JP6741192B1 - 継目無角形鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

設備負荷を低減しつつ、従来と同等の角部Ｓ値を有する継目無角形鋼管を得ることができる継目無角形鋼管の製造方法を提供する。ビレットを穿孔して円筒状素管とし、複数の角成形スタンドを備える定形圧延機で前記円筒状素管を熱間圧延して角筒に成形する、継目無角形鋼管の製造方法であって、前記定形圧延機における角成形スタンドの数ｎが３以上であり、第１の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ１、第２の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ２、および全角成形スタンドにおける外径縮径比Ｒが、下記（１）および（２）式を満足する、継目無角形鋼管の製造方法。（Δｒ１＋Δｒ２）／Ｒ≧０．７０…（１）Δｒ２−０．０１≦Δｒ１≦Δｒ２＋０．０１…（２）

Description

本発明は、継目無角形鋼管(seamless square steel pipe or tube)の製造方法に関し、特に、設備負荷を低減しつつ、従来と同等の角部Ｓ値を有する継目無角形鋼管を得ることができる継目無角形鋼管の製造方法に関する。

近年、一般構造用、建築材料用など、様々な用途において角形鋼管が使用されている。中でも、継目無角形鋼管は、角形溶接鋼管に比べて厚肉化が可能であり、高い強度が得られるという特徴を有している。そのため、継目無角形鋼管は、特に建築材料用として用いられている。

継目無角形鋼管を製造する方法としては、熱間シームレス成形による方法が提案されている。この方法では、まず、出発素材としてのビレットを加熱炉で加熱した後、ピアサーにより穿孔して円筒状素管とする。その後、前記円筒状素管を、エロンゲータミル（拡管用）、プラグミル（延伸用）、リーラーミル（磨管用）などで処理した後に、再加熱炉で加熱し、次いで、定形圧延機（サイジングミル）で熱間圧延して継目無角形鋼管とされる。

図１は、継目無角形鋼管の製造に使用される定形圧延機１０における圧延スタンド構成の一例を示す模式図である。定形圧延機１０は、複数の圧延スタンドをタンデム配置した圧延機であり、定形圧延機１０の前段（上流側）には、円形のカリバー（孔型）を有するロールを備えたスタンド１１が、後段（下流側）には角形のカリバーを有するロールを備えた角成形スタンド１２が、それぞれ配置されている。そして、前段のスタンド１１により所定の外径の円形断面となるよう圧延した後、後段の角成形スタンド１２により、角形断面に成形される。なお、図１に例示した定形圧延機１０は、２ロール、８スタンド構成であり、後半の４スタンドが角成形スタンドである。

このように、ロール成形によって円形断面から角形断面へ成形されるため、図２に示すように、継目無角形鋼管の角部はある程度の丸みを有している。そして、角部の丸みを評価する指標の１つとして、ＪＩＳ Ｇ ３４６６において「角部の寸法（corner dimension）」として規定されるＳ値が用いられている。

一般に、意匠性や、梁と柱を接続する仕口に用いた場合の性能などの観点から、継目無角形鋼管にはシャープなコーナー形状であること、すなわちＳ値が小さいことが求められる。そこで、Ｓ値が小さい継目無角形鋼管を製造するための方法について検討が行われている。

例えば、特許文献１では、定形圧延機の複数の角成形スタンドでの外径縮径比（outside diameter reduction）が所定の関係を満たすように圧延条件を制御することにより、角部の曲率が小さく、かつ、辺が平坦な継目無角形鋼管を得る方法が提案されている。

また、特許文献２では、定形圧延機の最初の角成形スタンドにおける周長減少率（perimeter reduction rate）、Ｓ値、および肉厚ｔが所定の関係を満たすように圧延条件を制御することにより、角部の曲率が小さく、かつ、辺が平坦な継目無角形鋼管を得る方法が提案されている。

特開平１１−１０４７１１号公報 特開平１０−２５８３０３号公報

上記特許文献１、２で提案されているような技術によれば、Ｓ値が小さい継目無角形鋼管を得ることができる。しかし、特許文献１、２を初めとする従来の技術では、Ｓ値を小さくするために、定形圧延機における最初の（第１の）角成形スタンドでの減径率（reduction in diameter）を他のスタンドに比べて大幅に大きくすることが必須とされていた。

図３の実線は、特許文献２の図４における、肉厚ｔ＝２０〜３０ｍｍでの実験結果を抜粋したものである。ここで、図３の横軸は、第１の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ１であり、縦軸（左側）は肉厚ｔに対するＳ値の比（Ｓ／ｔ）である。Ｓ／ｔの値は、Δｒ１が大きいほど低下する。すなわち、前記実験結果は、Ｓ値を小さくするためには、第１の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ１を高くする必要があることを示している。

一方、図３の破線は、その際に圧延スタンドにかかる荷重比を示したものである。ここで、荷重比とは、Δｒ１が０．２の時の荷重を１とした、圧延スタンドにかかる荷重の相対値である。このプロットからも明らかなように、Δｒ１を高くすればＳ／ｔを低減できるものの、それに伴って圧延スタンドにかかる荷重が大幅に増加する。

加えて、使用用途の拡大に伴って、継目無角形鋼管にはさらなる大径化および厚肉化が求められている。大径化や厚肉化により鋼管の断面積（断面において鋼材が占める部分の面積）が増加すると、その分、圧延に必要な荷重も増加する。

したがって、上述した大径化および厚肉化の需要に応えつつ、Ｓ値を低減するためには、圧延荷重を大幅に増加する必要がある。しかし、圧延荷重の大幅な増加は、製造設備への負荷の著しい増大を招くため、既存の製造設備ではさらなる大径化および厚肉化に対応することができない。また、そのような製造設備への負荷の増大に対応するためには、圧延機の主機モーターをより大容量のものに交換し、それに合わせてハウジングを高強度のものに置き換えるなど、大規模な設備投資が必要となる。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、断面積の大きい継目無角形鋼管であっても、圧延荷重を増加させること無く製造することができ、かつ、十分に小さいＳ値を達成することができる継目無角形鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、定形圧延機における圧延スケジュールが圧延荷重およびＳ値に与える影響について詳細な検討を行った。そしてその結果、Δｒ１を極めて大きくすることでＳ値を低減するという従来の技術とは、まったく異なる考え方に基づいて圧延条件を制御することによって、上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。

１．ビレットを穿孔して円筒状素管とし、複数の角成形スタンドを備える定形圧延機で前記円筒状素管を熱間圧延して角筒に成形する、継目無角形鋼管の製造方法であって、
前記定形圧延機における角成形スタンドの数ｎが３以上であり、
第１の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ１、第２の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ２、および全角成形スタンドにおける外径縮径比Ｒが、下記（１）および（２）式を満足する、継目無角形鋼管の製造方法。
（Δｒ１＋Δｒ２）／Ｒ≧０．７０…（１）
Δｒ２−０．０１≦Δｒ１≦Δｒ２＋０．０１…（２）

２．前記角成形スタンドにおける熱間圧延の間、被圧延材の温度を６００〜１１００℃とする、上記１に記載の継目無角形鋼管の製造方法。

本発明によれば、断面積の大きい継目無角形鋼管であっても、圧延荷重を増加させること無く製造することができ、かつ、十分に小さいＳ値を達成することができる。圧延荷重の増加を抑制できるため、本発明の方法によれば、より大断面積で、かつ角部形状の良好な継目無角形鋼管を、既存の設備を用いて製造することが可能となり、その産業上の意義は極めて大きい。

継目無角形鋼管の製造に使用される定形圧延機における圧延スタンド構成の一例を示す模式図である。 継目無角形鋼管の角部形状とＳ値の定義を示す模式図である。 肉厚ｔに対するＳ値の比（Ｓ／ｔ）および荷重比と、第１の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ１との関係を示すグラフである。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施態様を示すものであり、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。

本発明では、ビレットを穿孔して円筒状素管とし、複数の角成形スタンドを備える定形圧延機で前記円筒状素管を熱間圧延して角筒に成形することによって継目無角形鋼管を製造する。

ビレットを穿孔して円筒状素管を得る方法については、とくに限定されず、任意の方法を用いることができる。例えば、ビレットを加熱炉で加熱した後、ピアサーにより穿孔して円筒状素管とすることができる。前記加熱炉による加熱を行う場合、加熱炉出側温度を７００〜１２００℃とすることが好ましい。

次の定形圧延機による熱間圧延に先だって、前記円筒状素管には、任意に、エロンゲータミルによる拡管、プラグミルによる延伸、リーラーミルによる磨管を施すことが好ましい。

次に、複数の角成形スタンドを備える定形圧延機を用いて、円筒状素管を熱間圧延し、角筒に成形する。前記熱間圧延により、最終的な寸法及び断面形状を有する継目無角形鋼管が得られる。

前記定形圧延機としては、角成形スタンドの数ｎが３以上のものであれば任意のものを用いることができる。角成形スタンドの数ｎの上限はとくに限定されない。しかし、通常は、ｎを３または４とすることが好ましく、４とすることがより好ましい。

角成形スタンド１つあたりのロールの数はとくに限定されず、任意の数とすることができる。しかし、一般的には、２または３とすることが好ましく、２とすることがより好ましい。また、前記角成形スタンドのロールは、図１に示したように、隣り合う角成形スタンドのロールに対して、通管方向に垂直な面において９０°回転した向きで配置することが好ましい。

前記定形圧延機は、例えば、図１に示したように、角成形スタンドの上流側に、円形のカリバー（孔型）を有するロール（円形カリバーロール）を備えたスタンドを備えていてもよい。前記円形カリバーロールを備えたスタンドの数はとくに限定されない。しかし、通常は、３または４とすることが好ましく、４とすることがより好ましい。

本発明では、第１の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ１、第２の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ２、および全角成形スタンドにおける外径縮径比Ｒが、下記（１）および（２）式を満たすように圧延条件を制御することが重要である。
（Δｒ１＋Δｒ２）／Ｒ≧０．７０…（１）
Δｒ２−０．０１≦Δｒ１≦Δｒ２＋０．０１…（２）

ここで、外径縮径比Δｒ１、Δｒ２、およびＲの定義は下記のとおりとする。
Δｒ１＝（Ｄ０−Ｄ１）／Ｄ０
Δｒ２＝（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１
Ｒ＝（Ｄ０−Ｄｎ）／Ｄ０
・Ｄ０：第１の角成形スタンドにおける圧延前の管の外径
・Ｄ１：第１の角成形スタンドにおける圧延後の管の外径
・Ｄ２：第２の角成形スタンドにおける圧延後の管の外径
・Ｄｎ：最終角成形スタンドにおける圧延後の管の外径

なお、角成形スタンドにおける圧延前の管の外径とは、当該スタンドの入側における管の外径を指すものとする。同様に、角成形スタンドにおける圧延後の管の外径とは、当該スタンドの出側における管の外径を指すものとする。したがって、図１に示したように、Ｄ０は角成形が施される前の円筒状素管の外径に等しい。また、Ｄｎは、角形鋼管の断面における、対向する平坦部の外表面間の距離とする。同様に、Ｄ１、Ｄ２は、成形途中の鋼管の断面における、対向する平坦部の外表面間の距離とする。

上記（１）および（２）式の関係を満たすことにより、Ｓ値を増加させること無く、圧延荷重を低減することができる。なお、（Δｒ１＋Δｒ２）／Ｒは、０．７５以上とすることが好ましい。一方、（Δｒ１＋Δｒ２）／Ｒの上限は特に限定されないが、０．８５以下とすることが好ましく、０．８３以下とすることがより好ましい。

本発明は、とくに限定されることなく、任意の外径および肉厚の継目無角形鋼管の製造に利用することができる。しかし、先に述べたように、設備への負荷の問題が深刻となるのは、断面積が大きい場合である。したがって、本発明は、断面積が大きい継目無角形鋼管の製造に特に好適に適用することができる。具体的には、製造される継目無角形鋼管の外径を２５０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、製造される継目無角形鋼管の肉厚を２５ｍｍ以上とすることが好ましい。一方、継目無角形鋼管の外径および肉厚の上限についてもとくに限定されないが、継目無角形鋼管の外径は３６０ｍｍ以下とすることが好ましい。また、継目無角形鋼管の肉厚は４０ｍｍ以下とすることが好ましい。

前記角成形スタンドにおける熱間圧延の間、被圧延材の温度はとくに限定されず、任意の温度とすることができる。しかし、前記温度が６００℃以上であれば、冷間加工による歪の残留を抑制できる。そのため、材料特性の観点からは、熱間圧延の間の被圧延材としての鋼管の温度を６００℃以上とすることが好ましい。一方、前記温度の上限についても特に限定されないが、前記温度が１１００℃以下であれば、鋼管の外表面におけるスケールの発生を抑制できる。そして結果、角成形時にスケールが押し込まれることによる傷の発生を防止できる。そのため、外観品質向上の観点からは、前記温度を１１００℃以下とすることが好ましい。

なお、ここで、被圧延材の温度とは、被圧延材（鋼管）の表面温度を指すものとする。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

以下に述べる手順で継目無角形鋼管を製造した。まず、ビレットを穿孔して円筒状素管とした。前記円筒状素管を加熱炉で加熱した後、複数の角成形スタンドを備える定形圧延機で熱間圧延して角筒に成形し、継目無角形鋼管とした。前記加熱においては、加熱炉出側温度を１０００℃とした。

前記定形圧延機としては、２ロールタイプの角成形スタンドを２スタンド備えるものを使用した。前記２つの角成形スタンドのうち、上流側のものを第１スタンド、下流側のものを第２スタンドとする。

前記角成形スタンドにおける成形条件（外径縮径比）は、表１に示す通りとした。そして、その際の第１スタンドおよび第２スタンドにおける圧延荷重、および最終的に得られた継目無角形鋼管の角部寸法（Ｓ値）を測定した。測定結果を表１に併記する。なお、角成形スタンドにおける熱間圧延の間の被圧延材の温度は１０００〜９００℃であった。

また、前記継目無角形鋼管の寸法は、外径（辺長）：３００ｍｍ、肉厚ｔ：３０ｍｍとした。また、円筒状素管の外径Ｄ０は４１８ｍｍとした。

荷重については、以下の基準に基づいて判定し、その結果を表１に併記した。
・第１スタンドにおける荷重：150 tonf未満：○
・第１スタンドにおける荷重：150 tonf以上、160 tonf未満：△
・第１スタンドにおける荷重：160 tonf以上：×

Ｓ値についても、以下の基準に基づいて判定し、その結果を表１に併記した。
・Ｓ値：３０．０ｍｍ未満：◎
・Ｓ値：３０．０ｍｍ以上、３７．５ｍｍ以下：○
・Ｓ値：３７．５ｍｍ超：×

ここで、３７．５ｍｍとは、肉厚ｔ：３０ｍｍの鋼管における、標準Ｓ値０．７５、寸法許容差：０．５ｔとしたときのＳ値の許容範囲である。なお、図２に示したように、角形鋼管の角部１つに対して、２つのＳ値がある。そこで、前記判定には、得られた継目無角形鋼管の４つの角におけるＳ値、合計８つの算術平均値を使用した。

比較例Ｎｏ．１は、Δｒ１を極めて大きくすることによってＳ値の低減を図るという従来の圧延条件を採用したものである。このＮｏ．１では、Ｓ値は合格判定であるものの、（２）式の条件を満たしていないため、圧延荷重が極めて大きかった。すなわち、従来の考え方に基づいてＳ値が低くなるように圧延条件を選択した場合、圧延荷重が過大となり、生産設備に著しい負荷がかかる。

また、比較例Ｎｏ．２は、Ｎｏ．１に比べてΔｒ１を軽減したものである。このＮｏ．２では、Ｎｏ．１と同様にＳ値は合格判定であるものの、（２）式の条件を満たしていないため、やはり圧延荷重が大きかった。

これに対して、本発明の条件を満たす発明例Ｎｏ．３では、比較例Ｎｏ．１に比べ、第１スタンドにおける荷重を約３１％と、大幅に低減することができた。さらに、第１スタンドにおける外径縮径比を大幅に低下させているにもかかわらず、従来技術における知見に反し、Ｓ値の増加は十分に抑制されており、合格水準であった。

また、比較例Ｎｏ．４は、Δｒ１をＮｏ．３よりもさらに低減した例である。Ｎｏ．４は、（２）式の条件を満たすが、（１）式の条件を満たさない。その結果、第１スタンドにおける荷重は低くなったものの、Ｓ値が大幅に増加した。この結果から分かるように、単純にΔｒ１を小さくして荷重を低減するのみでは、良好な角部形状を実現することはできない。すなわち、設備負荷を低減しつつ、従来と同等の角部Ｓ値を有する継目無角形鋼管を得るためには、（１）、（２）式の条件の両方を満たす必要がある。

このように、本発明の技術によれば、従来の技術的偏見を克服し、既存の技術とはまったく異なる技術的思想に基づいて圧延条件を制御することにより、Ｓ値の低減と圧延荷重の抑制という、相反する要求を満たすことができる。

１ 円筒状素管
２ 継目無角形鋼管
１０ 定形圧延機
１１ 円形カリバーを備えるスタンド
１２ 角成形スタンド

Claims (2)

1. ビレットを穿孔して円筒状素管とし、複数の角成形スタンドを備える定形圧延機で前記円筒状素管を熱間圧延して角筒に成形する、継目無角形鋼管の製造方法であって、
   前記定形圧延機における角成形スタンドの数ｎが３以上であり、
   第１の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ１、第２の角成形スタンドにおける外径縮径比Δｒ２、および全角成形スタンドにおける外径縮径比Ｒが、下記（１）および（２）式を満足する、継目無角形鋼管の製造方法。
   （Δｒ１＋Δｒ２）／Ｒ≧０．７０…（１）
   Δｒ２−０．０１≦Δｒ１≦Δｒ２＋０．０１…（２）
2. 前記角成形スタンドにおける熱間圧延の間、被圧延材の温度を６００〜１１００℃とする、請求項１に記載の継目無角形鋼管の製造方法。

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