JP5387797B1 - 継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

中空ビレットにマンドレルを挿入し鍛造により所定の直径および厚さの粗素管に加工するステップ、前記粗素管の一端を絞り加工するステップ、一端が絞り加工された前記粗素管に芯金を挿入しプッシュベンチを用いて押し抜き加工するステップを含む継目無鋼管の製造方法。この方法によれば、広い製造可能範囲（大径、厚肉）の継目無鋼管を、高い寸法精度、特に高い肉厚寸法精度で製造することが可能である。

Description

本発明は、広い寸法範囲で高い寸法精度の継目無鋼管を製造することができる継目無鋼管の製造方法に関する。具体的には、マンドレルフォージ製管法で製造した粗素管にプッシュベンチ製管法を適用する継目無鋼管の製造方法に関する。

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。
「中空ビレット」：本明細書に記載のステップ１（マンドレルフォージ製管工程）に供されるビレットをいう。予めインゴットを熱間で穿孔して、中空形状に加工したビレットである。
「粗素管」：本明細書に記載のステップ２（絞り工程）に供される管をいう。ステップ１で中空ビレットから製造された管である。
「素管」：本明細書に記載のプッシュベンチ減肉工程に供される管である。プッシュベンチ均し工程で内外面を均された管である。
「大径」：管の外径が１０００ｍｍ以上であることをいう。
「寸法精度」：管の外径および肉厚の目標寸法と加工後の実寸法との差の絶対値をいう。

大径管、たとえば火力発電所で使用される大径再熱蒸気管等には、一般的にスパイラル鋼管が適用されている。近年、火力発電所で使用される大径再熱蒸気管の蒸気圧設定が上昇するなど、大径管に要求される性能が高くなってきており、高品質で大径の継目無鋼管が必要となりつつある。

従来、大径の継目無鋼管の熱間製造方法として、マンドレルフォージ製管法が適用された例がある。

マンドレルフォージ製管法は、特許文献１に記載されているように、中空ビレットにマンドレルを挿入し、熱間での自由鍛造により中空ビレットの肉厚を逐次減少させる方法である。

マンドレルフォージ製管法の長所は、鍛造と再加熱を繰り返すことにより、製管可能サイズの自由度が大きいことにある。つまり、厚肉で大径の継目無鋼管の製造が可能になる。

一方、マンドレルフォージ製管法の短所は、鍛造によって成形するため、寸法精度が低いことにある。このため、熱間製管工程後の仕上げ加工工程において、鋼管表面の削り代が大きく、歩留が悪い。

特公平７−２２８０２号公報 特開昭５６−１２８６１１号公報

本発明の目的は、高い寸法精度、特に優れた肉厚寸法精度と、広い製造可能範囲（大径、厚肉）を両立可能とする継目無鋼管の製造方法を提供することである。

本発明者は、高い肉厚寸法精度の継目無鋼管の製造が可能なプッシュベンチ製管法に着目した。プッシュベンチ製管法は、特許文献２に開示されているように、底部を有する中空形状の鋼材に芯金を挿入し、ダイスを用いて押し抜き加工することにより肉厚を減少させる方法である。プッシュベンチ製管法の長所は、ダイスおよび芯金などの外径および内径規制工具を用いるため、寸法精度が高いことにある。このため、仕上げ加工工程では、管表面削り代が小さく、歩留が高い。

マンドレルフォージ製管法とプッシュベンチ製管法の両製管法の長所を活用できれば、広い寸法範囲の継目無鋼管を高い寸法精度で製造できる可能性がある。しかし、プッシュベンチ製管法では、底部を有する中空形状の素材鋼片を使用する。そのため、マンドレルフォージ製管法で製造された継目無鋼管は、そのままでは素材鋼片としてプッシュベンチ製管法に適用することはできない。底付きの中空鋼片でなく、芯金で押し抜くことができないからである。

そこで、本発明者は、マンドレルフォージ製管法で製造された継目無鋼管をプッシュベンチ製管法に適用する方法を検討した。夥しい試行錯誤の結果、マンドレルフォージ製管法で製造された継目無鋼管の一方の端部の外径および内径が小さくなるように絞り加工して底部の代替部を設ければ、両製管方法を組み合わせることができることを見出した。

本発明は、この検討の結果に基づいてなされたものであり、その要旨は、
（１）無底の中空ビレットにマンドレルを挿入し、熱間での鍛造により所定の直径および厚さの無底の粗素管に加工する第１のステップ、
（２）前記粗素管の一端を熱間で絞り加工し、外径および内径を縮径する第２のステップ、
（３）一端が絞り加工された前記粗素管に芯金を挿入し、プッシュベンチを用いて熱間で押し抜き加工する第３のステップ、
を含むことを特徴とする継目無鋼管の製造方法である。

本発明の継目無鋼管の製造方法の効果は、マンドレルフォージ製管法を適用した後、プッシュベンチ製管法を適用するため、広い寸法範囲（大径、厚肉）の継目無鋼管を高い寸法精度、特に高い肉厚寸法精度で製造することができることにある。

図１は、絞り加工後の粗素管の縦断面図である。 図２は、プッシュベンチ製管工程で使用する芯金の先端部分の側面図である。 図３は、プッシュベンチ製管工程における粗素管、芯金およびダイスの構成図である。 図４は、従来のプッシュベンチ製管法と本発明の製造方法による継目無鋼管の製造可能範囲を比較した図である。

製造方法は、ステップ１（マンドレルフォージ製管工程）、ステップ２（絞り工程）、ステップ３（プッシュベンチ製管工程）を含む。各ステップについて説明する。

［ステップ１（マンドレルフォージ製管工程）］
ステップ１では粗素管を製造する。手順は次のとおりである：
（１）先端が尖った工具を回転させた状態で、長手方向を垂直方向にして配置されたインゴットの上面に押し当て、インゴットを熱間で穿孔して中空ビレットとする、
（２）長手方向を水平にして中空ビレットを配置し、当該中空ビレットを回転させた状態で、マンドレルを中空ビレットの内面に熱間で押し当てて減肉する、
（３）上記（２）の工程を１回または複数回繰り返して所定の外径および肉厚の粗素管に仕上げる。

マンドレルフォージ製管工程での、中空ビレットの熱間鍛造は９００℃〜１２５０℃の温度範囲で行うのが望ましい。

［ステップ２（絞り工程）］
図１は、絞り加工後の粗素管の縦断面図である。ステップ２では、ステップ１で製造された粗素管１を回転させながら、その一方の端部を絞り加工して、その外径および内径を小さくする。

絞り加工された部分は、粗素管１の先端側の先端部１ａと、縮径部１ｂからなる。縮径部１ｂは、先端部１ａと絞り加工されていない本体部との間に位置する。先端部１ａは、一定の外径および肉厚を有する。縮径部１ｂは、先端に近いほど外径および内径が小さくなる。

この絞り加工は、ステップ３以降で絞り加工した部分が変形した場合に、適宜再度行ってもよい。絞り加工は、プレス加工のみならず、粗素管１の一方の端部をハンマーでたたきつぶす方法、スウェジャ等による回転鍛造による方法を適用できる。

［絞り加工した部分の形状］
図２は、プッシュベンチ製管工程で使用する芯金の先端部分の側面図である。芯金２は、円柱形の本体部２ａと、本体部２ａの先端に設けられた円錐台形の縮径部２ｂからなる。縮径部２ｂは、芯金２の先端に近いほど直径が小さくなる。通常、縮径部２ｂはテーパ形状に形成される。

粗素管１のステップ２で絞り加工された部分は、粗素管の絞り加工端側内径Ｂ（ｍｍ）、プッシュベンチ製管工程で使用する芯金の先端直径Ｄ（ｍｍ）とした場合に、下記（１）式を満足することが望ましい。ステップ３（プッシュベンチ製管工程）での押し抜き時に芯金２が、粗素管１の先端部１ａおよび縮径部１ｂを突き破る可能性を低減するためである。（１）式を満足する場合には、絞り加工された部分が完全に閉じる場合も含まれる。
Ｂ＜Ｄ／４ …（１）

［ステップ３（プッシュベンチ製管工程）］
図３は、プッシュベンチ製管工程における粗素管、芯金およびダイスの構成図である。ダイス３は、複数連接してもよいし、１個でもよい。通常、ダイス３としては、テーパーダイスが用いられ、ダイス半角αが１０〜２０°、ダイス幅Ｗが１５０〜２００ｍｍが適用される。

ステップ３では、一端が絞り加工された粗素管１に、芯金２を挿入し、プッシュベンチを用いて押し抜き加工する。ステップ３は、均し工程と減肉工程（以下それぞれ「プッシュベンチ均し工程」および「プッシュベンチ減肉工程」ともいう。）に分けることが望ましい。

［均し工程］
均し工程では、一方の端部を絞り加工した粗素管１に、芯金２を挿入し、ダイス３内を熱間で押し抜いて内外面の形状を均す。上述したテーパーダイスで粗素管１の内外面の形状を均すため、軽圧下による押し抜き加工を施し、減肉工程に供する素管１を得る。

均し工程では、ダイス３により粗素管１の長手方向の外径、肉厚の変動を低減させる。たとえば、粗素管１をテーパーダイスで押し抜く際に外面に大きな凹凸があると、その凹凸がテーパーダイスに干渉し、押し抜きが困難または不可能となることがあるからである。

均し工程での加工度は、３〜７％程度が望ましい。

均し工程における粗素管１の被押し抜き加工部（絞り加工した部分以外の部分）の温度は９００℃〜１２５０℃とすることが望ましい。変形抵抗を低減でき、加工を容易とするためである。

絞り加工した部分は、芯金２が押し付けられる部分であることから、押し抜き加工に際し変形を最小限に抑制するために、水噴射により低温にすることが望ましい。芯金２による粗素管１の押し抜きを確実に行うため、絞り加工した部分は５００℃以下とすることが望ましい。下限温度は４００℃とするのが望ましい。たとえば、９％Ｃｒ鋼のように低温まで冷却するとマルテンサイト変態時の熱応力で割れるおそれのある鋼種もあるためである。

［減肉工程］
減肉工程には、前記均し工程で軽圧下による押し抜き加工で得られた素管１を供する。減肉工程でも、前記図２と同じ構成の芯金２およびダイス３を使用する。使用するダイス３の選定は、素管１に所定の加工度を付加できるものとする。

減肉工程は、以下の手順からなる：
（１）均し工程で内外面の形状を均した素管を、より内径の小さいダイス３を用いて、所定の加工度を付加しつつ熱間で押し抜いて減肉する。
（２）上記（１）の工程を１回または複数回行うことにより、肉厚寸法精度に優れる継目無鋼管を製造することができる。具体的には、押し抜き加工された肉厚寸法に拘わらず、目標とする肉厚寸法との差が１０ｍｍ以下とすることができる。

減肉工程においても、変形抵抗を低減し、加工を容易とするため、押し抜き加工される本体部を９００〜１２５０℃とすることが望ましい。一方、絞り加工した部分は、芯金２による素管１の押し抜きを確実に行うため、水噴射等を行い５００℃以下とすることが望ましい。下限温度は、４００℃とするのが望ましい。

上記のステップ１〜３の工程の後に仕上げ工程を設けてもよい。仕上げ工程は、以下の手順からなる：
（１）ステップ３で製造した継目無鋼管の絞り加工した部分を切断する。
（２）必要に応じ、絞り加工した部分を切断した継目無鋼管に熱処理を施す。
（３）得られた継目無鋼管の仕上げ加工として、鋼管の内面および外面を切削加工または研磨加工し、所定の表面性状および寸法に仕上げる。

［好適な鋼種］
上記の製造方法に好適な鋼種として、以下の３種が例示される。
（１）質量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：０．１〜２％およびＮ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する炭素鋼
（２）質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｗ：０〜２％、Ｃｕ：０．１％以下およびＮ：０．００２〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する低合金鋼
（３）質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：８．０〜１２．５％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｗ：０〜４％、Ｃｕ：０〜１．５％およびＮ：０．０１〜０．１０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼

以下に、実施例に基づいて肉厚寸法精度に優れる継目無鋼管が製造できること、さらに継目無鋼管の製造可能範囲を拡張できることを説明する。

（実施例１）
実施例１では、外径の製造可能範囲を拡張できた事例について説明する。

１．各工程における製管スケジュール
（マンドレルフォージ製管工程）：上述の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼から溶製された中空ビレット（重量１３８５０ｋｇ）にマンドレルを挿入し、マンドレルフォージ製管法により、外径１２５０ｍｍ、内径１０９０ｍｍ、肉厚８０ｍｍおよび長さ６０００ｍｍの粗素管を製造した。

（絞り工程）得られた粗素管の一端を絞り加工し、外径および内径を縮径した。このときの粗素管の絞り加工端側内径Ｂは２００ｍｍであった。

（プッシュベンチ均し工程）一端が絞り加工された粗素管に外径１０６０ｍｍの芯金を挿入し、プッシュベンチで内径１２４０ｍｍのダイスを用いて軽圧下を行って内外面を均した素管を製造した。このときの芯金の先端直径Ｄは９５０ｍｍであったので、上記（１）式を満足するものであった。

（プッシュベンチ減肉工程）得られた素管を、プッシュベンチで外径１０６０ｍｍの芯金、並びに内径１２１０ｍｍおよび１１９０ｍｍのダイスを用いて押し抜き加工し、継目無鋼管を製造した。

（仕上げ工程）製造された継目無鋼管の寸法は、外径１１９０ｍｍ、内径１０６０ｍｍ、肉厚６５ｍｍおよび長さ７６００ｍｍであった。この継目無鋼管の絞り加工された端部を長さ３００ｍｍ切断し、熱処理を施した後、内外面を切削加工した。

２．肉厚寸法精度の比較
実施例１で製造された継目無鋼管の寸法は、外径１１９０ｍｍ、内径１０６０ｍｍおよび肉厚６５ｍｍと大径であったにもかかわらず、その肉厚の寸法精度は１０ｍｍ未満であった。そして、内外面の切削加工により外径１１７０ｍｍ、内径１０８０ｍｍおよび肉厚４５ｍｍに仕上げ加工された。

すなわち、実施例１では、仕上げ加工に必要な切削量は、外面および内面とも１０ｍｍに留まった。

実施例１の比較例として、マンドレルフォージ製管法ままで製造された外径１２５０ｍｍ、内径１０９０ｍｍおよび肉厚８０ｍｍの粗素管の肉厚寸法精度は、２０ｍｍを超えていた。

以上より、実施例１での切削量は、外面および内面とも１０ｍｍに留まるのに対し、比較例で必要となる仕上げ切削量は、外面および内面とも２５ｍｍを超えることが想定されることから、実施例１は顕著な効果を奏していることが分かる。

（実施例２）
実施例２では、肉厚の製造可能範囲を拡張できた事例について説明する。

１．各工程における製管スケジュール
（マンドレルフォージ製管工程）：上述の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼から溶製された中空ビレット（重量２５６００ｋｇ）にマンドレルを挿入し、マンドレルフォージ製管法により、外径１０５０ｍｍ、内径６４０ｍｍ、肉厚２０５ｍｍおよび長さ６０００ｍｍの粗素管を製造した。

（絞り工程）得られた粗素管の一端を絞り加工し、外径および内径を縮径した。このときの粗素管の絞り加工端側内径Ｂは１００ｍｍであった。

（プッシュベンチ均し工程）一端が絞り加工された粗素管に外径６１０ｍｍの芯金を挿入し、プッシュベンチで内径１０４０ｍｍのダイスを用いて軽圧下を行って内外面を均した素管を製造した。このときの芯金の先端直径Ｄは５００ｍｍであったので、上記（１）式を満足するものであった。

（プッシュベンチ減肉工程）得られた素管を、プッシュベンチで外径６１０ｍｍの芯金、並びに内径１０１０ｍｍおよび９９０ｍｍのダイスを用いて押し抜き加工し、継目無鋼管を製造した。

（仕上げ工程）製造された継目無鋼管の寸法は、外径９９０ｍｍ、内径６１０ｍｍ、肉厚１９０ｍｍおよび長さ６８００ｍｍであった。この継目無鋼管の絞り加工された端部を長さ３００ｍｍ切断し、熱処理を施した後、内外面を切削加工した。

２．肉厚寸法精度の比較
実施例２で製造された継目無鋼管の寸法は、外径９９０ｍｍ、内径６１０ｍｍおよび肉厚１９０ｍｍと厚肉であったにもかかわらず、その肉厚の寸法精度は１０ｍｍ未満であった。そして、内外面の切削加工により外径９７０ｍｍ、内径６３０ｍｍおよび肉厚１７０ｍｍに仕上げ加工された。

すなわち、実施例２でも、仕上げ加工に必要な切削量は、外面および内面とも１０ｍｍに留まった。

実施例２の比較例として、マンドレルフォージ製管法ままで製造された外径１０５０ｍｍ、内径６４０ｍｍおよび肉厚２０５ｍｍの粗素管について、肉厚寸法精度を測定すると、実施例1と同様に、２０ｍｍを超えていた。

このため、実施例２での切削量は、外面および内面とも１０ｍｍに留まるのに対し、比較例で必要となる仕上げ切削量は、外面および内面とも２５ｍｍを超えることが想定されることから、実施例２は顕著な効果を奏していることが分かる。

図４は、従来のプッシュベンチ製管法と実施例１または２による継目無鋼管の製造可能範囲を比較した図である。製造可能範囲の前提としては、肉厚寸法精度が１０ｍｍ以下であることを必須としている。

図４から分かるように、プッシュベンチ製管法のみ（比較例）では、外径が最大８５０ｍｍまたは肉厚が最大１５０ｍｍの継目無鋼管を、肉厚寸法精度が１０ｍｍ以下で製造することができた。これに対し、実施例１または２では、外径が最大１２００ｍｍまたは肉厚が最大１７０ｍｍの継目無鋼管まで製造可能範囲を拡張できた。

本発明の継目無鋼管の製造方法によれば、広い寸法範囲（大径、厚肉）の継目無鋼管を高い寸法精度、特に高い肉厚寸法精度で製造することができる。

１：粗素管、素管、 １ａ：先端部、 １ｂ：縮径部、
２：芯金、 ２ａ：本体部、 ２ｂ：縮径部、
３：ダイス

Claims (3)

1. 継目無鋼管の製造方法であって、
   当該製造方法は、
   無底の中空ビレットにマンドレルを挿入し、熱間での鍛造により所定の直径および厚さの無底の粗素管に加工する第１のステップ、
   前記粗素管の一端を熱間で絞り加工し、外径および内径を縮径する第２のステップ、
   一端が絞り加工された前記粗素管に芯金を挿入し、プッシュベンチを用いて熱間で押し抜き加工する第３のステップ、
   を含むことを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
2. 前記第３のステップで用いられる前記芯金は、円柱形の本体部と前記本体部の先端に設 けられた円錐台形の縮径部とから構成され、前記縮径部が前記芯金の先端に近いほど直径 が小さく形成されており、
   前記第２のステップにおいて、下記（１）式を満足するように、前記粗素管の一端を絞 り加工することを特徴とする請求項１に記載の継目無鋼管の製造方法。
   Ｂ＜Ｄ／４ …（１）
   ここで、Ｂ：前記粗素管の絞り加工された端部の内径（ｍｍ）、Ｄ：前記第３の工程で 使用する前記芯金の先端直径（ｍｍ）である。
3. 前記第３のステップで前記粗素管を押し抜き加工することにより、外径が９００ｍｍ以 上の継目無鋼管を製造することを特徴とする請求項１または２に記載の継目無鋼管の製造 方法。

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