、ロール孔型６を構成している。各孔型ロール本体１の圧下方向のなす角は１２０°である。ロールチョック部３は、図１（ｂ）に示すように、ベアリング４とベアリングボックス５とで構成されている。

図１に例示した３ロールマンドレルミルの圧延スタンドにおいて、特に、小径管の延伸圧延を行う場合、孔型ロール径（孔型ロール本体の径）を小さく設計しようとすると、通常のロールハウジングの設計では、ロールチョック部３のベアリングボックスが相互に干渉しあう。そのため、ロール本体１を互いに近接させることができず、噛み出しが発生する。

多ロールマンドレルミルでは、ロール数が多いほど噛み出しが生じやすい傾向がある。これは、ロール数が多いほど、圧延の際に管外面の面圧の高くなる領域が、圧延方向に比べて幅方向で狭くなり、圧延方向のメタルフローが拘束されて幅方向に流れ易くなることによるものと考えられる。

ロール数が多い多ロールマンドレルミルにより小径管を製管する場合は、オーバーフィルによる噛み出しが大きくなる。特に、大径管の製管時と同じ圧下量とすると外径加工度が大きくなるため、噛み出しが助長される。

ロール数が３の多ロールマンドレルミルでは、ロールチョック部の干渉のために、配置された３個の孔型ロール間の隙間調整が制限される。このため、アンダーフィルおよびオーバーフィルを効率的に防止できるように、ロールチョック部の相互間の干渉をなくし、ロール径比を適正な範囲で管理することが課題となる。

一般に、多ロールマンドレルミルは、管の穴あき等の不良抑制、偏肉低減等に効果がある。この効果は、薄肉合金鋼で特に顕著であり、さらに、高い延伸比を確保できるので、生産性の向上が可能である。そのため、２ロールマンドレルミルが多用される一方で、ロール数を２ロールから３ロール、４ロールと多ロール化したマンドレルミルも一部では使用されている。

ところが、多ロールマンドレルミルでは、アンダーフィル、オーバーフィルの防止に必要なロール径比の設計が制限されるという問題があるため、その利点が必ずしも十分には生かされていない。

特開２００８−２９６２５０号公報 特開２００２−３５８１０号公報 特開２００６−２７２３４０号公報

本発明の目的は、多ロールマンドレルミルを用いて継目無管を製造するに際し、ロールチョック部の干渉に起因してアンダーフィル、オーバーフィルの防止に必要な周長加工配分の設計が制限されることのない多ロールマンドレルミルを提供することである。

本発明の他の目的は、本発明の多ロールマンドレルミルを用いた継目無管の製造方法を提供することである。

図２は、マンドレルミルにおける公称ロール径（nominal diameter）を説明する図である。従来のマンドレルミルを用いた延伸圧延では、製管外径が異なる場合であっても、孔型ロールの公称ロール径はほぼ同じとしているため、製管段取によりロール径比は大きく変わる。このロール径比が変わると噛み出し量も大きく変化する。

図３は、３ロールマンドレルミルにおける圧延スタンドの構成およびロール径比を説明する図である。図３に示すように、３ロールマンドレルミルでは、圧延スタンドごとに３個の孔型ロール本体１が、互いの溝底Ｂが対向するように配置され、それらの圧延面によってロール孔型６を構成する。そして、マンドレルバー７に挿入された管材８は、ロール孔型６に配置され、孔型ロール本体１とマンドレルバー７によって圧下される。

ここで、ロール径比は、圧延スタンドに配置された孔型ロール本体１の溝底Ｂにおけるロール径（溝底ロール径）をＤｒ、当該孔型ロールで延伸圧延された管材の断面径をＤｐとしたときに、Ｄｒ／Ｄｐとして定義される。このとき、管材の断面径Ｄｐは、ロール溝底Ｂに対応する部位と管材８の軸心Ｏとの距離である半径Ｄｐ／２から求められる。

通常、アンダーフィル、オーバーフィルの防止に必要な対策を講じつつ周長加工配分の設計を行う。そのための具体的な対策として、例えば前掲の特許文献１〜３にも記載されるように、ロール径比や、ＲＩ／ＤＦの比、あるいは孔型周長／仕上周長、などの調整、管理が行われる。これらの管理指標の一つがロール径比である。

製管段取に応じて、大径管を製管する場合にはロール径比が小さくなり、アンダーフィルが発生し易い。一方、小径管を製管する場合にはロール径比が大きくなり、オーバーフィルによる噛み出しが大きくなる。そして、マンドレルミルの多ロール化にともなって、噛み出しが大きくなる傾向がある。

特に、小径管の製管段取では、大径管の場合と同じ肉厚圧下量とすると外形加工度が大きくなるため、噛み出し量が増加する。

そこで、小径管の製管段取において、孔型ロール本体のロール径を小さく設計しようとすると、前記図１（ａ）に示すように、従来のロールハウジングの設計では、ロールチョック部のベアリングボックスが相互に干渉しあうことになる。

本発明者は、小径管の製管段取においても、ロールチョック部の干渉をなくし、孔型ロール間の隙間調整できる範囲を広げる対策を種々検討した結果、次の（ａ）および（ｂ）の方策に着目した。

（ａ）ロールチョック部に関し、同チョック部を構成するベアリングを孔型ロール本体内部に格納し、ベアリングボックスを不要とする方法（以下、この方法の特徴を考慮して「ロールチョック部のコンパクト化」ともいう）を適用すること。
（ｂ）孔型ロール本体に加えて、ロール軸およびロールチョック部のいずれか一以上に対して、製管段取別にそれらの一以上を交換する方式（以下、この方式を「段取別ロールチョック部等の設計適正化」ともいう）を適用すること。

本発明は、上述した具体的な方策のうち（ａ）に着目することにより完成されたものであり、下記（１）、（２）の多ロールマンドレルミル、および（３）の継目無管の製造方法を要旨としている。

（１）管材を圧下するロール孔型として複数の孔型ロール本体を具備し、これらを駆動するバックアップロールがそれぞれ配置された圧延スタンドを複数基備えるマンドレルミルであって、前記孔型ロール本体の内部にベアリングが格納されていることを特徴とする多ロールマンドレルミルである。

（２）多ロールマンドレルミルが３ロールマンドレルミルであること、を特徴とする上記（１）に記載の多ロールマンドレルミルである。

（３）上記（１）または（２）に記載の多ロールマンドレルミルによって管を延伸圧延する工程を含むこと、を特徴とする継目無管の製造方法である。

本発明の多ロールマンドレルミルは、ロールチョック部を構成するベアリングボックスを有していないか、または、有していても互いに干渉しあうことがなく、例えばロール径比の設計に制限が加えられることはない。したがって、継目無管を製造するに際し、アンダーフィルやオーバーフィルを効果的に防止することが可能である。本発明の多ロールマンドレルミルは、小径管の延伸圧延を行う場合に特に効果を発揮する。

本発明の継目無管の製造方法によれば、アンダーフィルに起因して発生する穴あき欠陥や、オーバーフィルに起因して発生する噛み出し疵のない継目無管を製造することができる。

図１は、３ロールマンドレルミルにおける素管のロール径比の設計が制限される場合の一例を説明するための図であり、図１（ａ）は通常の圧延スタンドにおける孔型ロールの配置を模式的に示し、図１（ｂ）はロールチョック部の側面を模式的に示している。 図２は、マンドレルミルにおける公称ロール径を説明する図である。 図３は、３ロールマンドレルミルにおける圧延スタンドの構成およびロール径比を説明する図である。 図４は、本発明の多ロールマンドレルミルで採用する「ロールチョック部のコンパクト化」の実施例を説明する図であり、図４（ａ）はベアリングをロール本体内部に格納した孔型ロール本体の斜視図、図４（ｂ）は同じく正面図である。

図５は、ベアリングを格納した孔型ロール本体（ワークロール）を駆動するバックアップロールの構成を示す斜視図である。 図６は、本発明の多ロールマンドレルミルで採用する「段取別ロールチョック部等の設計適正化」についての実施例を説明する図であり、図６（ａ）は従来例であり、図６（ｂ）は本発明例であり、図６（ｃ）は図６（ｂ）における相互の交換に用いる保有部品を示す図である。

従来のマンドレルミルの圧延スタンドが製管段取によらず、同一のロール軸およびロールチョック部に構成されていることに対して、本発明の多ロールマンドレルミルは、孔型ロール間の隙間調整が制限されることなく、ロールチョック部の相互間の干渉をなくし、ロール径比を適正な範囲で管理できる構成を採用した。

以下では、本発明が採用した構成を「ロールチョック部のコンパクト化」および「段取別ロールチョック部等の設計最適化」に区分して説明するとともに、それを適用した「継目無管の製造方法」について説明する。

［ロールチョック部のコンパクト化］
本発明の多ロールマンドレルミルは、管材を圧下するロール孔型として複数の孔型ロール本体を具備し、これらを駆動するバックアップロールがそれぞれ配置された圧延スタンドを複数基備えるマンドレルミルであって、前記孔型ロール本体の内部にベアリングが格納されていることを特徴とする。

具体的には、後述する実施例の図４に示すように、孔型ロール間の隙間調整の範囲を広げるため、ロールチョック部に対し、同チョック部を構成するベアリングを孔型ロール本体内部に格納し、ベアリングボックスを不要とする構成を採用する。

従来の圧延スタンドでは孔型ロール本体の外側にベアリングボックスが取り付けられていたが、本発明の多ロールマンドレルミルではベアリングボックスが不要となり、ベアリングボックスは外される。

これにより、孔型ロール全体がコンパクト化されているので、小径管の延伸圧延に対応できるように孔型ロール径（つまり、ロール本体の径）を小さく設計する場合であっても、ロールチョック部の干渉が問題となることはない。また、３ロールマンドレルミルで問題となる３個の孔型ロール間の隙間調整が制限されることなく、隙間調整が広い範囲で可能になる。

この場合において、例えば、後述する実施例の図５に示すように、孔型ロール本体の内部にベアリングを格納することから、孔型ロール本体（ワークロール）をバックアップロールにより駆動する構成を採用する必要がある。

また、ロール軸やベアリングに求められる強度は、ロールチョック部がロール本体の外側に取り付けられた従来の圧延スタンドの場合と同じであり、孔型ロール本体にベアリングを格納することから、圧延条件によってはロール溝部の強度が不足する場合がある。

したがって、本発明のロールチョック部のコンパクト化の実施に際しては、ベアリングを内部に格納することとなる孔型ロール本体の設計において、当該強度についての配慮が必要である。

「ロールチョック部のコンパクト化」の手段をマンドレルミルのいずれの圧延スタンドに施すかは、特に限定されない。当該手段を施す圧延スタンドは、ロール径比の設計を勘案して、多ロールマンドレルミルを構成する圧延スタンドのうちの一部のスタンドとしてもよいし、場合によっては全スタンドとしてもよい。

［段取別ロールチョック部等の設計適正化］
本発明の多ロールマンドレルミルは、管材を圧下するロール孔型として複数の孔型ロール本体を具備し、これらを駆動するロール軸およびロールチョック部がそれぞれ配置された圧延スタンドを複数基備えるマンドレルミルであって、製管段取に応じて、孔型ロール本体に加えて、ロール軸およびロールチョック部のいずれか一以上を異なる形状の部品に交換することを特徴とする。

ここで、「製管段取」とは、例えば、製管時の管径（大径管、小径管等）や材質（例えば、普通鋼、高合金鋼等）の変更を考慮して製管の準備ならびに操業を行うことを意味する。

外径が異なる管を製管する際に、全て同一のロール軸を用いると、ロール径比が小さくなり過ぎたり、大きくなり過ぎることにより、アンダーフィルやオーバーフィルの防止が図れない。また、製管段取に拘わらず同一のロール軸を用いると、ロール軸やベアリングの強度、周長加工配分の設計等において無理が生じる場合がある。

そこで、本発明の多ロールマンドレルミルでは、必要に応じ孔型ロール本体に加えて、ロール軸およびロールチョック部のいずれか一以上を交換する。その場合に、後述する実施例の図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、孔型ロール本体、ロール軸およびロールチョック部の全てを交換する方式等、必要に応じて無理のない方式の採用が可能である。

この方式を採用するに当たっては、ロール本体、ロール軸およびロールチョック部をそれぞれ部品としてあらかじめ保有しておくことにより、製管段取の状況に応じて部品の交換が容易行えるので、望ましい。

部品としてのロールチョック部の形状を、前述のベアリングボックス同士の相互干渉（図１参照）が生じないようにしておけば、小径管の延伸圧延においても、アンダーフィル、オーバーフィルの防止に必要な周長加工配分の設計を行うことが可能になる。

「段取別ロールチョック部等の設計適正化」の手段をマンドレルミルのいずれの圧延スタンドに施すかは、特に限定されない。当該手段を施す圧延スタンドは、周長加工配分の設計を勘案して、多ロールマンドレルミルを構成する圧延スタンドのうちの一部のスタンドとしてもよいし、場合によっては全スタンドとしてもよい。

本発明の多ロールマンドレルミルにおいて、望ましい実施形態は、多ロールマンドレルミルが３ロールマンドレルミルの場合である。孔型ロールを３ロールとすることにより、前述の多ロールマンドレルミルにおける前記の利点（すなわち、管の穴あき等の不良抑制、偏肉低減、高延伸比の確保等）が十分に発揮できる。

さらに、本発明の３ロールマンドレルミルにおいて、本発明で採用する「ロールチョック部のコンパクト化」および「段取別ロールチョック部等の設計最適化」により、ロール径比における制約を解消することができる。

３ロールマンドレルミルは、４ロールマンドレルミルに比べると構造的に簡素であり、ロール数が少ないので、比較的に保守や管理が容易であることから、望ましい形態である。

［継目無管の製造方法］
本発明の継目無管の製造方法は、前述した本発明の多ロールマンドレルミルにより管材を延伸圧延する工程を含む継目無管の製造方法である。

マンドレルミルラインによる継目無管の製造工程には、管材を大きく延伸圧延する工程と、それに続く管材の肉厚を所望の目標値に調整する工程とが含まれている。本発明の継目無管の製造方法では、前段の延伸圧延工程において、本発明の多ロールマンドレルミルを用いる。

これにより、延伸圧延時におけるアンダーフィルやオーバーフィルの発生が効果的に防止され、アンダーフィルに起因して発生する穴あき欠陥や、オーバーフィルに起因して発生する噛み出し疵のない継目無管を製造することができる。本発明の継目無管の製造方法は、特に、小径管の延伸圧延を行う場合に有効である。

図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
［ロールチョック部のコンパクト化の実施例］
図４は、本発明の多ロールマンドレルミルで採用する「ロールチョック部のコンパクト化」の実施例を説明する図であり、図４（ａ）はベアリングをロール本体内部に格納した孔型ロール本体の斜視図、図４（ｂ）は同じく正面図である。図４に示すように、ベアリング４が孔型ロール本体１の内部のロール軸が挿入される部分１１の隣接部に配置されている。これにより、従来のベアリングを格納したベアリングボックスは必要がなくなり、ロールチョック部は著しくコンパクト化され、ロールチョック部の干渉の問題は解消する。

図５は、ベアリングを格納した孔型ロール本体（ワークロール）を駆動するバックアップロールの構成を示す斜視図である。ロール内部にベアリングを格納することから、孔型ロール本体（ワークロール）１を駆動させるために、孔型ロール本体１を挟んで両側にバックアップロール９を配置する。バックアップロール９は、駆動軸１０に一体に結合されている。

このとき、バックアップロール９は、孔型ロール間の隙間調整に支障が生じないように、孔型ロール本体１から充分に後退した位置に配置される。

なお、前記図４中に示した矢印はロール本体のロール溝部における厚みを表す。この厚みは、ベアリングをロール本体内部に格納することにより、従来の厚みに比べてベアリングの厚み分だけ減少するので、前述のように、孔型ロール本体１の強度についての配慮が必要である。

［段取別ロールチョック部等の設計適正化の実施例］
図６は、本発明の多ロールマンドレルミルで採用する「段取別ロールチョック部等の設計適正化」についての実施例を説明する図である。図６（ａ）は従来例であり、製管段取によらず、孔型ロール本体１の公称ロール径を同一とし、同じ径のロール軸２および同じ形状のロールチョック部３を用いた場合を示している。

図６（ｂ）は本発明例であり、製管段取により適正なロール径比に管理するため、孔型ロール本体１のロール径を変化させたのにともなって、そのロール径に対応するように相互に交換可能なロール軸２およびロールチョック部３を用いた場合を示している。図６（ｃ）は図６（ｂ）における相互の交換に用いる保有部品を示す図である。

図６（ｂ）に示すように、アンダーフィル、オーバーフィルの防止に必要な周長加工配分の設計を行うために、小径管と大径管をそれぞれ圧延する際のロール径比が同じになるような多ロールマンドレルミルが要求される場合がある。具体的には、小径管の製管段取では、ロール径の小さな孔型ロール本体１を用いることが必要になる。

その場合は、図６（ｃ）に示すように、孔型ロール本体１、ロール軸２およびロールチョック部３の全てを交換した圧延スタンドをマンドレルミルに採用することが望ましい。これらの部品の形状をベアリングボックス同士の相互干渉（図１参照）が生じないようにしておくことにより、所期の目的が達せられる。

本発明の多ロールマンドレルミルおよびこれを用いた継目無管の製造方法は、熱間加工の継目無管（例えば、継目無鋼管）の製造に有効に利用できる。

１：ロール本体、 ２：ロール軸、 ３：ロールチョック部、
４：ベアリング、 ５：ベアリングボックス、 ６：ロール孔型、
７：マンドレルミル、 ８：管材、 ９：バックアップロール、
１０：駆動軸、 １１：ロール軸が挿入される部分

Claims (3)

1. 管材を圧下するロール孔型として複数の孔型ロール本体を具備し、
   これらを駆動するバックアップロールがそれぞれ配置された圧延スタンドを複数基備えるマンドレルミルであって、
   前記孔型ロール本体の内部にベアリングが格納されていることを特徴とする多ロールマンドレルミル。
2. 多ロールマンドレルミルが３ロールマンドレルミルであること、
   を特徴とする請求項１に記載の多ロールマンドレルミル。
3. 請求項１または２に記載の多ロールマンドレルミルによって管材を延伸圧延する工程を含むこと、
   を特徴とする継目無管の製造方法。

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