JPH0647125B2 - ３ロールエロンゲータ及び３ロールエロンゲータによるクラツド鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、大外径の金属管材を圧延して小外径の金属素
管を製造する際に、素管のねじれ角度とフレア変形量と
を減少させ得る３ロールエロンゲータ及び該３ロールエ
ロンゲータを用いて高ニツケル合金のような難加工性金
属材を合材管とするクラツド鋼管を製造する方法に関す
る。

（従来の技術） 炭素鋼又は低合金鋼（以下単に鋼材と称す）を母材管と
し、ステンレス、ニツケル、又はニツケル合金を合材管
とするクラツド鋼管は、その優れた耐食性及び機械的性
質を有するので工業的に重要な製品である。特に、高ニ
ツケル合金であるインコロイ８２５、インコネル６２５
等を合材管とするクラツド鋼管は、ラインパイプ用とし
ての需要が増大している。

クラツド鋼管の圧延方法として、マンドレル方式又はプ
ラグ方式による傾斜圧延法がある。この中ではマンドレ
ル方式の傾斜圧延法がクラツド鋼管の圧延に適している
が、この方法でも上記のような難加工性金属材を合材管
とするクラツド鋼管の圧延には問題が多く、工業的に製
造した実績は知られていない。

（発明が解決しようとする課題） 一般の高合金クラツド鋼管の傾斜圧延法による製造にお
ける最大の課題は、圧延中に発生する母材管と合材管と
のはく離と割れとの防止である。はく離と割れの発生に
は、多くの要因があり、かつ各要因が相互に関連してい
るので、その解決は容易でない。

はく離防止に関しては、先ず、母材管と合材管との合せ
面の清浄活性化を図り、次いで合せ面間に残留する空気
を除去する必要がある。空気除去のためには真空処理が
効果的であるが、母材管と合材管との両端部の封溶接部
が、圧延中に破損して気密性が損なわれる可能性が大き
く、むしろ特開昭５７−１０３７９０号に開示されてい
るように、合せ面間の隙間を極力小さくするのが効果的
である。

はく離防止は、上記の処理を採つた後に、十分は圧延比
にて圧延することであり、経験的には、伸長比で１．８
以上となる圧下率で圧延するとよい。ただし圧延比が過
大になると割れの発生を招く。

次に割れ発生防止について考察する。

傾斜圧延法は、割れを発生し易い圧延方法であるが、割
れ発生の要因は次のように考えられる。

(イ)マンネスマン効果と称せられる素材内部に発生する
もみ割れが知られている。これは傾斜圧延によつて、素
材内部において引張り応力を発生するためであり、２ロ
ールの傾斜圧延機で厚肉の管材を圧延する場合に生じ易
い。しかし、３ロールの傾斜圧延機によるマンドレル方
式にて圧延する場合には、もみ割れはほとんど生じな
い。

(ロ)傾斜圧延において発生する圧延管材のねじれに基づ
いて割れが発生すると考えられていた。

圧延管材のねじれの発生要因を説明する。ロールの回転
によつて回転させられる圧延管材の回転速度が、ロール
に接触する軸方向の各位置で異なるためであり、ロール
径対圧延管材外径の比が一定でないことに起因してい
る。

第４図において、１′はロールであり、既知の通り、
１′ａは噛込部、１′ｂはハンプ部、１′ｃはゴージ
部、１′ｄはリーリング部、１′ｅはリリーフ部であ
る。２は管材、３は管材２に挿入されたマンドレルであ
る。同図上では表われていないが、各ロール１′の軸線
は管材２の軸線と交叉して送り角が与えられている。そ
して、リーリング部１′ｄの表面がリリーフ部１′ｅに
向けて円錐状に変化する角をコンバージエンス角と称
す。今、コンバージエンス角が０度であり、圧延管材
２′の各ロール１′間への膨出も非常に小さいと仮定す
ると、ロール１′の最大径は、ゴージ部１′ｃ及びリー
リング部１′ｄであり、噛込部１′ａの径はゴージ部
１′ｃよりハンプ高さｈ分だけ小さい。

一方、圧延管材２′は圧延前の管材２の外径に対し、圧
延後の外径は縮小される。従つて、管材２のロール１′
への入側に比較して、出側のロール１′径対圧延管材
２′径の比が大きくなるために圧延管材２′の回転速度
が速くなつてねじれが発生する。

(a)ねじれ角を小さくする圧延方法として、ロール１′
の送り角を大きくし、かつ１パス当りの圧下量を大きく
して圧延する方法が知られている。例えば、送り角を１
０°〜１５°程度とすれば、ねじれ角をほとんど０とす
ることができるが、圧延管材２′が、圧延されるにつれ
て各ロール１′間に膨出して、フレアリングの発生を増
加させて、むしろ割れ発生を助長する傾向になる。

又、アメリカ特許第２０６０７６７号に開示されている
ように、ロール１′出側のロール径が小さくなるような
負のコンバージエンス角を付与することによつて、管材
２のロール１′への入側と出側との回転速度差を縮小し
て、ねじれ角を減少できるが、やはり、フレアリングが
大きく発生し、割れの発生を防止できない。

(b)フレアリングを小さくする方法としてロール１′出
側の圧延速度を早める方法が提案され、圧延管材２′の
ロール１′の出側のロール径が大きくなるような正のコ
ンバージエンス角を与え、圧延管材２′のロール１′の
出側の速度を速め、引張力を増加させて膨出を軽減す
る。現在の３ロールエロンゲータは、ほとんどこの方式
を採用し、プラス３度程度のコンバージエンス角を与え
ている。

しかし、前記したように、ねじれについては、助長する
ような結果となつている。

(c)しかして、インコロイ８２５、インコネル６２５、
ニツケル等の難加工性金属材料が、ねじれ試験などで低
延性を示すことは良く知られており、又傾斜圧延によつ
て、圧延後の圧延管材２′に大きなねじれ変形が生じ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記の事情を考慮して、本発明者等による実
験の積み重ねの結果で到達したものである。

すなわち、傾斜圧延における割れ発生は、フレアリング
の発生による繰り返し曲げ変形が主要因であり、割れの
発生防止は、このフレアリングの発生軽減が最重要であ
り、ねじれ変形の軽減による割れ発生防止効果は、フレ
アリングが小さい条件の際にのみ生ずることを知得し
た。

上記の状態を実現するために、先ずガイドシユーによる
フレアリング軽減効果に着目した。

傾斜圧延機におけるガイドシユーは、２ロールエロンゲ
ータでは、ガイドシユーを設けないと、圧延管材が径方
向に増大し、圧延できないために設けられているが、ガ
イドシユーによつて圧延管材表面に疵をつける。この疵
を除去するために磨管機が設けられている。ところで、
３ロールエロンゲータでは、ガイドシユーが無くても前
記したようにロールに正のコンバージエンス角を与える
ことによつて圧延可能のために、従来、ガイドシユーは
使用されていなかつた。しかし３ロールエロンゲータに
於ては、ガイドシユーを使用し、その形状や取付位置に
よつてフレアリングをほとんど発生しないことを実験に
よつて知得した。

更に、負のコンバージエンス角を与えたロールを用いる
ことによつて、フレアリングを増大させずにねじれ角を
減少でき、難加工性金属材料を合材管とするクラツド鋼
管を割れ発生すること無く圧延することが可能となつ
た。本願の第１発明の構成は次の通りである。

(1)金属管材にマンドレル又はプラグを挿入して傾斜圧
延法にて圧延する３ロールエロンゲータの各ロールに負
のコンバージエンス角を与え、かつ隣り合う一対のロー
ル間に、金属管材の圧延に伴う各ロール間への膨出を阻
止するガイドシユーを、各ロールを支持するロールスタ
ンドから金属管材の軸線に向けて進退可能に設けた３ロ
ールエロンゲータである。そしてガイドシユーは、金属
管材の軸線に対して傾斜可能とすることができ、又ガイ
ドシユーを各ロールのハンプ部及びリーリング部の間に
位置させるとよい。

第２発明の構成は次の通りである。

鋼材からなる母材管と、ステンレス、ニツケル、ニツケ
ル合金のような難加工性金属材からなる合材管とを嵌合
して二重管とし、該二重管の端部を強固に溶接して管材
とし、該管材にマンドレル又はプラグを挿入して、傾斜
圧延法にて熱間圧延してクラツド鋼管を製造する場合
に、３ロールエロンゲータの各ロールに負のコンバージ
エンス角を与え、かつ隣り合う一対のロール間にガイド
シユーを設けて、圧延中のフレア変形量を圧延管材内径
とマンドレル又はプラグの外径との差がマンドレル又は
プラグの外径の２０％以下とし、かつ圧延に伴うねじれ
変形による変形角度が２０度未満となるように熱間圧延
をする３ロールエロンゲータによるクラツド鋼管の製造
方法である。なお、圧下率を伸長比１．８以上とするの
がよい。

（作用） マンドレル又はプラグを挿入した金属管材を、３ロール
エロンゲータを用いて、傾斜圧延法にて圧延する際に、
各ロールに負のコンバージエンス角が与えられているの
で、ロールの出側の外径と、金属管材の圧延後の外径と
の比が小さくなつており、従つて、各ロールの回転に基
づく、ロールの出側の金属管材の回転速度が比較的低下
し、ねじれ角度が大きくならなく、又ロールを支持する
ロールスタンドから金属管材の軸線に向けて進退可能に
設けたガイドシユーの先端部を金属管材の外径及び金属
管材の圧下後の外径を考慮して適正位置を採らせておけ
ば、金属管材が圧延されて各ロール間へ膨出するのを阻
止し、フレアリングの発生が抑制される。

又ガイドシユーを金属管材の軸線に対して傾斜可能とす
ることによつて、圧延速度等による金属管材の圧延後の
膨出位置にガイドシユーの先端部を合せることができ、
又ガイドシユーを、ロールのリーリング部のみならずハ
ンプ部にまで位置させることによつて、難加工性金属材
の圧下直後の膨出を良好に抑制することができる。

又第２発明によれば、各ロールに負のコンバージエンス
角を与え、かつ隣り合う一対のロール間にガイドシユー
を設けた３ロールエロンゲータを使用して、鋼材を母材
管とし、ステンレス、ニツケル、ニツケル合金のような
難加工性金属材を合材管とする二重管の管材にマンドレ
ル又はプラグを挿入して傾斜圧延法にて熱間圧延してク
ラツド鋼管を製造する場合に、母材管と合材管との組合
せ、又は管材及び圧延管材の外径を考慮して、ガイドシ
ユーのマンドレル又はプラグの外周との位置を選定し、
かつ負のコンバージエンス角を選定して各ロールに与
え、圧延中のフレア変形量を圧延管材内径とマンドレル
又はプラグの外径との差が、マンドレル又はプラグの外
径の２０％以下とし、ねじれ変形による変形角度を２０
度未満となるように熱間圧延する。このように作業をす
ることによつて、割れを発生しないクラツド鋼管が得ら
れる。

なお、圧延は、伸長比１．８以上にて圧延すると母材管
と合材管とのはく離を生じない。

（実施例） 本発明に係るクラツド鋼管の製造方法にも使用される傾
斜圧延用の３ロールエロンゲータを図面に基づいて説明
する。

第１図において、各１はロール、４は各ロール１を支持
するロールスタンド、各５は中間構体、各６はロール制
御装置である。全ロール１で形成する中央空間に、マン
ドレル３が挿入された管材２が挿入されている。管材２
は、鋼材を母材管とし、ステンレス、ニツケル、ニツケ
ル合金のような難加工性金属材を合材管とする二重管か
らなつている。管材２は母材管と合材管との各合せ面を
清浄活性化し、かつ合せ面間の隙間を極力小さくさせて
ある。そして、両端部を強固に封溶接し、送りの終端部
には空気抜き孔を設けてある。なお、母材管と合材管と
は、いずれを外側としてもよい。

第２図にロール１の半裁分の形状を示してある。１ａは
噛込部、１ｂはハンプ部、１ｃはゴージ部、１ｄはリー
リング部、１ｅはリリーフ部であり、ｈはハンプ高さで
ある。そして、リーリング部１ｄは、ゴージ部１ｃから
の負のコンバージエンス角α、本実施例では−７度、で
縮径されている。

次に、隣り合う一対のロール１間に配置されて管材２の
外径と肉厚との圧下に伴う膨出を抑制するガイドシユー
装置を説明する。

７は、ガイドシユーであり、隣り合うロール１の中間に
位置するようにロールスタンド４の内周面から突出し、
かつ第２図に示すようにロール１のリーリング部１ｄか
らハンプ部１ｂに亘つて対向して位置し、管材２の圧下
に伴う膨出を抑制する。７ａは先端が、ガイドシユー７
の中心部に固定されたガイドシユー軸である。８はめね
じが螺刻され、外周がロールスタンド４の通孔内側に固
着されたナツト部材である。

９は、ロールスタンド４を貫通する中空軸であり、ガイ
ドシユー軸７ａが摺動可能に挿通され、その外周に螺刻
したおねじが、ナツト部材８に螺合し、かつ先端部は、
放射状に設けられた三角歯部９ａにて、ガイドシユー７
の環状面に形成した同形の三角歯部と離脱可能に噛合し
ている。１０はウオーム歯車装置であり、ウオーム歯車
１０ａは中空軸９の外周とスプライン結合しており、中
空軸９はウオーム歯車１０ａに対し、軸線方向に移動可
能である。

１１は、ガイドシユー軸７ａの基端側の中空軸９からの
突出部にキー１１ａにて固定された平歯車である。

平歯車１１は回転軸１２ｂに固定されたピニオン１３と
噛合して、モータ１２にてカツプリング１２ａを介して
結合された回転軸１２ｂによつて回転駆動される。

１４はガイドシユー軸７ａの基端部に設けられた油圧シ
リンダ装置であり、外部からの圧油の給排によつてガイ
ドシユー軸７ａを軸線方向に前後動させ得る。

１５，１６は中空軸９を回転自在に支承するプツシン
グ、１７はウオーム歯車１０ａを回転自在に支承する軸
受、１８は回転軸１２ｂを回転自在に支承する軸受、２
０は、ロールスタンド４を床面に支持するスタンド支え
である。

ガイドシユー装置は、上記のように構成されており、ガ
イドシユー７の圧延管材２′に対する位置決めは、次の
ようになされる。

先ず、ガイドシユー７を管材２の軸線方向に進退させる
場合を説明する。

ガイドシユー７が中空軸９と三角歯部９ａにて噛合して
いる状態で、ウオーム歯車装置１０を作動させてウオー
ム歯車１０ａを回動させれば、ウオーム歯車１０ａとス
プライン結合し、ロールスタンド４に固定したナツト部
材８と螺合する中空軸９が回動し、ナツト部材８に対し
て螺入又は螺出するので、ガイドシユー７に圧延管材
２′に対する適正位置を採らせることができる。なおそ
の際、平歯車１１はピニオン１３の歯形面上を摺動し、
油圧シリンダ装置１４内のピストンも若干移動する。

次に、ガイドシユー７を回動させて管材２、すなわち圧
延管材２′の軸線方向に対して傾斜させる場合を説明す
る。

ガイドシユー７が中空軸９と三角歯部９ａにて噛合して
いる状態から油圧シリンダ装置１４に外部より圧油を導
入してピストンに往き作動させ、前記の噛合状態を解除
させる。そしてモータ１２を作動させてピニオン１３に
て平歯車１１、ひいてはガイドシユー軸７ａを回動させ
て、ガイドシユー７に適正な傾斜位置を採らせた後に、
油圧シリンダ装置１４の圧油を排出する等して、帰り作
動させ、ガイドシユー７と、中空軸９とを三角歯部９ａ
にて結合して位置決めする。

次に作用を説明する。

３個のロール１が形成する中央空間に、マンドレル３を
挿入した母材管と合材管とからなる二重管である管材２
を挿入し、圧延に伴う管材２の縮小される外径を考慮し
て、ウオーム歯車装置１０、油圧シリンダ装置１４、モ
ータ１２等を作動させて、各ガイドシユー７をリーリン
グ部１ｄからハンプ部１ｂに亘つて各ロール１に対向さ
せて位置させ、かつ圧延速度等により生ずる膨出のねじ
れ状態に対応させて、油圧シリンダ装置１４、モータ１
２を作動させてガイドシユーに、圧延管材２′の軸線に
対して傾斜位置を採らせ、各ロール１を回転駆動させ、
伸長比１．８以上となる適当な圧下率で圧延すれば管材
２は、外径と肉厚とが圧下されて、母材管と合材管とが
圧着され、各ロール１から送り出される。その際に、圧
延管材２′は、圧延に伴つて、各ロール１間に膨出して
フレアリングを形成しようとするが、各ガイドシユー７
によつて、その膨出が抑制される。又各ロール１はリー
リング部１ｄがゴージ部１ｃからの負のコンバージエン
ス角で縮径されており、管材２の圧延による外径の縮小
に対応して、各ロール１が接触するリーリング部１ｄの
外径がロール１の出側に向けて次第に縮小されているの
で、圧延後の圧延管材２′の回転速度は、従来に比して
減速してねじれ角を減少させる。

以下に、具体例を説明する。

母材管は、外径１９４mm、肉厚１２mm、長さ３ｍ０００
mmの炭素鋼管を用い、内面を５μの荒さにバフ研磨し
た。他方、合材管は、外径１６５mm、肉厚４mm、長さ３
ｍ０００mmのインコロイ８２５管および同一形状のイン
コネル６２５管を用意し、外面を５μの荒さに研磨し
て、前記母材管に挿入し、両端を母材管に固定するため
に、強固に端部を封溶接し、それぞれ、インコロイ８２
５クラツド鋼管用、インコネル６２５クラツド鋼管用の
二重管とした。該二重管の母材管と合材管との間隙を小
さくするために、合材管を水圧で拡管し、該間隙を直径
差で１mm以下として管材２とした。なお、管材２には、
圧延後のねじれ角が知られるように、ステンレスの溶接
ビートで母材管表面に、軸線方向に点付け溶接した。

上記の管材２を１２００℃で１時間加熱した後、第１図
に示される３ロールエロンゲータで、圧延条件を種々変
化させ、又圧延途中での圧延管材２′の膨出状況が知ら
れるように、終了端で噛み止まるように圧延を実施し
た。圧延後のクラツド鋼管は、超音波探傷器で、割れ、
はく離等を調査すると共に、内径増加率、ねじれ角度を
調査した。

第３図には、ガイドシユーによるフレアリング発生軽減
効果を示し、横軸にハンプ部からの距離、縦軸に圧延管
材２′の内径を採つてある。

(イ)はマンドレル３の径、 (ロ)はガイドシユー７の位置（マンドレル３の外径と圧
延管材２′の膨出抑制のためのガイドシユー先端で形成
する仮想円周の直径との差）１５mm、 (ハ)はガイドシユー７の位置２０mm、 (ニ)はガイドシユー７の位置２５mm、 (ホ)はガイドシユー７なし、 の場合をそれぞれ示し、マンドレル３にガイドシユー７
を接近させると圧延管材２′の膨出が小さいことが知ら
れる。

第１表に各種の測定結果を示し、次のことが知られる。

(イ)管材の熱間圧延による圧下率が伸長比１．８以上で
は、母材管と合材管とのはく離を生じない。

(ロ)ロールにコンバージエンス角のない場合は、ガイド
シユー７の位置がマンドレル３の外径から比較的離れて
いない場合（２０mm）でもねじれ角が３２度（２０度以
上）となり、割れを生じた。

(ハ)ロールに−７度のコンバージエンス角を与えた場合
でも、ガイドシユー７の無い場合は内径増加率２４％、
２６％（２０％超）となり、割れを生じた。

(ニ)ロールに−５度のコンバージエンス角を与えた場合
でも、ガイドシユー７の位置がマンドレル３の外径から
比較的離れている場合（２５mm）にはねじれ角２６度、
２０度（２０度以上）となり、割れを生じた。

以上の結果に基づいて、第２発明の構成に於ける圧延中
のフレア変形量を圧延管材内径とマンドレル又はプラグ
の外径との差がマンドレル又はプラグの外径の２０％以
下とし、かつ圧延に伴うねじれ変形による変形角度が２
０度未満という数値限定がなされたものである。

そして、管材の外径の大小、合材の材質及び厚さ、更に
は、圧下量等に応じて上記の限定数値が得られるよう
に、ロールの負のコンバージエンス角及びガイドシユー
の位置が決定される。

なお、本発明に係る３ロールエロンゲータは難加工性金
属単体からなる管材の圧延にも適用されることは勿論で
ある。

（発明の効果） 本発明になる３ロールエロンゲータにて金属管材を傾斜
圧延法にて圧延すれば、ねじれ角を減少させ、かつフレ
アリングを発生を抑制して、金属管材に割れを発生させ
ることなく圧延でき、特に、ステンレス、ニツケル、ニ
ツケル合金のような難加工性金属材を合材管とするクラ
ツド鋼管がはく離せず、かつ割れを生ずることなく製造
されるようになつた。ロールに負のコンバージエンス角
を積極的に付与すれば、圧延荷重を増加することなく管
材へのロールの噛込部の接触長を長くすることができ、
その結果、ロールの管材噛込力つまり摩擦力による管材
押込力の軸方向分力を増加できる。これは、管材の噛込
部の出側における周方向の滑りが負のコンバージエンス
角によつて減少でき、摩擦力に基づく軸方向分力の減少
を防止できることに起因する。なお、送り角の増加によ
つても噛込力を増加できるが、送り角を増加すると、圧
延荷重が著しく増大することが判明している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明になる３ロールエロンゲータの実施例
を一部切開して示す、第２図は、同じく、ロールとガイ
ドシユーとの関係を示す図、第３図は、ガイドシユーに
よるフレアリング発生軽減効果を示す線図、第４図は、
従来の３ロールエロンゲータによる管材の圧延を説明す
る図である。 １：ロール、１ａ：噛込部、１ｂ：ハンプ部、１ｃ：ゴ
ージ部、１ｄ：リーリング部、２：管材、２′：圧延管
材、３：マンドレル（又はプラグ）、７：ガイドシユ
ー。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属管材にマンドレル又はプラグを挿入し
   て傾斜圧延法にて圧延する３ロールエロンゲータの各ロ
   ールに負のコンバージエンス角を与え、かつ隣り合う一
   対のロール間に、金属管材の圧延に伴う各ロール間への
   膨出を阻止するガイドシユーを、各ロールを支持するロ
   ールスタンドから金属管材の軸線に向けて進退可能に設
   けたことを特徴とする３ロールエロンゲータ。
2. 【請求項２】ガイドシユーを、金属管材の軸線に対して
   傾斜可能とした請求項(1)記載の３ロールエロンゲー
   タ。
3. 【請求項３】ガイドシユーを各ロールのハンプ部及びリ
   ーリング部の間に位置させた請求項(1)又は(2)記載の３
   ロールエロンゲータ。
4. 【請求項４】鋼材からなる母材管と、ステンレス、ニツ
   ケル、ニツケル合金のような難加工性金属材からなる合
   材管とを嵌合して二重管とし、該二重管の端部を強固に
   溶接して管材とし、該管材にマンドレル又はプラグを挿
   入して、傾斜圧延法にて熱間圧延してクラツド鋼管を製
   造する場合に、３ロールエロンゲータの各ロールに負の
   コンバージエンス角を与え、かつ隣り合う一対のロール
   の間にガイドシユーを設けて、圧延中のフレア変形量を
   圧延管材内径とマンドレル又はブラグの外径との差が、
   マンドレル又はプラグの外径の２０％以下とし、かつ圧
   延に伴うねじれ変形による変形角度が２０度未満となる
   ように熱間圧延をすることを特徴とする３ロールエロン
   ゲータによるクラツド鋼管の製造方法。
5. 【請求項５】管材の熱間圧延による圧下率を伸長比１．
   ８以上とする請求項(4)記載の３ロールエロンゲータに
   よるクラツド鋼管の製造方法。