JP5679981B2 - ３ロール式のマンドレル圧延機によって継目無管を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分（プリアンブル）に記載された方法であって、３ロール式のマンドレル圧延機によって継目無（シームレス）管を製造する方法に関する。

この技術における一般的な方法が非特許文献１に記載されている。

例えば、連続製管プロセスに従って作動するマンドレル圧延機は、継目無管の製造に利用される。マンドレル圧延機の役目は、事前に傾斜圧延によって製造された高温中空素材を延伸して母管とすることである。この母管は、引き続き、定径圧延機又はストレッチレデューサにおいて所望の最終寸法になるようにサイズが小さくされる。

基本的に、マンドレル圧延機には２つの実施形態があり、これらの実施形態では、スタンド当り２つ又は３つのロールを有している。スタンド数は、通常、４〜８の間で変動する。

マンドレル圧延機に進入する中空素材の肉厚及び直径の変動に対してマンドレル圧延機がごく敏感に反応することは知られている。しかしながら、このような変動は、中空素材を通常製造する傾斜圧延プロセスでは必ずしも避けることができない。

特に、ディッシャーディスクを案内手段として有する傾斜圧延機が製造する中空素材において、頭部領域及び尻部領域の直径は、「フィレット領域（filet region）」の直径に対してずれが生じる。この直径のずれ（deviation）によって、マンドレル圧延プロセスにおいて孔型内の充填不足や、肉厚部分のくびれが生じ、さらには、穴明きや、孔型内の充填過剰まで生じることがある。

このような欠陥を最小にするために、さらに、マンドレル圧延プロセスの上流側に中空素材リダクション・スタンド（ボイド・リダクション・スタンド）を設けることが知られている。このようなスタンドにおいて、２ロールマンドレル圧延機は４つのロールを有し、３ロール圧延機は３つのロールを有する。

公知の中空素材リダクション・スタンドでは、中空素材の直径が異なることによって、マンドレル圧延機における圧延条件が変化することが欠点である。

その結果として、成形時にマンドレル圧延機毎に入口状況が異なることになり（マンドレルに対する中空素材の入口の遊び（ゆとり）、第１スタンドでの外径の減少量）、それによって、管の品質に対して好ましくない作用が生じることがある。

鋼管ハンドブック（Stahlrohr Handbuch）、Vulkan-Verlag、エッセン、第１２版、１９９５、１０７〜１１１頁

本発明の課題は、３ロールマンドレル圧延機において、異なる直径を有する中空素材の場合においてもマンドレル圧延機内での塑性変形に関してほぼ同じ圧延条件が適用されるように、孔型設計とボイド・リダクション・スタンド（ＶＲＳ）の動作様式とを決めることである。

ここで、マンドレル圧延機内での圧延に関して中空素材の直径のずれ（deviation）を、又は中空素材毎の直径のずれも、できるだけ一様になるようにし、同時に、孔型の充填不足又は充填過剰を防止することが目的となる。

この課題は、請求項１の前提部分と特徴部分との組み合わせにより解決される。有利ないくつかの実施形態は、従属請求項の対象になっている。

本発明の教示によれば、この課題を解決するのに利用される鋼素材から継目無管を製造するための方法であって、傾斜圧延によって事前に製造された高温中空鋼素材が、３つのロールを有する中空素材リダクション・スタンドで直径を均一化するように圧延され、その後、複数の成形スタンド式の３ロール式のマンドレル圧延機のマンドレルバーによって延伸されて母管とされる、方法において、前記リダクション・スタンドのロールが、前記マンドレル圧延機の成形スタンドのロールと同じ程度に離反及び接近されるようになっており、前記リダクション・スタンドのロールの孔型は、前記孔型の底部半径が、前記事前に製造された高温中空鋼素材の最小直径の半分と殆ど一致する半径で、その接線方向に沿って６０°の角度長にわたって延び、前記孔型の側面半径へ連続的に移行しており、前記側面半径は、前記孔型の切れ目部分において最大半径となるように、各側面において３０°の角度長にわたって連続的に増大し、前記リダクション・スタンドのロールの最大圧下時でさえ、前記事前に製造された高温中空鋼素材の最大直径の直径低減が殆ど起きないように設計されている。

本発明の大きな利点は、一方で、提案した処理方法と、それに対応する孔型の設計とによって、マンドレル圧延機に進入する中空素材の直径の変動幅を著しく減らすことができる。また、他方で、本発明に係る孔型の設計によって、直径の異なる中空素管の場合でもほぼ同じマンドレル圧延条件に設定することが可能となり、これにより、管の幾何学形状の品質をより一層均一にすることができる。

本発明の有利な実施形態において、第１スタンドの圧下範囲に関して、マンドレルに対する遊びが絶対値で一定に維持されるように、前記リダクション・スタンドの圧下位置が、離反又は接近により前記マンドレル圧延機の第１スタンドの圧下位置に応じて調整されている。

中空素材リダクション・スタンド出口におけるマンドレルの遊びが一定になることによって、圧延時に一様な成形条件をもたらし、こうして、管の品質を著しく改善することができる。

本発明の他の有利な実施形態によれば、所定のマンドレル直径において、所望の肉厚を達成するために、マンドレル圧延機の下流側の全てのスタンドは、圧下位置が同じ値で配置されており、この値は、上流側スタンドの設定においても一致している。

入口における遊びが一定している場合とは異なり、上述のアプローチは、位置変更に関する複雑な計算は必要でない。上述のアプローチは、更なるの利点があり、マンドレル圧延機に関して孔型の充填過剰及び充填不足が起きることがなく、すなわち、マンドレル圧延機内での圧延に関して外径の入口条件はほぼ一定している。

本発明の他の有利な特徴によれば、前記リダクション・スタンドの圧下位置は、前記マンドレル圧延機の第１スタンドの圧下位置に絶対値で一致している。中空素材リダクション・スタンドと後続の第１ワークスタンドとの協働は、圧延プロセスの品質にとって重要である。代替的なものとして、前記リダクション・スタンドの圧下位置は、前記マンドレル圧延機の第１スタンドの圧下位置に相対値で一致している。

圧下位置の相対値を用いることによって、マンドレル圧延機における入口条件がほぼ一定になることに加えて、摩耗についても考慮することができ（摩耗の補償）、これにより、動作時間が改善されるという利点がある。

本発明の他の有利な実施形態において、孔型の底部半径が偏心を有し、この偏心は、上流側スタンドの最大離反時にゼロとなるように設計されている。

その際有利なことに、ロールと被圧延材との間に生じる接触面が、孔型の間隙でのロール摩耗に効果的に作用する。さらに、その効果的な作用として、例えば、孔型条痕等の外表面の欠陥が減少する。

本発明のその他の特徴、利点及び細部は、図面に示されている一実施例についての以下の説明から明らかとなる。図には、ボイド・リダクション・スタンド（ＶＲＳ）の上流側スタンドにおける本発明に係る孔型の設計態様が示されており、以下で詳しく説明される。

ボイド・リダクション・スタンド（ＶＲＳ）の上流側スタンドにおける孔型の設計態様を示した図である。 ＶＲＳスタンドとマンドレル圧延機の第１スタンドとを示した図である。

先行技術におけるリダクション・スタンドは、典型的にはオーバル孔型とされる。ここで、孔型の底部半径（base radius）Ａｌが定義されており、この孔型の底部半径Ａｌは、連続的に大きくなっていき、孔型の側面半径（flank radius）Ｂｌに移行する。

この先行技術とは異なり、本発明によって提案されるラウンド孔型においては、底部半径Ｒ１が、接線方向に沿って６０°の角度長にわたって延び、側面半径へ移行している。その側面半径は、各側面において３０°の作業範囲を有している（図１ａ）。図１ａには、さらに、ロール軸線（１）、孔型の輪郭（２）、孔型の底部半径Ｒ１の偏心（３）、孔型の底部半径Ｒ１（４）、及び、孔型の側面半径Ｒ２（５）が示されている。

この孔型の設計の利点として、中空素材リダクション・スタンド（ＶＲＳ）から進出する中空素材の直径変動を、オーバル孔型と比べて半分にすることができる。

上述のことについて、以下の例で詳しく説明する。ここで、ロール軸線と孔型の底面（ground）との間の距離を値ＢＩ、ロール軸線と孔型の側面との間の距離を値ＡＩとする。

傾斜圧延機によって製造される中空素材においては、一般的に、外径の公差が、例えば２．５％である。

ＶＲＳは、孔型における間隙（切れ目部分）において、中空素材の最大直径×０．９９〜１．００（２×ＡＩ）を受容できなければならないであろう。孔型の中心の直径（２×ＢＩ）は、中空素材の最小直径×０．９９〜１．００に一致すべきであろう。

上述した２つの孔型の設計態様は、以下の結果をもたらす。

オーバル孔型：
孔型中心において半径ＢＩを有し、孔型における間隙において半径ＡＩへの連続的上昇部を有する。孔型の平均直径は、２×（ＢＩ＋（ＡＩ−ＢＩ）／２）となる。

ラウンド孔型：
孔型中心において６０度（＋／−３０度）にわたって半径ＢＩを有し、孔型における間隙において半径ＡＩへの連続的上昇部（それぞれ３０度）を有する。孔型の平均直径は、十分な近似で２×（ＢＩ＋（ＡＩ−ＢＩ）／４）となる。

例：
中空素材の最大直径 １０２．５０ｍｍ
中空素材の平均直径 １００．００ｍｍ
中空素材の最小直径 ９７．５０ｍｍ
入口における最大公差 ５．００ｍｍ

オーバル孔型：
ＡＩ＝１．００×中空素材の最大直径／２ ５１．２５ｍｍ
ＢＩ＝１．００×中空素材の最小直径／２ ４８．７５ｍｍ
ＶＲＳ最小直径＝２×ＢＩ ９７．５０ｍｍ
ＶＲＳ最大直径＝２×（４８．７５＋（５１．２５−４８．７５）／２） １００．００ｍｍ

こうして、直径＞＝１００ｍｍの中空素材は、１００ｍｍの直径でＶＲＳから進出することになる。それより小さな直径は、その値を維持することになる。

出口における最大公差 ２．５０％。

ラウンド孔型：
ＡＩ＝１．００×中空素材の最大直径 ５１．２５ｍｍ
ＢＩ＝中空素材の最小直径／２ ４８．７５ｍｍ
ＶＲＳ最小直径＝２×ＢＩ ９７．５０ｍｍ
ＶＲＳ最大直径＝２×（４８．７５＋（５１．２５−４８．７５）／４） ９８．７５ｍｍ

こうして、直径＞＝９８．７５ｍｍの中空素材は、９８．７５ｍｍの直径でＶＲＳから進出することになる。それより小さな直径は、その値を維持することになる。

出口における最大公差 １．２５％（中空素材の呼び直径（nominal diameter）を基準に）。

オーバル孔型において、５％から２．５％への（５０％）公差改善が達成される。また、ラウンド孔型において、５％から１．２５％への（７５％）改善が達成される。

同じ圧延マンドレルにおいて異なる肉厚で圧延される。これを行うために、ワークスタンドは、離反及び接近（opened and closed）しなければならない。ＶＲＳは、このワークスタンドの離反及び接近におおよそ追従するようになっている。なぜなら、こうした場合のみに、ＶＲＳとワークスタンドとの協動が、ほとんど変化されずに維持されるからである。

図１ｂには、ＶＲＳスタンド（左側）とマンドレル圧延機の第１スタンド（右側）が示されている。ｃとｃ’は、ＶＲＳスタンドと３ロール式のマンドレル圧延機の第１スタンドとの公称位置（nominal position）に一致している。ｃ’は、公称位置におけるＶＲＳの孔型の開口寸法であり、ｃは、マンドレル圧延機の孔型の開口寸法である。

ａとａ’は、マンドレル圧延機及びＶＲＳスタンドの（離反）位置におけるポジティブな変化を表している。

ｂとｂ’は、マンドレル圧延機及びＶＲＳスタンドの（接近）位置におけるネガティブな変化を表している。

計算
「絶対的に等しい」：
マンドレル圧延機の第１スタンド及びＶＲＳスタンドの移動態様（ポジティブ＝離反、ネガティブ＝接近）は、その値が絶対的に等しい（ａ’＝ａとｂ’＝ｂ）。

「相対的に等しい」：
マンドレル圧延機の第１スタンドに対するＶＲＳスタンドの移動態様（ポジティブ＝離反、ネガティブ＝接近）は、相対的に等しい（すなわち、公称位置（ｃ、ｃ’）と第１圧延スタンドの移動態様（ａ、ｂ）との関数で表される）。

「絶対的に等しい」：

又は
「相対的に等しい」：

及び

例えば

１ ロール軸線
２ 孔型の輪郭
３ 偏心
４ 孔型の底部半径Ｒ１
５ 孔型の側面半径Ｒ２
ａ、ａ’ ＶＲＳ及び第１スタンドの相対的な位置変化（ポジティブ）
ｂ、ｂ’ ＶＲＳ及び第１スタンドの相対的な位置変化（ネガティブ）
ｃ、ｃ’ ＶＲＳ及び第１スタンドの公称位置

Claims (4)

1. 鋼素材から継目無管を製造するための方法であって、傾斜圧延によって事前に製造された高温中空鋼素材が、３つのロールを有する中空素材リダクション・スタンドで直径を均一化するように圧延され、その後、複数の成形スタンド式の３ロール式のマンドレル圧延機のマンドレルバーによって延伸されて母管とされる、方法において、
   前記リダクション・スタンドのロールが、前記マンドレル圧延機の成形スタンドのロールと同じ程度に離反及び接近されるようになっており、前記リダクション・スタンドのロールの孔型は、前記孔型の底部半径が、前記事前に製造された高温中空鋼素材の最小直径の半分と殆ど一致する半径で、その接線方向に沿って６０°の角度長にわたって延び、前記孔型の側面半径へ連続的に移行しており、前記側面半径は、前記孔型の切れ目部分において最大半径となるように、各側面において３０°の角度長にわたって連続的に増大し、前記リダクション・スタンドのロールの最大圧下時でさえ、前記事前に製造された高温中空鋼素材の最大直径の直径低減が殆ど起きないように設計されていることを特徴とする方法。
2. 前記リダクション・スタンドの圧下位置は、前記マンドレル圧延機の第１スタンドの圧下位置に絶対値で一致していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記リダクション・スタンドの圧下位置は、前記マンドレル圧延機の第１スタンドの圧下位置に相対値で一致していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１スタンドの圧下範囲に関して、マンドレルに対する遊びが絶対値で一定に維持されるように、前記リダクション・スタンドの圧下位置が、離反又は接近により前記マンドレル圧延機の第１スタンドの圧下位置に応じて調整されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。

Images