JPH06190408A - 継ぎ目無し鋼管の製造設備及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧延困難な材料を容易に圧延し製造する継ぎ
目無し鋼管の製造。 【構成】 マンドレルミルの肉厚減少量は従来１２mm程
度であったが、それでは圧延困難な材料に対しては大き
過ぎるため穴明きなどの圧延欠陥を生じていた。さら
に、穿孔機のガイドシュー焼き付き疵発生のため屑とな
る割合が高かった。その改善のためにはマンドレルミル
の肉厚減少量を小さくしその分傾斜延伸圧延機での肉厚
減少量を増加すること及び穿孔機の出側肉厚を増加させ
ることが必要であり、それを可能とする設備は、肉厚圧
下圧延機として穿孔機・３ロール縮小型交叉傾斜圧延機
・マンドレルミルから構成される設備配置列。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、継ぎ目無し鋼管を圧延
する圧延機群の配列及び各圧延機における圧下配分、特
に、高合金鋼継ぎ目無し鋼管のマンドレルミル圧延によ
る製造設備及び製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より小径管（外径１７０mm程度以
下）の製造にあたってはマンドレルミルを使用すること
が主流であるが、近年においては小径管に留まらず外径
３００mm程度の中径管の製造にあたっても従来のプラグ
ミルに代わりマンドレルミルを使用することが主流とな
ってきている。その理由は、最終肉厚圧下圧延機であ
り内面工具としてよく潤滑されたバーが使用可能である
ため管の内面品質が良好である。連続圧延であり生産
性が高い。という２点に集約できる。

【０００３】又継ぎ目無し鋼管は使用環境の過酷化に伴
いステンレス継ぎ目無し鋼管の需要が増大しており、従
来の熱間押し出し法による製造では生産性が低くかつ大
径長尺管の製造が困難であるためマンドレルミルにおい
てもステンレス継ぎ目無し鋼管が製造されてきている。

【０００４】従来のマンドレルミルを用いる継ぎ目無し
鋼管製造設備配列を表１に示す。穿孔機の直後にマンド
レルミルを配置している番号１が一般的であるが、番号
２〜４番のように穿孔機とマンドレルミルとの間に２ロ
ールマンネスマンエロンゲーター、ディッシャーミル或
は３ロールアッセルミルを配置している場合もある。
尚、図１（ａ）には番号１に対応する設備列の例を又、
図１（ｂ）には番号２に対応する設備列を、図１（ｃ）
には番号３に対応する設備列を、図１（ｄ）には番号４
に対応する設備列をそれぞれ示している。

【０００５】

【表１】

【０００６】又、表１に示す圧延機列における各圧延機
の肉厚圧下量の例は表２に示す通りである。穿孔素材と
して外径３１０mmのビレットを使用する場合の穿孔機に
おける最大肉厚減少量は１３３mmでありこの時穿孔機出
側の肉厚・外径比は７％に相当している。又、マンドレ
ルミルにおける圧下量は１２mm程度が一般的である。

【表２】

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】第１の課題は、マンド
レルミルにおいて発生する穴明きと呼ばれる欠陥を無く
すことである。マンドレルミルにおいて圧延材は、図２
に示すようにロールカリバーとバーとにより圧下される
部位（図２中ａ部）とそれ以外の拘束されない部位（図
２中ｂ部）が同程度であり、拘束されない部位の変形
（図２中ｂ部）はそれ以外のロールカリバーとバーとに
より圧下される部位（図２中ａ部）の変形に支配され
る。第１スタンドと第２スタンドにおける材料の変形を
例にとりマンドレルミルにおける材料の変形についてさ
らに詳しく述べる。

【０００８】図３において第１スタンドのロールカリバ
ーとバーにより圧下された部位（ａ部）の肉厚は当然そ
れ以外の部位（ｂ部）より薄くなる。第２スタンドにお
いては第１スタンドにおいて肉厚の厚い部位（ｂ部）が
ロールカリバーとバーとにより圧延されるわけであるが
この第２スタンドにおけるｂ部の変形により第１スタン
ドでｂ部に対し既に薄肉となっていたａ部の伸びはｂ部
の伸びより小さいもののａ部は自由変形の状態で相応の
引っ張り力を受けることになる。この引っ張り力が材料
の破断限界を超える場合には圧延後の材料に図４に示す
穴明きと呼ぶ欠陥を生じることがある。

【０００９】上記欠陥の発生は材料独自の伸びに対する
対応力（熱間加工性）とマンドレルミルにおける圧下条
件に支配され、マンドレルミルにおける肉厚圧下量が通
常の１２mm程度の場合普通鋼の圧延において穴明き欠陥
の発生は皆無であるが、１３％Ｃｒ鋼以上の高合金鋼に
なるとその発生比率は高くなり、特にマンドレルミル圧
延後の肉厚が５mm以下のような薄肉の場合には穴明き欠
陥の発生比率は５０％を超える。即ち高合金鋼のマンド
レルミル圧延においては図４に示す穴明き欠陥をいかに
なくすかが重要な課題である。

【００１０】第２の課題はマンネスマン傾斜穿孔機にお
けるガイドシューへの圧延材料の焼き付きである。これ
は一旦発生するとガイドシューを交換しない限り防止で
きず、製品の外面品質不良となり製品での手入れでは救
済できない程大きいため殆どが屑となってしまう。ガイ
ドシューの型式としては図５に示す３通りがある。その
中で（ａ）の固定シュー１１では１３％Ｃｒ鋼の場合で
圧延１０本程度で交換が必要となる。（ｂ）のディスク
ガイドシュー１２では１３％Ｃｒ鋼以上の高合金鋼（二
相ステンレス鋼など）において圧延開始より発生するこ
とがある。（ｃ）のドライブローラーシュー１３は焼き
付きの発生はないものの、薄肉材に対しては使用できな
いというそれぞれの欠点を有している。

【００１１】既存技術の中で安定して製品外面品質を良
好にするためには、（ｃ）のドライブローラーシューを
用いる必要があるが、この場合ガイドシュー本来の目的
である材料の抑えが充分でないため特に薄肉になるとロ
ールとシューとの間に材料が入り込みやすくなる。その
ため穿孔出側寸法は肉厚・外径比で１５％以上が限界で
あった。又、ガイドシューを必要としないプレスロール
方式においては、ガイドシューを必要としないため焼き
付き疵発生の課題はないが、もともと穿孔出側寸法は肉
厚・外径比が２５％程度と厚肉である。従って、高合金
鋼の製造において品質良く成品を製造するためには、穿
孔機出側寸法を肉厚・外径比で１５％以上の厚肉とする
必要がある。

【００１２】上述のように高合金鋼の穿孔を経済性良く
行うためには厚肉穿孔が有効であるが、マンドレルミル
における肉厚圧下量は１５mm程度が最大であるため従来
と同等の薄肉製品を製造しようとする場合は、穿孔機と
マンドレルミルの中間に延伸機が必要となる。例えばマ
ンドレルミル出側で外径２８０mm、肉厚７mmの管を製造
する場合、従来は穿孔出側外径３１０mm、肉厚２２mmで
あったものが第２の課題解決のため穿孔出側材料の肉厚
・外径比を１５％以上とするために穿孔出側肉厚は４７
mmを最薄肉とする必要が生じる。その場合マンドレルミ
ルでの肉厚圧下量は４０mmとなるため穿孔機とマンドレ
ルミルとの間に延伸機を配し肉厚を４７mmから２２mmま
で薄くすることが必要となる。即ちこの延伸機出側にお
いては外径３１０mm、肉厚２２mmを製造することにな
る。従って、肉厚圧下量２５mm程度が可能であり、かつ
マンネスマン穿孔機の薄肉限界である肉厚・外径比１５
％を超えた薄肉である肉厚・外径比７％を製造する必要
がある。従来マンドレルミルを用いる継ぎ目無し鋼管圧
延設備に使用されている中間延伸機の特徴を表３に示
す。

【００１３】

【表３】

【００１４】内面工具がプラグである２ロールマンネス
マンタイプの場合、肉厚圧下量は厚肉穿孔を補う量であ
る２５mmは充分可能であるが出側肉厚・外径比が７％の
管を圧延する場合ガイドシューとしてドライブローラー
シューが使用できないことは穿孔機の場合と同様であ
り、高合金鋼圧延における延伸機として使用する場合ガ
イドシューへの材料焼き付きが生じ課題の解決とはなら
ない。次にディッシャーミルの場合は、ガイドシューが
ディスクタイプであるため焼き付きの課題が解消できず
これもまた高合金鋼圧延における延伸機としては不適確
である。さらに、アッセルミルは３ロールのためガイド
シューが不要である。従って、ガイドシューへの焼き付
きによる製品品質不良の課題はないが、薄肉になると管
後端が３ロールの隙間にはみ出しアッセルミルからの抜
け出しを困難とするため、出側寸法において肉厚・外径
比は１２．５％程度が限界とされている。従ってこれま
た高合金鋼圧延における延伸機としては不適確であり、
従来マンドレルミルを用いる継ぎ目無し鋼管圧延設備に
使用される延伸機は高合金鋼の圧延を良好に行うために
は適確でない。従って、第２の課題は穿孔機とマンドレ
ルミルの中間に２５mm以上の肉厚圧下が可能で肉厚・外
径比７％以下の薄肉管を圧延可能とする延伸機の型式を
どのようにするかという課題に転化される。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の２種の課題を解決
するために本発明者はマンドレルミルにおける穴明きを
解決し穿孔機ガイドシューへの圧延材焼き付き発生を解
消するため、穿孔機においては厚肉穿孔としかつマンド
レルミルにおいては軽圧下を実現することが必要であ
り、その実現のため穿孔機とマンドレルミルの間に３ロ
ール縮小型交叉傾斜圧延機を配する圧延設備列を創案す
るに至った。

【００１６】第１の課題解決のため発明者はマンドレル
ミルにおける負荷に着目した。即ち、穴明きが発生する
のは圧延時のロールフランジ部（図３中ｂ部）において
必要な延伸に材料が耐えられず破断をおこすためである
と判断しその限界を明らかにした。図６にはマンドレル
ミルにおける圧下量に対する穴明き発生比率を表してい
るが、これよりマンドレルミルにおける圧下量は最大
６．０mmが限界であることがわかる。さらに、図７には
マンドレルミルの圧下量に対するマンドレルミル出側材
料の内面粗度を示している。マンドレルミルは内面品質
が良好であることが１つの特質でありこの特質を確保す
る場合内面粗度はマンドレルミル出側においては２０ｓ
程度以下の粗さを必要とされており、そのためには最低
０．５mmの圧下量が必要であることを示している。従っ
て高合金鋼をマンドレルミルにおいて品質よく圧延する
ための肉厚圧下量は０．５mm以上６．０mm以下とする必
要がある。

【００１７】次に延伸機の型式を決定する必要がある
が、第１の課題解決のためにマンドレルミルにおける肉
厚圧下量を従来より少なくすべきであるためマンドレル
ミルの素管は従来に比べ薄肉とする必要がある。前記マ
ンドレルミル出側において外径２８０mm、肉厚７mmの製
品を製造するにあたり、従来マンドレルミル素管は外径
３１０mm、肉厚２２mmであったが、マンドレルミルでの
肉厚圧下量を最大６mmとするためにはマンドレルミル素
管の肉厚は１３mm以下が必要となり、この時肉厚・外径
比は４．２％以下が必要となる。このように第１の課題
を解決しつつ第２の課題を解決する延伸機の型式選定は
従来以上に薄肉圧延が可能であることが要求される。

【００１８】従ってマンドレルミルの中間に配する延伸
機として具備すべき条件は以下に示す通りとなる。 １）肉厚圧下量２５mm以上可能であること。 ２）肉厚・外径比４．２％以下が可能であること。 ３）１），２）を達成するにあたり新たな問題を生じな
いこと。

【００１９】これらの条件を満足する中間延伸機を選定
していくことになるが、マンドレルミルのように圧延方
向と材料進行方向が同一である場合は肉厚圧下量２５mm
は達成できないため、圧延方式は傾斜圧延となる。ま
た、内面工具をプラグとした場合プラグ１個で圧延２５
本程度で寿命となる。穿孔機の場合は内面工具はプラグ
とするしか方法がないため、現状の技術ではプラグ１個
で圧延１０本以下の寿命で余儀なくされているが延伸機
の場合はバーが使用可能でありバーにすることにより寿
命は飛躍的に増加する。従って内面工具はバーとすべき
である。そこで延伸機はバーを用いる傾斜圧延機とな
る。また、肉厚・外径比が４．２％以下となる場合、先
に示したように現状の技術では焼き付きの発生しないガ
イドシューが選定できないため、ロール数を３以上とし
ガイドシューを不要とする。

【００２０】傾斜圧延機で肉厚減少量を多くかつ薄肉を
圧延する場合管軸方向の材料流れをいかに確保するかが
重要な点である。図８には３ロールの傾斜圧延機（図１
（ｄ）に示すアッセルミル）において圧延材が断面内で
どのような変形をしているかを示しており、管周方向に
材料が流れやすい場合である。この場合材料は１個のロ
ールで圧延された後大きく膨らみ次のロールに噛み込ま
れるため材料外表面に疵を発生しやすくかつ薄肉管にお
いては管の後端がロール間に引っ掛かるため圧延不良と
なりやすい。従って材料の軸方向への送り角（図９中α
で示している）を大きくすることにより材料を軸方向に
流れやすくし周方向への大きな膨らみをなくすことが重
要であり、それにより外面疵の発生を抑えると共に薄肉
材の安定圧延が可能となる。

【００２１】次に重要な点は管断面内外表面の剪断歪を
小さくすることである（図１０中γで示している）。こ
の表面の剪断歪は管の回転方向速度とロール表面の管周
方向速度成分に差がある場合ロールが材料を捩じろうと
する力に対し管は全長が一体となって同一の回転数で回
転しようとするため管外表層のみがロール速度に追随し
ようとするために発生する。内面工具にバーを用いる場
合肉厚圧下を行うためには図１１に示すように管外径は
管進行方向に向かって小さくすることが必要であり（Ｄ
ｉｎ＞Ｄｏｕｔ）、ロール表面の周速度を圧延進行方法
に向かって小さくすることにより管軸方向の任意の点に
おいて管周方向の速度と同一となり得ることができる。
従ってロール形状は管進行方向に向かってロール径が縮
小する縮小型でなければならない。

【００２２】また、ロール形状が縮小型である場合肉厚
圧下を行うためには当然ロール軸心は管出側でパスライ
ンに近づく交叉式でなければならない。この縮小型交叉
傾斜圧延機においてロール軸心がパスラインとなす交叉
角を３０度程度に選定すれば、ロール傾斜角は９度程度
と小さくし安定した材料のロールへの噛み込みを確保し
つつ材料の送り角（図９中α）は２５度程度とすること
ができる。このため管の周方向への膨張も最小限に抑え
ることができ、外面疵の発生をなくすと共に薄肉管の圧
延を可能にできる。発明者らの実験では延伸機出側にお
いて肉厚・外径比３％を達成している。最大肉厚圧下量
２５mmも充分達成している。

【００２３】

【作用】本発明は、穿孔機の後面に３ロール縮小型交叉
傾斜圧延機を配しその後面にマンドレルミルを配する継
ぎ目無し鋼管圧延設備であり、かつ穿孔機出側肉厚・外
径比を１５％以上とし、マンドレルミルにおける肉厚圧
下量を０．５mm以上６．０mm以下とすることにより１３
％Ｃｒ鋼などの高合金鋼であっても品質よく圧延可能で
ある。尚、穿孔機と３ロール縮小型交叉傾斜圧延機の間
或は３ロール縮小型交叉傾斜圧延機とマンドレルミルと
の間、または穿孔機と３ロール縮小型交叉傾斜圧延機の
間及び３ロール縮小型交叉傾斜圧延機とマンドレルミル
との間に拡管のための圧延機或は縮管のための圧延機を
導入しても上記作用が損なわれることは一切ない。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例を以下に説明する。図１２は
本発明による継ぎ目無し鋼管圧延設備列である。加熱炉
で加熱されたビレットは穿孔機で穿孔された後、３ロー
ル縮小型交叉傾斜圧延機にて延伸圧延された後マンドレ
ルミルにて仕上げ圧延される。その後サイザーミルにて
外径のみ成形された後精製工程に送られる（図示せ
ず）。

【００２５】ここで用いている穿孔機はよく知られてい
るマンネスマンタイプの傾斜圧延機であり、ガイドシュ
ーはドライブローラーガイドを用いている。また、マン
ドレルミルは４スタンドのミルでありバーは圧延終了後
ミル入り側に戻され同時に圧延材は３ロール２スタンド
のエキストラクターによりミル後面に送られる。さら
に、３ロール縮小型交叉傾斜圧延機は特公昭５７−１３
２２号公報に示されている圧延装置に類似するが、３個
のロールは各々駆動軸・減速機を介して電動機により駆
動される。即ち、特公昭５７−１３２２号公報にあるよ
うな公転機構はなくともよい。

【００２６】その設備列を用いて実際に圧延を行った。
圧延対象材料は１３％Ｃｒ鋼であり、マンドレルミル出
側サイズは２８０φ×７．０mmt である。図１３には従
来法と本発明による圧下配分を示し各圧延機出側におけ
る寸法も併記している。そこで得られた管は従来マンド
レルミルにおいて発生していた穴明き、或は穿孔機にお
いて発生していた焼き付きによる製品外面疵の発生は一
切なく品質の良好な管を得ることができた。尚、２２％
Ｃｒ鋼或はオーステナイト系ステンレス鋼においても１
３％Ｃｒ鋼と同様の結果を得ている。

【００２７】

【発明の効果】図１４に１３％Ｃｒ鋼製造において本発
明と従来法による穴明き欠陥発生率の差を示す。従来、
高い発生率であった穴明きは皆無となり、顕著な効果が
ある。さらにガイドシューへの焼き付き発生も皆無であ
り、２２％Ｃｒ鋼、オーステナイトステンレス鋼などの
高合金鋼を品質よく製造可能となった。また、ガイドシ
ューの焼き付き発生が皆無となり、その交換に要する時
間或はマンドレルミルにおける穴明き欠陥発生材の処理
に要していた時間が不要となり生産性も向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】マンドレルミルを有する継ぎ目無し鋼管圧延設
備列。

【図２】マンドレルミルを有する継ぎ目無し鋼管圧延設
備における肉厚圧下配分。

【図３】マンドレルミルに第１，第２スタンドにおける
肉厚圧下状況。

【図４】穴明きを説明する図。

【図５】ガイドシューの型式を説明する図。

【図６】マンドレルミルの圧下量に対する穴明き発生比
率。

【図７】マンドレルミルの圧下量に対する最大内面粗
度。

【図８】３ロール傾斜圧延機における圧延中の断面形状
を説明した図。

【図９】材料送り角の説明図。

【図１０】断面内剪断歪を説明する図。

【図１１】内面工具としてバーを使用した場合の軸方向
肉厚圧下状況を示した図。

【図１２】本発明の継ぎ目無し鋼管圧延設備列を説明す
る図。

【図１３】継ぎ目無し鋼管圧延設備列において従来法と
本発明における肉厚圧下配分を示した図。

【図１４】本発明による穴明き発生率を示した図。

【符号の説明】

１ 穿孔機 ２ マンドレルミル ３ ２ロールマンネスマンエロンゲーター ４ ２ロールディッシャーミル ５ ３ロールアッセルミル １１ 固定ガイドシュー １２ ディスクガイドシュー １３ ドライブローラーガイドシュー １５ 穿孔機主ロール ２１ マンドレルミル主ロール ２２ マンドレルバー（マンドレルミル） ２３ マンドレルミル圧延中のシェル ５１ アッセルミル主ロール ５２ マンドレルバー（アッセルミル） ５３ アッセルミル圧延中のシェル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱炉において所定温度に加熱された鋼
   片を穿孔、圧延し所定の外径・肉厚を得る継ぎ目無し鋼
   管製造設備において、内面工具を有する圧延機として穿
   孔機の後面に３ロール縮小型交叉傾斜圧延機を配し、そ
   の後面にマンドレルミルを配することを特徴とする継ぎ
   目無し鋼管の製造設備。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の継ぎ目無し鋼管製造設
   備による継ぎ目無し鋼管製造方法において、マンドレル
   ミルにおける肉厚減少量を０．５mm〜６．０mmとするこ
   とを特徴とする継ぎ目無し鋼管の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の継ぎ目無し鋼管製造設
   備による継ぎ目無し鋼管製造方法において、穿孔機出側
   における素管の肉厚・外径比を１５％以上とすることを
   特徴とする継ぎ目無し鋼管の製造方法。