JP6327204B2 - ビレットの穿孔圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、継目無鋼管の製造ラインに設置されたピアサーにて、ビレットの穿孔圧延を行なって、中空の管体（以下、中空素管という）を得る穿孔圧延方法に関するものである。

継目無鋼管の製造ラインは、中実の丸棒鋼材（いわゆるビレット）を熱間で穿孔圧延して中空素管とし、引き続き延伸圧延および縮径圧延を行なって所定の製品寸法の継目無鋼管を製造するように構成されている。その一連の製造ラインにおいて、ピアサーは、中実のビレットの穿孔圧延を行なう設備として設置される。

ピアサーは、入側にプッシャーを有しており、１対の樽型ロールの間にビレットを押込みながら、パスライン上のプラグによって穿孔して、出側に中空素管を排出する穿孔圧延機である。穿孔圧延によって得られた中空素管は引き続き延伸圧延に供されるので、延伸圧延を支障なく行なうために、中空素管の外径の許容される範囲（以下、基準範囲という）を定めて、その基準範囲を満たす中空素管が得られるようにピアサーの操業条件（たとえばプラグ位置、ロール開度（間隔）、ガイド間隔等）を設定している。しかし穿孔圧延は過酷な加工であるから、中空素管の寸法精度は劣っており、単一の中空素管において長手方向に外径が変動する。

中空素管の外径は、後工程の延伸圧延に多大な影響を及ぼす要因である。中空素管の外径が基準範囲を上回る（以下、太径という）部位は、延伸圧延機（たとえばマンドレルミル等）のロールによる圧下量が増加して、ロール同士の隙間に中空素管が噛込んで疵が発生する、あるいは延伸圧延機の設備故障を引き起こす等の問題が生じる。中空素管の外径が基準範囲を下回る（以下、細径という）部位は、延伸圧延機にて十分な圧下を加えられないので、変形が他の部位と異なり、外径はもちろん、肉厚などの寸法偏差が生じて圧延性を損なう。さらには、その後で行なう縮径圧延にも支障を来す可能性がある。

そこで、全長にわたって一定の外径を有する中空素管を得るための技術が検討されている。
たとえば特許文献１には、プラグや樽型ロールの位置を穿孔圧延中に変化させて、中空素管の外径の変動を抑制する技術が開示されている。しかし、中実のビレットの軸心部を穿孔するのは過酷な加工であり、プラグや樽型ロールには多大な負荷が加わるので、穿孔圧延中にプラグや樽型ロールを移動させるのは困難である。つまり特許文献１に開示された技術では、一定の外径を有する中空素管を、安定して得ることは困難である。

特開2001-276912号公報

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、全長にわたって一定の外径を有する中空素管を、簡便な手段で安定して得ることができる穿孔圧延方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決するために、穿孔圧延において中空素管の先端がラッパ状に広がる現象（いわゆるフレア）に着目して、その発生原因について調査した。その結果、フレアの発生（すなわち中空素管の外径の拡大）は、現象としては素材端部が中空となる際の自由変形に起因しているが、詳細に検討すると樽型ロールの回転によってビレットに発生する引張応力に密接な関係があることが分かった。

次に本発明者は、穿孔圧延中に発生する引張応力を調整する技術について詳細に検討した。そして、通常はビレットの搬送のみに使用するプッシャーを用いて、穿孔開始ないしは穿孔中に連続的にビレットを押込ませるようにする方法を考案し、この押込み速度や押込み力を増減させることによって、ビレットに作用する引張応力を適正に維持できることを見出した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、ピアサーにて、プッシャーを用いて中実のビレットを１対の樽型ロールの間に押込んで中空素管を得る穿孔圧延方法において、樽型ロールの出側に排出される中空素管の外径が基準範囲を満たす領域はプッシャーの押込み速度および／または押込み力を予め設定された基準値としてビレットを押込み、中空素管の外径が基準範囲を上回る領域はプッシャーの押込み速度および／または押込み力を基準値よりも減少させ、中空素管の外径が基準範囲を下回る領域はプッシャーの押込み速度および／または押込み力を基準値よりも増加させる穿孔圧延方法である。

本発明の穿孔圧延方法においては、ビレットの穿孔圧延中に樽型ロールの出側で中空素管の外径を測定し、その測定値と基準範囲とを対比して、プッシャーの押込み速度および／または押込み力の増減を判定することが好ましい。あるいは、中空素管と同一条件で穿孔圧延した管体の外径の分布を予め測定しておき、その分布の測定結果と基準範囲とを対比して、プッシャーの押込み速度および／または押込み力を増減するタイミングと領域をビレットの穿孔圧延中に判定することが好ましい。

本発明によれば、全長にわたって一定の外径を有する中空素管を、簡便な手段で安定して得ることが可能となり、産業上格段の効果を奏する。

ピアサーの例を模式的に示す側面図である。

図１は、ピアサーの例を模式的に示す側面図であり、プラグの配置を明示するためにビレットの一部を断面図として示す。ピアサーは、１対の樽型ロール１を有し、プッシャー２がビレット３を樽型ロール１の間に押込みながら、プラグ４によってビレット３の軸心部を穿孔して、中空素管６を得る穿孔圧延機である。なお、図１中の符号５は、プラグ４をパスライン上に保持するためのプラグバー、矢印Ａはプッシャー２の進行方向（すなわちビレット３の進行方向）、矢印Ｂは樽型ロール１の回転方向を示す。

中空素管６は、引き続き延伸圧延および縮径圧延に供されて、製品（すなわち継目無鋼管）の寸法に仕上げられる。したがって、延伸圧延および縮径圧延を支障なく行なうために、中空素管６の外径が基準範囲を満たすように、プッシャー２の押込み速度および／または押込み力の基準値を設定している。ところが中空素管６の先端はラッパ状に広がり易く、外径の基準範囲を上回るような広がりが発生することがある。

ここで、外径の基準範囲を中空素管６の目標外径Ｄ（mm）に対してＤ±５％の範囲とすれば、延伸圧延を支障なく行なうことが可能であるから好ましい。そして、その基準範囲を満たす外径を有する中空素管６を得るために、中空素管６の材質や寸法に応じて、プッシャー２の押込み速度および／または押込み力の基準値を設定する。

中空素管６先端のラッパ状の部位6Fはフレアと呼ばれており、本発明者は、上記の課題を解決するために、フレアの発生原因について調査した。その結果、ビレット３の先端が１対の樽型ロール１の間に噛込む領域では、ビレット３にはビレット進行方向の前方に引張応力（以下、前方引張応力という）が発生しておらず、それが原因となってフレアが発生することを見出した。つまり、ビレット３の先端が樽型ロール１の間に噛込む領域では、その進行方向の前方に材料が存在しないので、樽型ロール１の回転に起因する前方引張応力がビレット３に作用しない。

これに対して、ビレット３の中央部が樽型ロール１の間に噛込む時領域では、その進行方向の前方に材料が存在するので、樽型ロール１の回転に起因する前方引張応力がビレット３に作用する。そのため、ビレット３の中央部に相当する中空素管６の中央部には、フレアは発生しない。

本発明者は、このようなフレアの発生とビレット３に作用する前方引張応力との関係について詳細に研究し、
(a)ビレット３の先端が噛込んだ直後に、ビレット３に発生する前方引張応力を増大させれば、フレアの拡大を防止できる、
(b)プッシャー２の押込み速度および／または押込み力を基準値よりも減少させることによって、ビレット３に発生する前方引張応力を増大できる、
(c)フレアの外径の拡大を防止する技術は、中空素管６の中央部において太径の部位が発生するのを防止するためにも有効である
ということを見出した。

さらに、これら(a)〜(c)の知見から、中空素管６の中央部において細径の部位が発生するのを防止するためには、
(d)ビレット３に発生する前方引張応力を抑制すれば、細径の部位の発生を防止できる、
(e)プッシャー２の押込み速度および／または押込み力を基準値よりも増加させることによって、ビレット３に発生する前方引張応力を抑制できる
ということを見出した。

つまり、中空素管６の外径が基準範囲を満たす領域ではプッシャー２の押込み速度および／または押込み力を基準値として穿孔圧延を行ない、中空素管６の外径が基準範囲を上回る領域ではプッシャー２の押込み速度および／または押込み力を基準値よりも減少させ、中空素管６の外径が標準範囲を下回る領域ではプッシャー２の押込み速度および／または押込み力を基準値よりも増加させて穿孔圧延を行なうことによって、全長にわたって一定の外径を有する中空素管６を得ることができる。

しかも、特許文献１に開示されたようなプラグや樽型ロール１の位置の変化に比べて、プッシャー２の押込み速度および／または押込み力の増減は、容易に行なうことが可能であり、簡便な手段で安定して中空素管６の外径を一定に保つことができる。

穿孔圧延中に、樽型ロール１の出側で中空素管６の外径を測定し、その測定値が基準範囲を上回る領域ではプッシャー２の押込み速度および／または押込み力を基準値よりも減少させ、中空素管６の外径が基準範囲を下回る領域ではプッシャー２の押込み速度および／または押込み力を基準値よりも増加させることによって、太径や細径の部位の発生を防止できる。

また、上記した中空素管６の外径の基準範囲の代わりに、閾値を設定して、プッシャー２の押込み速度および／または押込み力の増減を行なっても良い。その閾値は、外径の基準範囲よりも狭い範囲を規定するように設定することが好ましい。

あるいは、中空素管６と同一条件で穿孔圧延を予め行ない、得られた管体の外径の分布を測定しておき、その測定結果に基づいてプッシャー２の押込み速度および／または押込み力の増減を行なっても良い。つまり、予め測定した外径の分布から太径や細径の部位が樽型ロール１の間を通過するタイミングと領域を求め、そのタイミングと領域をタイマーで時間に置き換えて計測すれば、プッシャー２の押込み速度および／または押込み力の増減を行なうことが可能となる。なお、太径や細径の部位が通過するタイミングは、穿孔圧延開始から太径あるいは細径の部位が通過し始めるまでの所要時間と、太径あるいは細径の部位が通過し終わるまでの所要時間と、で規定される時間帯を意味する。

図１に示すピアサーの樽型ロール１の出側で中空素管６の外径を測定しながら、ビレット３（外径58mm、長さ250mm）の穿孔圧延を行ない、中空素管６（目標外径70.4mm、目標肉厚6.8mm）を製造した。穿孔圧延中に中空素管６の外径の測定値が69.6〜71.2mmの基準範囲内にある領域ではプッシャー２の押込み力を10kNとし、外径の測定値が71.2mmを上回る領域ではプッシャー２の押込み力を７kNとし、外径の測定値が69.6mmを下回る時はプッシャー２の押込み力を12kNとした。これを発明例１とする。

また、図１に示すピアサーで発明例１と同じ寸法の中空素管６を製造するに先だって、予め同一条件で管体を製造する実験を行ない、その実験で得られた管体の外径の分布を測定し、その測定結果に基づいて管体の外径が69.6〜71.2mmの基準範囲内にある部位が樽型ロール１を通過する時間帯Ｔ_N、外径の測定値が71.2mmを上回る部位が樽型ロール１を通過する時間帯Ｔ_L、外径の測定値が69.6mmを下回る部位が樽型ロール１を通過する時間帯Ｔ_Sを予測した。そして、発明例１と同じ寸法のビレット３の穿孔圧延を行なう際に、時間帯Ｔ_Nはプッシャー２の押込み力を10kNとし、時間帯Ｔ_Lはプッシャー２の押込み力を５kNとし、時間帯Ｔ_Sはプッシャー２の押込み力を12kNとするようにタイマーを設定した。これを発明例２とする。

さらに、発明例１と同じ寸法のビレット３の穿孔圧延を行なう際に、プッシャー２の押込み力を１kNに固定して、発明例１と同じ寸法の中空素管６を製造した。これを比較例とする。

発明例１、２および比較例について、それぞれ４本のビレット３を穿孔圧延し、得られた中空素管６の外径の分布を調査した。中空素管６の外径の測定は、両管端、長手方向中央、およびその中間（各中空素管６毎に計５ケ所ずつ）の円周断面にて45°間隔で行なった。こうして得られた測定値の最大値と最少値の差は、発明例１が1.2mm、発明例２が1.8mm、比較例が2.8mmであり、発明例１、２はいずれも比較例よりも外径のバラツキが小さかった。

したがって、本発明によれば、全長にわたって一定の外径を有する中空素管を、簡便な手段で安定して製造できることが確かめられた。

１ 樽型ロール
２ プッシャー
３ ビレット
４ プラグ
５ プラグバー
６ 中空素管
6F 中空素管先端のラッパ状の部位

Claims (3)

1. ピアサーにて、プッシャーを用いて中実のビレットを１対の樽型ロールの間に押込んで中空素管を得る穿孔圧延方法において、前記樽型ロールの出側に排出される前記中空素管の外径が目標外径Ｄ（mm）に対して±５％の範囲である基準範囲を満たす領域は前記プッシャーの押込み速度および／または押込み力を予め設定された基準値として前記ビレットを押込み、前記外径が前記基準範囲を上回る領域は前記プッシャーの押込み速度および／または押込み力を前記基準値よりも減少させ、前記外径が前記基準範囲を下回る領域は前記プッシャーの押込み速度および／または押込み力を前記基準値よりも増加させることを特徴とする穿孔圧延方法。
2. 前記ビレットの穿孔圧延中に前記樽型ロールの出側で前記中空素管の外径を測定し、その測定値と前記基準範囲とを対比して、前記プッシャーの押込み速度および／または押込み力の増減を判定することを特徴とする請求項１に記載の穿孔圧延方法。
3. 前記中空素管と同一条件で穿孔圧延した管体の外径の分布を予め測定しておき、該分布の測定結果と前記基準範囲とを対比して、前記プッシャーの押込み速度および／または押込み力を増減するタイミングと領域を前記ビレットの穿孔圧延中に判定することを特徴とする請求項１に記載の穿孔圧延方法。

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