JP7697495B2 - 傾斜圧延方法および継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、継目無鋼管の製造過程で行われる傾斜圧延方法の技術に関する。具体的には、表面欠陥を有するビレットや中空素管を、継目無鋼管の製造ラインに設置されている傾斜圧延機であるピアサー、エロンゲーター等で圧延したときに発生する外面疵を抑制する圧延方法の技術に関する。

継目無鋼管の製造では、まず、ビレットを回転炉で加熱した後、ピアサーにて穿孔を施し、素管を得る。その後、マンドレルミル、エロンゲーター、プラグミル等で素管を延伸圧延することで素管肉厚を減じる。減肉された素管を再加熱炉で加熱した後、ホットストレッチレデューサー、サイザー等によって所定の外径に定径圧延をすることで継目無鋼管が製造される。

上記のピアサー、エロンゲーターは、回転軸が互いに傾斜している２個の樽型ロールもしくはコーン型ロールのロール間に位置するプラグによって被圧延材となるビレット、中空素管を圧延するミルである。また、ガイドシューが、圧延時に被圧延材が振れ回るのを防ぐために設置されている。
被圧延材は、上記の樽型ロールもしくはコーン型ロールに噛みこむことで縮径され、円周方向にねじれながら圧延方向に前進する。被圧延材は、圧延方向に前進すると樽型ロールもしくはコーン型ロールとプラグによって圧延される。この圧延時において、被圧延材は円周方向と圧延方向の両方向に延伸させられるため、非常に複雑な変形を受ける。

継目無鋼管では外面疵が形成されることがあり、この外面疵は歩留まり低下の原因となるため、軽減、抑制することが望ましい。継目無鋼管における外面疵には様々な原因がある。具体的には、ロールやプラグなどの工具表面に付着している焼付きによる引っかきに基づく外面疵、圧延中の延性破壊などの圧延条件に基づく外面疵、加熱炉での不適切な加熱等に基づく材質劣化からの外面疵、ビレット等の被圧延材表面の初期欠陥などの材料起因の欠陥（以下、単に表面欠陥とも記す。）による外面疵が挙げられる。

以上から、継目無鋼管の外面疵を軽減、抑制するための技術が検討されている。例えば、特許文献１には、Ｃ：０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．３０～０．６０質量％、Ｓｉ：０．２０～１．０質量％、Ｃｒ：８．０～１０．０質量％、Ｍｏ：０．８５～１．１０質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる素材を、種々の圧延機を備えたマンドレル方式の圧延工程で継目無鋼管とする。その際、各圧延機での圧延時に、素材の歪速度を当該圧延機における圧延温度に応じて一定範囲内に制御することで外面疵を抑制する方法が提案されている。

また、特許文献２には、傾斜圧延中の素管とプラグの圧延方向、円周方向の接触弧長をある一定の範囲内に制御し、素管の円周方向への過度な広がりを抑制することで、素管がガイドシューに過剰に接触することにより発生する焼付きを防ぎ外面疵を抑制する方法が提案されている。

特開２００５－１３１６８８号公報 特開平１０－０５８０１４号公報

しかしながら、上記の特許文献１、２などに開示されている従来技術では、回転炉で加熱中にビルドアップしたスケールや、スポーリングした炉床レンガが押し込まれることによって形成される表面欠陥を有するビレット、中空素管を圧延することで発生する外面疵を抑制したり、軽減したりすることができないという問題があった。

上記のような問題点を鑑みてなされた本発明の目的は、被圧延材の表面欠陥に基づく外面疵を抑制することができる傾斜圧延方法および継目無鋼管の製造方法を提供することである。

本発明者らが、被圧延材（ビレット、素管）の表面欠陥起因の外面疵が残存する原因を調査した結果、この表面欠陥がピアサーやエロンゲーター等の傾斜圧延機が付与する過大な円周方向せん断変形を受けることにより、被圧延材の円周方向、肉厚方向に欠陥が延伸することを見出した。
そこで、本発明者らは、ピアサー、エロンゲーター等による圧延中に発生するひずみを抑制することで、その後に得られる継目無鋼管において、被圧延材の表面欠陥起因の外面疵を軽減したり、抑制したりすることが可能であると考えた。圧延中のひずみを抑制することで、表面欠陥は素管の円周方向、肉厚方向に延伸することがなくなるためである。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は以下の通りである。
［１］被圧延材から中空素管を得る傾斜圧延方法であり、
以下の式（１）および式（２）を満たす、傾斜圧延方法。
０．８７×Ｄ≦Ｇ≦０．９７×Ｄ ・・・式（１）
０．４９×Ｇ≦Ｌ≦０．９２×Ｇ ・・・式（２）
ここで、式（１）、式（２）において、
Ｄ（ｍｍ）：被圧延材の管軸方向垂直断面の外径、
Ｇ（ｍｍ）：被圧延材を挟圧する一対の圧延ロールのロール間隔、
Ｌ（ｍｍ）：ロール間隔測定位置の管軸方向垂直断面から被圧延材内に挿入されるプラグの先端部までの長さ、である。
［２］傾斜圧延の際に前記被圧延材の外表面に付与される円周方向へのせん断ひずみが形成される速度であるひずみ速度が、０．２５ｓｅｃ^－１以上０．４１ｓｅｃ^－１以下を満たす、前記［１］に記載の傾斜圧延方法。
［３］前記［１］または［２］に記載の傾斜圧延方法を用いて継目無鋼管を製造する、継目無鋼管の製造方法。

本発明によれば、被圧延材の表面欠陥に起因する外面疵を抑制できる。

継目無鋼管の製造方法の一例を説明するための図である。 他の態様の継目無鋼管の製造方法の一例を説明するための図である。 ピアサーを用いて本発明の傾斜圧延方法を実施する例を説明するための図である。 エロンゲーターを用いて本発明の傾斜圧延方法を実施する例を説明するための図である。 プラグ外径を説明するためのプラグの断面図である。 被圧延材に付与した人工欠陥形状を説明するための図である。 人工欠陥長さを説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の傾斜圧延方法は、被圧延材（ビレット、素管）から中空素管を得る傾斜圧延方法であり、以下の式（１）および式（２）を満たす、傾斜圧延方法であり、その後に得られる継目無鋼管において、被圧延材の表面欠陥に基づく外面疵が形成されたり、増大したりすることを抑制できる。
０．８７×Ｄ≦Ｇ≦０．９７×Ｄ ・・・式（１）
０．４９×Ｇ≦Ｌ≦０．９２×Ｇ ・・・式（２）
ここで、式（１）、式（２）において、
Ｄ（ｍｍ）：被圧延材の管軸方向垂直断面の外径、
Ｇ（ｍｍ）：被圧延材を挟圧する一対の圧延ロールのロール間隔、
Ｌ（ｍｍ）：ロール間隔測定位置の管軸方向垂直断面から被圧延材内に挿入されるプラグの先端部までの長さ（以下、プラグ先進量とも記す。）

まず、本発明の傾斜圧延方法の詳細を説明する前に、図１および図２を参照しながら、本発明の傾斜圧延方法を適用しうる継目無鋼管の製造方法の例を説明する。

図１は、継目無鋼管の製造方法の一例を説明するための図である。図１に示すように、継目無鋼管を製造する場合、まず、ビレット１Ａを回転炉１００で加熱した後、ピアサー１１０で被圧延材（ビレット）１Ａに穿孔を施し、素管（中空素管）２Ａを得る。
その後、マンドレルミル１２０で素管２Ａを延伸圧延することで素管肉厚を減じる。
減肉された素管を再加熱炉１３０で加熱した後、ホットストレッチレデューサー１４０によって定径圧延を施し、所望の外径を有する継目無鋼管３Ａが製造される。

また、図２は、図１とは異なる態様の継目無鋼管の製造方法の一例を説明するための図である。図２に示すように、継目無鋼管を製造する場合、まず、ビレット１Ｂを回転炉２００で加熱した後、ピアサー２１０でビレット１Ｂに穿孔を施し、被圧延材（素管）２Ｂを得る。
その後、エロンゲーター２２０、プラグミル２３０によって、被圧延材（素管）２Ｂを延伸圧延することで素管肉厚を減じて、リーラ―２４０によって、被圧延材（素管）２Ｂ内外面を滑らかにする。
素管を再加熱炉２５０で加熱した後、サイザー２６０によって定径圧延を施し、所望の外径を有する継目無鋼管３Ｂが製造される。

ここで、本発明の傾斜圧延方法は、継目無鋼管の製造方法に適用することができ、以下では、図１に示すピアサー１１０を用いて本発明の傾斜圧延方法を実施する例と、図２に示すエロンゲーター２２０を用いて本発明の傾斜圧延方法を実施する例とを説明する。但し、本発明の傾斜圧延方法は、これらの例に限定されず、例えば、図２に示すピアサー２１０を用いた傾斜圧延方法にも適用し得る（図１、２中の「＊」参照）。

図３は、ピアサー１１０を用いて本発明の傾斜圧延方法を実施する例を説明するための図である。
図３に示すように、ピアサー１１０は、回転軸が互いに傾斜し、被圧延材（ビレット）１Ａを挟圧する一対の圧延ロール１１と、対向する圧延ロール１１間に配置され、圧延方向に進行する被圧延材１Ａを穿孔するプラグ１２と、を有するミル（傾斜圧延機）である。また、ピアサー１１０は、圧延時に被圧延材１Ａの軸が移動することを防ぐために、被圧延材１Ａの周方向において圧延ロール１１間に配置されたガイドシュー（図３中図示せず）を有していてもよい。
被圧延材１Ａは、樽型ロールもしくはコーン型ロールである圧延ロール１１に噛みこむことで縮径され、また、円周方向にねじれながら圧延方向に前進し、圧延ロール１１とプラグ１２によって圧延される。圧延時に被圧延材１Ａは、円周方向と圧延方向の両方向に延伸するため非常に複雑な変形を受ける。

また、図４は、エロンゲーター２２０を用いて本発明の傾斜圧延方法を実施する例を説明するための図である。
図４に示すように、エロンゲーター２２０は、回転軸が互いに傾斜し、被圧延材（素管）２Ｂを挟圧する一対の圧延ロール２１と、対向する圧延ロール２１間に配置され、圧延方向に進行する被圧延材１Ｂ内に挿入されるプラグ２２と、を有するミル（傾斜圧延機）である。
図４に示す例においても、被圧延材２Ｂは、樽型ロールもしくはコーン型ロールである圧延ロール２１に噛みこむことで縮径され、また、円周方向にねじれながら圧延方向に前進し、圧延ロール２１とプラグ２２によって圧延される。同様に、圧延時に被圧延材２Ｂは円周方向と圧延方向の両方向に延伸するため非常に複雑な変形を受ける。

これらの傾斜圧延において、本発明では、被圧延材１Ａ、２Ｂの管軸方向垂直断面の外径Ｄ、圧延ロール１１、２１のロール間隔Ｇ、プラグ１２、２２のプラグ先進量Ｌについて、以下に示すような式（１）、式（２）で特定する範囲に制御することで、被圧延材１Ａ、２Ｂに圧延前に表面欠陥が存在していても、得られる継目無鋼管に外面疵が形成されたり、外面疵が増大したりすることを抑制できる。

０．８７×Ｄ≦Ｇ≦０．９７×Ｄ ・・・式（１）
本発明では、被圧延材１Ａ、２Ｂの外径Ｄ（ｍｍ）と、ロール間隔Ｇ（ｍｍ）の関係式として、０．８７×Ｄ≦Ｇ≦０．９７×Ｄを満たすようにする。ロール間隔Ｇが、０．９７×Ｄを超えると、ロールの被圧延材の拘束力が弱くなり、安定して圧延することができなくなる。一方、ロール間隔Ｇが０．８７×Ｄを下回ると圧延中に発生するひずみが大きく付与されて、表面欠陥が肉厚方向、円周方向により深く、長くなる。
よって、本発明では、式（１）：０．８７×Ｄ≦Ｇ≦０．９７×Ｄを満たすようにする。好ましくは、Ｇは０．９０×Ｄ以上である。また、好ましくは、Ｇは０．９５×Ｄ以下である。

０．４９×Ｇ≦Ｌ≦０．９２×Ｇ ・・・式（２）
本発明では、上記の式（１）に加えて、ロール間隔測定位置の管軸方向垂直断面から被圧延材内に挿入されるプラグ１２、２２の先端部までの長さＬ（ｍｍ）（プラグ１２、２２の先端部におけるロール間隔測定位置の管軸方向垂直断面に対して突出している長さ（プラグ先進量Ｌ（ｍｍ））と、ロール間隔Ｇ（ｍｍ）の関係式として、０．４９×Ｇ≦Ｌ≦０．９２×Ｇを満たすようにする。プラグ先進量Ｌが、０．９２×Ｇを超えると、被圧延材がロールに噛みこむ前にプラグに当たってしまい圧延ができなくなる。一方、プラグ先進量Ｌが０．４９×Ｇを下回ると、圧延中に発生するひずみが大きく付与されて、表面欠陥が肉厚方向、円周方向により深くなり、また、長くなる。
よって、本発明では、式（２）：０．４９×Ｇ≦Ｌ≦０．９２×Ｇを満たすようにする。好ましくは、Ｌは０．５０×Ｇ以上である。また、好ましくは、Ｌは０．８３×Ｇ以下である。

ここで、本発明でいうロール間隔とは、一対の圧延ロールの距離（最短距離）のことを指す。
すなわち、一対の圧延ロールの間隔を圧延方向（管軸方向）各位置で測定していった際に最小となる間隔のことを指す。

また、ロール間隔測定位置の管軸方向垂直断面からプラグ１２、２２の先端部までの長さ（プラグ先進量）において、ロール間隔測定位置は、一対の圧延ロールの間隔が最小となる位置のことを指す。なお、本発明において、圧延処理中、プラグ１２、２２は固定されている。また、プラグ１２、２２の先端部は、圧延時に被圧延材内に最初に挿入される部位である。

本発明で対象とする被圧延材は特に限定されないが、外径Ｄ：５８～３６０ｍｍ、管長２５０～８０００ｍｍとすることが好ましい。
また、被圧延材の成分組成も特に限定されないが、ＳＵＳ４２０Ｊ２等の高合金鋼とすることが好ましい。

本発明では、プラグの形状、サイズは特に限定されないが、プラグ外径Ｅと被圧延材の管軸方向垂直外径Ｄとが、０．６９×Ｄ≦Ｅ≦０．７８×Ｄを満たすことが好ましい。
図５はプラグの断面図である。プラグ形状は特に限定されないが、プラグは断面が三角形となるような円錐形状とすることができ、プラグ外径Ｅは、プラグ後端部の直径のことを指す。

ピアサー１１０により、被圧延材（ビレット）１Ａに穿孔圧延を施す場合には、上記式（１）について、Ｇは、０．８７×Ｄ以上、０．９７×Ｄ以下であり、０．９０×Ｄ以上であることが好ましい。また、Ｇは、０．９５×Ｄ以下であることが好ましい。
また、このとき、上記式（２）について、Ｌは、０．４９×Ｇ以上、０．９２×Ｇ以下であり、０．５０×Ｇ以上であることが好ましい。また、Ｌは０．８３×Ｇ以下であることがより好ましい。

また、エロンゲーター２２０により、被圧延材（素管２Ｂ）に延伸圧延を施す場合には、上記式（１）について、Ｇは、０．８７×Ｄ以上、０．９７×Ｄ以下であり、０．９１×Ｄ以上であることが好ましく、０．９３×Ｄ以上であることがより好ましい。また、Ｇは、０．９５×Ｄ以下であることが好ましく、０．９４×Ｄ以下であることがより好ましい。
また、このとき、上記式（２）について、Ｌは、０．４９×Ｇ以上、０．９２×Ｇ以下であり、０．５０×Ｇ以上であることが好ましく、０．５１×Ｇ以上であることがより好ましい。また、Ｌは、０．８９×Ｇ以下であることが好ましく、０．８４×Ｇ以下であることがより好ましい。

傾斜圧延の際のひずみ速度：０．２５ｓｅｃ^－１以上０．４１ｓｅｃ^－１以下
本発明では、傾斜圧延の際のひずみ速度が０．２５ｓｅｃ^－１以上０．４１ｓｅｃ^－１以下を満たすように圧延条件を設定することが好ましい。
ここで、ひずみ速度とは、傾斜圧延の際に被圧延材の外表面に付与される円周方向へのせん断ひずみが形成される速度を表す。
円周方向へのせん断ひずみについては、ＦＥＭによって被圧延材の外表面に発生する円周方向へのせん断ひずみを算出し、ひずみ速度（ｓｅｃ^－１）は、ひずみ／傾斜圧延時間（ｓｅｃ）によって得られる。
ひずみ速度が０．２５ｓｅｃ^－１を下回ると圧延が完了する時間が遅くなり、圧延終了時には得られる素管２Ａ、２Ｂの温度が下がり、次の圧延プロセスにおいて噛みこみ不良などが発生する場合がある。また、ひずみ速度が０．４１ｓｅｃ^－１を超えると、ビレット表面欠陥が圧延によって深く、長くなる場合がある。よって、傾斜圧延の際のひずみ速度は、０．２５ｓｅｃ^－１以上０．４１ｓｅｃ^－１以下であることが好ましい。
より好ましくは、０．２７ｓｅｃ^－１以上０．３８ｓｅｃ^－１以下である。さらに、好ましくは、０．２９ｓｅｃ^－１以上０．３２ｓｅｃ^－１以下である。

以上、本発明の傾斜圧延方法によれば、被圧延材の表面欠陥に起因する外面疵が継目無鋼管に形成されることを抑制できる。
また、本発明では、この傾斜圧延方法を用いて継目無鋼管を製造する、継目無鋼管の製造方法も提供される。

以下、本発明の実施例について説明する。
本発明は下記の実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲内にて適宜変更することも可能であり、これらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
図６は、被圧延材に付与したＶ字型の人工欠陥形状を説明するための図である。図６に示すＶ字型の欠陥（人工欠陥）（深さ２．５ｍｍ、角度２８°）を付与した鋼種規格ＳＵＳ４２０Ｊ２のビレット（外径Ｄ：５８ｍｍ）または中空素管（Ｄ：５８ｍｍ×肉厚ｔ：１９．５ｍｍ）を被圧延材とした。
ビレットについては、１２００℃で加熱し、図３に示すピアサーを用い、表１に示す条件で圧延した。また、中空素管については、図４に示すエロンゲーターを用い表１に示す条件で圧延した。プラグ外径は、図３に示すピアサーでは、４５ｍｍとし、図４に示すエロンゲーターでは、４３ｍｍとした。

ひずみ速度とは、傾斜圧延の際に被圧延材の外表面に付与される円周方向へのせん断ひずみが形成される速度を表す。
円周方向へのせん断ひずみについては、ＦＥＭによって被圧延材の外表面に発生する円周方向へのせん断ひずみを算出し、ひずみ速度（ｓｅｃ^－１）は、ひずみ／傾斜圧延時間（ｓｅｃ）から算出した。

圧延された中空素管の長手方向の中央部の管軸方向垂直断面（円周断面）を観察することで図７に示すような欠陥（人工欠陥）の欠陥長さ、欠陥深さを調査した。
ここで、欠陥長さとは、疵の開口部（外周面端部の点ａ、点ｂのうち疵の先端（最奥部）からより離れた位置に存在する点ａ）から疵の先端（最奥部）までの長さ（管軸方向垂直断面における疵の最長長さ）のことを指す。
また、欠陥深さとは、図７に示すように、上記欠陥長さを有する線を斜辺とする直角三角形のうち、点ａ、点ｂの中点から中空素管の管軸方向垂直断面円中心に向かう線に平行な線を一辺とする直角三角形における該一辺の長さのことを指す。
これらの欠陥長さ、欠陥深さは、いずれも管軸方向垂直断面を切断面とするように切断したサンプルを光学顕微鏡で観察することで測定することができる。
さらに、圧延によって付与された円周方向せん断ひずみは有限要素法によって評価した。
また、有限要素法では解析の安定化のために外径Ｄ：５８ｍｍ×肉厚ｔ：１９．５ｍｍの中空素管を被圧延材とした。なお、表１中、ビレットを被圧延材としたＮｏ．１、２、３、８、９、１０、１３、１５、１６についても、有限要素法での解析においては、被圧延材は中空素管として解析した。

欠陥長さ（人工欠陥長さ）が３．０ｍｍ以下であり、且つ欠陥深さが２．０ｍｍ以下であるものを浅い疵とし、円周方向せん断ひずみは０．４０以下で抑制されるとした。
その結果を表１に示す。
表１から、本発明例では、被圧延材に表面欠陥が形成されていても外面疵を抑制できることを確認できた。
本発明例では、圧延条件を適正化することで、肉厚方向で圧縮する方向にひずみが発生し、圧延後の中空素管の欠陥深さは、被圧延材に付与した欠陥深さ（２．５ｍｍ）よりも小さくなった。

１Ａ、１Ｂ ビレット
２Ａ、２Ｂ 素管
３Ａ、３Ｂ 継目無鋼管
１１、２１ 圧延ロール
１２、２２ プラグ
１００ 回転炉
１１０ ピアサー
１２０ マンドレルミル
１３０ 再加熱炉
１４０ ホットストレッチレデューサー
２００ 回転炉
２１０ ピアサー
２２０ エロンゲーター
２３０ プラグミル
２４０ リーラ―
２５０ 再加熱炉
２６０ サイザー

Claims (2)

1. 継目無鋼管を製造するための傾斜圧延方法であって、
   被圧延材から中空素管を得る傾斜圧延方法であり、
   傾斜圧延の際に前記被圧延材の外表面に付与される円周方向へのせん断ひずみが形成される速度であるひずみ速度が、０．２５ｓｅｃ ^－１ 以上０．４１ｓｅｃ ^－１ 以下を満たし、
   以下の式（１）および式（２）を満たす、
   傾斜圧延方法。
   ０．８７×Ｄ≦Ｇ≦０．９７×Ｄ ・・・式（１）
   ０．４９×Ｇ≦Ｌ≦０．９２×Ｇ ・・・式（２）
   ここで、式（１）、式（２）において、
   Ｄ（ｍｍ）：被圧延材の管軸方向垂直断面の外径、
   Ｇ（ｍｍ）：被圧延材を挟圧する一対の圧延ロールのロール間隔、
   Ｌ（ｍｍ）：ロール間隔測定位置の管軸方向垂直断面から被圧延材内に挿入されるプラグの先端部までの長さ、である。
2. 請求項１に記載の傾斜圧延方法を用いて継目無鋼管を製造する、継目無鋼管の製造方法。

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