JPS5829164B2 - 管圧延法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は大径継目無金属管の圧延法に関するものである
。

従来の大径継目無金属管（例えば継目無鋼管）の圧延法
としてはピルガ−ミル圧延法ｐよびロータリーエクスパ
ンダ−法があった。

ここで大径とは鋼管業界で一般に使われているのと同じ
く、はぼ外径１６インチ以上を指す。

ピルガ−ミル法は厚内中空素管にマンドレルを通し、特
殊なカリバーを切った２重ロール圧延機にかいて、ロー
ルによって材料を入側へ押し戻しながらマンドレルとの
間で管の肉厚を鍛造圧延する方法である。

この方法では管の外径は圧延によりかなり小さくなるた
め、成品外径よりかなり大きな素管外径を必要とする。

従って、既設の中径管製造設備を大径管の製造が可能な
様に改造しようとする場合は、造塊工場、分塊圧延工場
釦よび鋼管圧延工場のピルガ−□ル以前は大径用に全面
的にサイズアップが必要であり、勿論ピルガ−ミル以降
のサイズアップも必須である。

現状技術レベルでのピルガ−ミル法による生産高は、ピ
ルガ−ミルの能力により月産１０，０００トン以下の小
規模な工場に限定されてかり、この程度の生産量のため
に造塊工場以下の全ラインを新設筐たは大改造を行なう
ことはコストアップを筐ねくので好ましくない。

また連続鋳造によって安価で良質の管材を供給しようと
しても、鋼の場合では現状技術レベルでは鋳片の品質の
点から制限を受け、この断面からはピルガ−ミル圧延法
では１６ 以上の大径管を得ることは出来ない。

一方、ロータリーエクスパンダ−法は、中肉または薄肉
の中空素管を、１駆動している２個のきのこ状ロールと
、両者の中間に配置した５駆動していない円錐形プラグ
の間で管壁をらせん状に圧延して薄肉とし、外径を最大
１．５倍程度まで拡大する方法である。

この方法では例えば外径１６／／から２４／／の管に昔
で圧延できるので、中径管製造設備を有する場合はロー
タリーエクスパンダ−以降の設備改造すたは増設で済む
ことになり、設備投資額は比較的小さくて済む。

またこの方法はピルガ−ミル法に対して大量生産も可能
であるが、そのロール直径は１．５ｍを超える大きなも
のとなり、ロールの支持は圧延機の構造上片持ち梁とな
らざるを得ないから、ミル剛性が小さく、これを防ごう
とすれば巨大な圧延機とならざるを得ない。

他方、この種の設備では月産３０，０００）ン程度筐で
生産可能である。

しかしながら、このロータリーエクスパンダ法に釦いて
さらに生産規模を拡大しようとすれば、サイズ、速度の
増大のために駆動源、設備構造が巨大なものとならざる
を得ないのみか、解決しなければならない未解決の問題
を多く有しているという欠陥がある。

さらにロータリーエクスパンダの構造はパスセンタライ
ンに対してロール１駆動軸が約６０の角度を以って位置
しているという特殊な関係にあり、かつ圧延機の出側か
ら駆動するため、設備占有面積が極めて広くなるだけで
なく、圧延後の管の次工程への輸送距離が長くなること
による温度低下が著るしく、次工程での加工が困難とな
る。

さらにロータリーエクスパンダーにおいてハ、管の変形
は単なる幾何学的な形状変化の他に、材料内部に釦ける
付加的な 断変形が著るしく、これが、消費エネルギー
の増大、ミル剛性の不足、庇の発生、管の寸法精度の悪
化を助長している。

かかる従来法の欠点は、大きな圧延ロールとそれを、支
持する圧延機の構造、さらには管の変形に必要なエネル
ギーを管と外接する圧延ロールのみによって供給したこ
とに負うところが太きい。

本発明は従来法のこれらの欠点を詳細に検討し、全く新
らしい管圧延法を提供するに至ったものであり、従来法
に対して次の長所を有する。

■中径用素材を使用して該工程で拡管するので穿孔機以
前の工程はほぼ中径用設備の１１でよい。

■圧延能力は従来法を凌ぐものである。

筐た設備はコンパクトにできる。

■ロータリーエクスパンダーと比較して、材料内部に卦
ける付加的剪断変形が小さくなるため庇の発生が軽減さ
れ、変形に要するエネルギーも小さくてすむ。

本発明の詳細な説明すると、第１図において管１を押込
装＠２によって圧延機中に押込み、圧延中押しつづける
。

圧延機のパスは第１図会よび第２図の様に圧延ローラー
３−１ ３−２およびガイドローラー４−１，４−２と
パス中心に配置したマンドレル５によって構成する。

マンドレルの先端部５′は入側の管の内径より小さくし
、管の前進により管の内部に収容する。

管壁が回転駆動しているマンドレル５と圧延ローラー３
−ｔ、３−２間で挟圧される壕で押込むと、管は回転し
、圧延ローラー３−１，３−２とマンドレル５の間で圧
延を受け、肉厚は減少し、外径は増大する。

ガイドローラー４−１．４−２１Ｃより管をパス内に保
つとともに外径を規制する。

マンドレル５の回転駆動により管１、圧延ローラー１１
，３−２、釦よびガイドローラー４ｉ、 ４−１ 、４
−２が従動回転するが、圧延ローラー釦よびガイドロー
ラーは従動回転の際、管を出側に押し出す様に摩擦力が
働く方向に傾斜させてかく。

すなわち、第１図にかけるようにマンドレルの回転方向
、出側（図の右側）から見て反時計回りの場合は、圧延
ローラー釦よびガイドローラーの回転軸は左ねし方向に
傾斜し、マンドレルの回転方向が逆回転であれば圧延ロ
ーラーおよびガイドローラーの回転軸も逆方向に傾斜す
る。

これらの傾斜をローラー傾斜角θと呼ぶとするとθはパ
スセンターライン６と平行でかつこれを含む半間と交叉
する角度である。

この角度θば、被圧延材料の回転、前進に関与する要素
であるが、実際的には、４〜１６゜の範囲内の値を採用
し得る。

圧延ローラーおよびガイドローラーの表すとパスセンタ
ーライン６との距離は出側に行くに従がい広くすること
により外径の拡大は容易となる。

捷た該ローラーの作用部分の直径は管の外径拡大と対応
して大きくした方が無理なく管を変形できる。

従って第１図に示す様にローラー中心軸をパスセンター
ラインに対してψだけ開く様に配置するのが好ましいが
、ψは管の前進効果とは直接的な関係はない。

ここで角度ψは管とローラーが接触する位置において、
管とローラーの回転真速度の比が管軸方向に一定となる
ように定められ、００〜３０°の値をとる。

このようにローラーを角度ψだけ傾斜さぜることによっ
て管の捩れを防止することができる。

カイトローラー４−１，４−２の主機能は圧延パスから
の材料の飛び出しを防止することである。

すなわち、圧延ローラー３−１，３−２とマンドレル５
によって素管は第２図に示す状態でら旋状に回転前進し
ながら圧延が遂行されている。

しかしながら、マンドレル５は基端部で支持された片持
ばりの構造をなしてかり、上下方向にたわみ易い。

したがって、もしガイドローラー４−１，４−２が存在
しなければ、材料は圧延ローラー３１．３−２によって
挾持されている状態から離脱し、圧延パスから飛び出し
てし１う。

なか、ガイドローラー４−１．４−２は、これの所では
素管内面はマンドレル外周面より離れてかり、管の肉厚
圧減には関与しない。

捷た、ガイドローラーはガイドシューに置き換えること
もできる。

第３図に示す様にマンドレル５は出側に向って径が大き
くなってかり、圧延ローラーとの間隔は次第に狭くなっ
てかり、管はらせん状に前進しながら半回転毎にマンド
レルと圧延ローラー間で肉厚を減少し、外径を拡大する
。

このように圧延ローラーとマンドレルとの間隙を次第に
狭くすることによって、マンドレル径が出側に向って拡
大していても圧延材から旋状に前進してその位置に到達
したときにな釦圧延される直前の管の内径とマンドレル
外周面との間に間隙を生じるようになり、一層安定した
圧延が遂行される。

管の前進は押込装置２の押込力と、マンドレル５の回転
駆動によって生じる管１と圧延ローラー３−１，３−２
釦よびガイドローラー４−１゜４−２の回転により該ロ
ーラーと管の間に発生する摩擦力によって生ずるが、管
の後端部付近で押込装置２により十分な押込力を加えら
れない場合でも、該摩擦力だけで管を前進でき、最終端
１で圧延を完了できる条件が存在する。

以上述べた様な方法により、管の外径を１．２〜１．８
倍拡大でき、穿孔機以前の製造設備は中径管製造用であ
っても、大径管の圧延が可能となった。

例えば造管プロセスとしては、加熱炉、穿孔機、プラグ
ミル、本発明の拡管機、定径機、昔たは加熱炉、傾斜ロ
ール穿孔機、本発明の拡管機、磨管機、定径機などであ
る。

本発明の実施例を示すと、プラスティシンを成形した外
径１００ｍｍ、肉厚２５ｒＩｔＩＩｌの素管から第１図
第３図に示した様な２本の圧延従動ローラーと、２本の
ガイド従動ローラーと、回転１駆動したマンドレルと押
込装置により、外径１８０ｍｙ＋＋、肉厚１０７ＦＢの
良好な管を得た。

この時、管の外径は１．８倍、長さは１．１倍となった
。

捷た、圧延機の調整を変えることによって、同寸法の素
管から外径１５０ｍ＋＋＋、肉厚１０ｒＭＬの良好な管
を得ることもでき、このとき管の外径は１．５倍、長さ
は１．３倍であった。

従来法のロータリーエクスパンダーによって、管の外径
ば１，５倍程度まで拡大できる。

例えば、プラスティシンを成形した外径１００ ｒｒｕ
ｎ、肉厚２５Ｍの素管から外径１５０ＴｒｒｒｒＬ１肉
厚１０間の管までしか得られない。

これ以上の拡管を行なえば材料の剪断変形が大きくなり
、管に庇を生じやすいこと、表面のスムーズさが損なわ
れること、さらには噛込不良釦よび尻ぬけ不良等の作業
トラブルを発生することになる。

このときのロータリーエクスパンダ−ば、第５図に示す
様に圧延ロール１０−１，１０−２の回転軸１１−１
、１１−２はパスセンターライン１２に対してそれぞれ
６００で交叉して卦り、ロールの形状は図示の通りきの
こ状をしている。

管１はらせん状に前進しながらロールとプラグ１４の間
で圧延され、肉厚を減少し、外径を拡大する。

プラグ１４はマンドレル１２によって定位置に保持され
てふ・す、管の回転にともない従動回転する。

圧延ロール１０−１゜１Ｏ−２ｆ１回転１駆動しており
、第６図に示すようにその２本の回転軸はハスセンター
ライン１２に対して一方は高く他方は低くなっており、
この様にすることによって管をらせん状に回転前進させ
る。

従って管と接触する部分１３内で、ロール表面速度は場
所により方向および大きさともに大きく異なり、管には
圧延に伴なう複雑な力が作用し、材料の変形釦よび流れ
は複雑となり、管はねじられ、内表面層と外表面層は円
周方向および長さ方向に相対的に大きく変位することに
なる。

かかる圧延設備に釦いては、ロール径が大きく、設備構
造が大型で複雑であるため、管の圧延仕上寸法毎な最適
条件に調整することは容易ではなく、また調整部分を設
けにくい。

従って本発明法はロータリーエクスパンダ−法に対して
次の点で優れている。

■材料内部に釦ける付加的剪断変形が小さいため庇の発
生が軽減され、変形に要するエネルギーも小さくてすむ
。

■圧延設備がコンパクトに設計できる。

■作業トラブルが少なく、圧延能力が大きくできる。

本発明についてさらに詳細に説明すれば、■については
従来法が圧延ロールのみにより材料にエネルギを加えて
、前述の様に幾何学的変形の他に複雑な剪断変形をとも
なうのに対して、本発明に卦いてはａ管ｍ径変化卦よび
肉厚圧下に対応するマンドレル圧延部形状を選択できる
こと、ｂ圧延ローラー釦よびガイドローラーの形状を管
の変形に有利な形状に広範囲に選択できるごと、Ｃロー
ラー支持部にローラーベアリングを使用することにより
、該従動ローラー軸受部の摩擦損失を減少できること、
ｄ押込力により管径が容易に拡大されること、ｅ押込力
により材料内部における静水圧成分が増大し、相対的に
引張応力および剪断応力の割合が減少して庇の発生を防
止できること、等が従来法に優る理由である。

■については、従来法が第５図および第６図に示す様に
ロールは片持支持であり、かつ、ロール回転軸ババスラ
インに対してそれぞれ約６０度傾斜してかり、ざらにパ
スセンターラインに対して高さを異にする複雑な構造で
あり、ロール径も必然的に犬きくなる。

とりわけ、この様に配置した２本の圧延ロールを大きな
動力で駆動すること、卦よび管の変形に無駄が多いこと
などが装置を大型化している原因である。

これに対して、本発明法に釦いては入側に押込装置を有
するが、該装置の発生する押込応力は、圧延材料の降伏
応力の０．０１〜１．０倍、好筐しくｆｆ０．１〜０．
５倍であるため、従来装置の圧延ロール駆動装置と比較
して小さくなる。

例えば１２５０℃に加熱した外径４００ｒｍｎ、肉厚１
００ｍｍの低炭素鋼を外径６００ｒｒｒｍ、肉厚２０ｍ
ｍに圧延し、その時の出側材料速度が３００ｒｒｖｒｙ
’ｓ ｅ ｃの場合は、材料の降伏応力を２ Ｋｑ／ｒ
ｒａｎ２、押込応力をＩＫり／ｒｒｒＪｎ２ とすれば
、押込に要する動力は約１０７ＫＷと小さいものである
。

■については、従来法がロールのみによって材料に前進
力を与えるに対して、本発明法はマンドレルの回転力に
よって管が回転し、回転する管の表面とローラーとの摩
擦力釦よび押込力によって管を前進させることによるも
のである。

すなわち、従来法においては前述の通り管がロールとプ
ラグの間で圧延されるときに、管の肉厚が減少し外径が
膨らむが、特に前端部の圧延の際に外径の拡大が十分で
なく、プラグの直径に対して管の内径が十分大きくない
部分が生じると管の前進は停止し□スロールとなる。

管は回転とともに一定量の前進を受けなければ肉厚平置
が不足し、外径の拡大が不十分となり、この様に材料が
前進できなくなると同時に回転も停止するほか、材料が
前進する場合にも・いても長さ方向に外径が大きく変動
することになる。

本発明法においては押込力によって管径は容易に拡大し
、かつ容易に前進する。

仮に外径の拡大が十分でなく、プラグの直径に対して管
の内径が十分大きくない場合は、管とプラグの接触面積
は増大し、摩擦力は大きくなり、管の回転は容易となり
、押込力による材料送りと相昔ってローラー摩擦力によ
る前進力も増大し、パス内へ流入する材料の体積は増大
し、ローラーとプラグ間で圧延されて外径が容易に膨ら
む結果となる。

さらに従来法においては変形に無駄が多く、付加的剪断
変形に多くのエネルギーを費し、圧延速度は遅くなる。

本発明は以上述べた様な種々の利点の複合効果として、
圧延設備をコンパクトにし、動力源を小さくし、かつ、
圧延能力を大きくすることを可能とした。

本発明法は第１図に示す様に、パスセンターラインに対
して、その回転軸が特定方向に傾斜した複数個の圧延ロ
ーラーと複数個のガイドローラーによって圧延パスを構
成し、そのパス中心付近に出側から回転、駆動可能なマ
ンドレルを配置し、入側には管を圧延機中に押込む装置
を配置し、該押込装置の押込力とマンドレルの回転駆動
力とによって管をらぞん状に前進さぞなから圧延する管
圧延法である。

圧延ローラーおよびガイドローラーの数は第２図あるい
は第３図に示す様にそれぞれ２個あるいは第４図に示す
ように３個が構造が簡単となることおよび管径が拡大さ
れやすいことから適当であるが、それぞれ４個以上とす
ることもできる。

圧延ローラーはマンドレルとの間で管の肉厚を圧延する
とともに、その回転軸がパスセンターラインに対してｆ
頃斜していることにより、回転にともない前進方向に摩
擦力を生じる様に配置する。

ガイドローラーはマンドレルとの間隔が、圧延ローラー
とマンドレルとの間隔より大きくなる様に配置し、管の
飛び出しを防ぎ、回転にともない前進方向に摩擦力を生
じて管を前進ぜしめるとともに、管の外径を決定する様
に機能させる。

このカイトローラーを板状の飛出防止ガイドに置きかえ
ることができる。

この場合は摩擦力は管を前進ぜしめる効果は失なわれる
が、作業は十分可能である。

圧延ローラーを補助的に１駆動せしめることにより、押
込力を十分に与えられない管の後端圧延時の作業が容易
となり、圧延速度を向上さぜることふ・よび付加的剪断
変形もさらに小さくすることもできる。

圧延ローラーを駆動する動力はマンドレルを回転１駆動
する動力より小さい方が良く、設備の巨大化および複雑
化を避けるために最小限とすべきである。

な釦、ガイドローラーは圧延ローラーのように補助的に
回転駆動されることはない。

本発明法の実施例を示すと次の通りである。

圧延ローラー数 ２個 ガイドローラー数 ２個 圧延ローラー傾斜角 ６゜ ガイドローラー傾斜角 ６゜ マンドレル径（最大部） １５０ ｍｍマンド
レル回転数 ３０ ｒＰｍ圧延ローラ
ーとマントシルの最短距離 １０ｒｒａｒＬガイドロー
ラーとマンドレルの最短距離２０ ｍｍ押込応力
２４＾ｌ管の材質
プラスティシン素管の寸法（ｍｍ）外径１００×肉
厚２５×長Ｊ５００仕上管の寸法（Ｗ）外径１８０×肉
厚１０×長さ５５０プラステイシンは塑性加工可能な金
属の塑性変形のシュミレート実験によく用いられており
、鋼の熱間圧延時の変形を十分シュミレートできる。

次に、本発明の管圧延法が応用される圧延機列の例を示
すと、 （イ）加熱炉→プレスロール穿孔機→エロンゲータ→プ
ラグ□ル→本発明の拡管機→定径機 （ロ）加熱炉→プレスロール穿孔機→エロンゲータ→プ
ラグ□ル→本発明の拡管機→磨管機→定径機 （ハ）加熱炉→傾斜ロール穿孔機→本発明の拡管機→定
径機 に）加熱炉→傾斜ロール穿孔機→エロンゲータ→本発明
の拡管機→定径機 （ホ）加熱炉→傾斜ロール穿孔機→エロンゲータ→本発
明の拡管機う磨管機→定径機 なお、上記圧延機列に釦いて、（イ）および（１０）の
圧延機列が最も好ましい。

また、上記圧延機列では本発明の管圧延法はすべて拡管
機として利用されているが、本発明にエリ素材に穿孔す
ることも可能である。

さらに、本発明の管圧延法は熱間圧延に限ることはなく
、冷間圧延にも応用され得るものである。

本発明は大径継目無鋼管の圧延のみならず、塑性加工可
能な管状物体の拡管圧延にも適用できる。

なお、圧延できる管の外径は、マンドレルの捩り強度に
依存するものであって、鋼の熱間圧延では外径１６”以
上が工業化レベルにあり、それより変形抵抗の小さい材
料では更に小径の成品も工業化可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の詳細な説明図で、第１図は、
管圧延装置主要部の正面図、第２図は第１図の横断面図
、および第３図は第２図のＢ−Ｂ線に沿う断面図である
。 第４図は管圧延装置の他の例を示す断面図である。 第５図は従来の管圧延法であるロータリーエクスパンダ
−法を説明するもので、ロータリーエクスパンダ−の平
面図である。 第６図はロータリーエクスパンダ−法に釦いて圧延ロー
ルの作用を説明する側面図である。 １・・・管、２・・・押込装置、３−１〜３−３・・・
圧延ローラー、４−１〜４−３・・・ガイドローラー５
・・・マンドレル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管のパスセンターラインに対してその回転軸力所定
   の方向に傾斜し、パスセンターラインに垂直な面内でパ
   スセンターラインを囲繞する如く配設された少なくとも
   複数箇の圧延ローラによって圧延パスを構成するととも
   に、圧延パスの、圧延方向に垂直な面内の中心或はその
   近傍に、回転１駆動されるマンドレルを配置し、マンド
   レルの回転によって管をら旋状に回転前進さぞなから圧
   延することを特徴とする管圧延法。 ２ 管のパスセンターラインに対してその回転軸が所定
   の方向に傾斜し、パスセンターラインに垂直な面内でパ
   スラインを囲繞する如く配設された少なくとも複数箇の
   圧延ローラによって圧延パスを構成するとともに、圧延
   パスの、圧延方向（材料の軸方向）に垂直な面内の中心
   或はその近傍に、回転されるマンドレルを配設し、さら
   に圧延ロール入側に管を圧延機中に押込む管押込装置を
   配置し、上記マンドレルの回転駆動力と前記管押込装置
   による押込力とにより管をら旋状に回転前進さぜながら
   圧延することを特徴とする管圧延法。 ３ 管のパスセンターラインに対して、その回転軸が所
   定の方向に傾斜しパスセンターラインに垂直な面内でパ
   スセンターラインを囲繞する如く配設された少なくとも
   複数個の圧延ローラーと複数個の飛出防止ガイドにより
   圧延パスを構成するとともに、圧延パスの、圧延方向に
   垂直な面内の中心或いはその近傍に回転１駆動されるマ
   ンドレルを配置し、さらに、圧延ロール入側に管を圧延
   機中に押込む管押込装置を配置し、上記マンドレルの回
   転１駆動力と前記管押込装置による押込力とによって管
   をら旋状に回転前進ｇ−ｖながら圧延することを特徴と
   する管圧延法。