CN100464882C - 无缝管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
如采用本发明的无缝管的制造方法，对应于轧辊直径比Dg/D1的范围，通过满足下面的(1)式～(3)式中的某一个，不产生咬入不良等的轧废，同时把旋转锻造效应抑制在适当的状态，不产生因被轧制材的头部的热加工性能降低引起的内表面瑕疵，在继续进行的头部以后部分中，不改变穿孔轧制的设定条件，也能够防止产生内表面瑕疵。这样作为优良的无缝管的制造方法可以推广应用。
Dg/D1＜1.1时23≤N/(Df/100)≤40 ……(1)
1.1≤Dg/D1＜1.5时20≤N/(Df/100)≤44 ……(2)
1.5≤Dg/D1≤1.8时20≤N/(Df/100)≤48 ……(3)。
Description
技术领域
本发明涉及用有代表性的无缝管制造方法的曼内斯曼制管法，采用穿孔机(穿孔轧机)的无缝管的制造方法，更详细地说，是涉及即使把含5％以上Cr的钢坯以及不限定于有色金属和钢铁的用连续铸造方法得到的难加工材料作为坯料进行穿孔轧制的情况下，不会发生咬入不良等的轧废(miss-roll跑条)和全长不产生内表面伤痕的无缝管的制造方法的发明。
背景技术
作为有代表性的无缝管制造方法的所谓的曼内斯曼制管法，是把加热到规定温度的实心坯料用穿孔机进行穿孔轧制，制造中空的毛管。然后把经过穿孔轧制的中空毛管通过从5机架到8机架的芯棒式无缝管轧机进行延伸轧制，然后再加热或直接用张力减径机或定径机达到规定的外径，再经过精整工序变成产品的制造无缝管的方法。
在用穿孔机的穿孔轧制中，把轧辊的轴线相对于轧制线倾斜的、由桶形(滚筒形)或锥形构成的一对倾斜轧辊相面对设置，使被轧制材的坯料沿轧制线向轧制方向移动。此外在这一对倾斜轧辊之间，穿孔轧制中使用的顶头被配置成放置在沿轧制线配置的芯棒的前端。
作为穿孔机用的穿孔轧辊，一般使用锥形倾斜轧辊，因为穿孔轧制的被轧制材的质量好，穿孔轧制的效率高。
图1为示意说明在穿孔轧制中使用的锥形倾斜轧辊的配置的图。此外图2为说明上述图1的A-A箭头所示的锥形倾斜轧辊的配置的图。
倾斜轧辊1具有在中间的轧辊辊径为Dg的压缩带(辗轧带)1a、随着从此压缩带1a向入口端面外径变小的大体成圆锥台的入口面1b、随着从此压缩带1a向出口端面外径变大的大体成圆锥台的出口面1c，整体为锥形。
此倾斜轧辊1被配置成轧辊轴心线分别相对于轧制线X-X成交叉角γ。此外如图2所示，倾斜轧辊1被配置成相对于轧制线X-X成倾斜角β。另一方面，图2中没有表示的另一个倾斜轧辊1与其相面对配置，把轧制线X-X夹在中间，也以倾斜角β向相反方向倾斜。
使坯料3旋转运动的倾斜轧辊1直接连接在各自的驱动装置4上，这样单独可以以轧辊的轴线为中心旋转。
此外顶头2整体成炮弹形，其后端被支撑在芯棒M的前端。此外图中没有表示，芯棒M的后端部连接在轴向可以前后移动的顶杆小车(thrust block)装置，支撑作用在顶头2上的轧制方向的推力，同时调整顶头位置。
在象上述这样构成的穿孔机中，在轧制线X-X上按空心箭头方向输送的坯料3在倾斜轧辊的间隙边旋转边在轧制线X-X上移动期间，用顶头2在其轴心部位打开孔，用倾斜轧辊1和顶头2进行壁厚加工，同时被轧制成中空形的毛管。
可是在上述的穿孔轧制中，坯料在被咬入倾斜轧辊后至到达顶头前端之间，边旋转边前进，用一对倾斜轧辊实施加工。此时利用所谓的旋转锻造效应(曼内斯曼效应)，坯料的中心部位变脆，成为容易穿孔轧制的状态。在此旋转锻造效应过大的情况下，中心部位产生孔腔，或在极端的情况下，有时中心部位破坏，产生放射状的裂纹瑕疵。
在这样的情况下，特别是容易产生中心偏析和中心疏松的连续铸造材和容易产生δ铁素体的含5％以上Cr的不锈钢、或铜和铜合金等残留有铸造组织而加工性能恶化的有色材料的坯料，如用穿孔机进行穿孔轧制，在坯料被轧辊咬入后至到达顶头前端之间，因旋转锻造效应在坯料轴心部位产生裂纹，在轧后作为毛管内表面瑕疵残留下来。为了不产生此内表面瑕疵，至今提出了各种方法。
一般在用穿孔机穿孔轧制中，调整顶头位置和倾斜轧辊的开度，设定成在顶头前端位置的坯料压下率(顶头前端压下率(减径率))变小。例如在特开平03-13222号公报中发表了穿孔轧制的方法，同时变更倾斜轧辊开度和顶头前伸量，使坯料被咬入倾斜轧辊后，坯料的中间部分轧制时的顶头前端压下率比坯料的头部和尾部轧制时的顶头前端压下率要小。
如采用上述特开平03-13222号公报发表的轧制方法，可以防止咬入不良等的轧废，而且除了毛管的头部和尾部，也许可以防止因过剩的旋转锻造效应造成的产生内表面瑕疵。可是在坯料头部注重咬入能力，所以可以设想要充分防止在毛管的头部产生内表面瑕疵是不可能的。此外在穿孔轧制中，需要开发可以变更倾斜轧辊设定的、新的设备。
在特开昭61-3605号公报中发表了穿孔轧制的方法，根据坯料重量和毛管目标尺寸，控制倾斜轧辊的开度、顶头鼻部的设定，使顶头前端压下率为目标值，防止产生内表面瑕疵。其中如采用在此提出的控制方法，即使随着被轧制材料的钢种、倾斜轧辊的形状、穿孔轧制条件等的变化，即使把倾斜轧辊的开度、顶头鼻部设定为目标值，也许能防止毛管的内表面瑕疵的产生，但是可以想象到并不能充分防止产生咬入不良等的轧废。
此外在特开2000-140911号公报中发表了穿孔轧制方法，使倾斜轧辊的倾斜角为12～14°，同时通过以从坯料咬入位置到顶头前端的距离和坯料直径的比为特定的条件的方式运转穿孔轧机，防止内表面产生瑕疵。
用上述特开2000-140911号公报发表的穿孔轧制方法，也许可以防止轧废和内表面产生瑕疵，但是与上述的特开平03-13222号公报的轧制方法相同，可以想象得出，就防止在毛管的内表面产生瑕疵方面来说，并不能充分防止在毛管头部的内表面产生的瑕疵。
因此在把连续铸造材和容易产生δ铁素体的含5％以上Cr的不锈钢等难加工的材料进行穿孔轧制的情况下，担心在毛管头部大量产生内部瑕疵。还需要开发可以在穿孔轧制中变更轧辊设定的、新的设备。
发明内容
在用穿孔机对坯料的头部进行穿孔轧制中，担心在因咬入不良等造成的轧废的同时，也担心因过剩的旋转锻造效应造成的内表面瑕疵(缺陷)。对此用现有技术不能充分应对。
也就是认为，用上述特开昭61-3605号公报提出的控制方法，可以防止内表面瑕疵，不能防止咬入不良的产生。另一方面认为，用上述特开平03-13222号公报和特开2000-140911号公报发表的穿孔轧制方法，可以防止咬入不良，但是不能防止在毛管的头部的内表面的瑕疵。
本发明是鉴于这样的现有技术的问题而进行的发明，目的是提供一种无缝管的制造方法，可以不产生咬入不良等轧废，同时适当控制旋转锻造效应，特别是不产生因被轧制材头部温度降低使热加工性能恶化而造成的旋转锻造效应引起的内表面瑕疵，即使在头部以后也不改变穿孔轧制的设定条件，可以防止内表面产生瑕疵，换句话说，目的是提供没有轧废和沿被轧制材的全长内表面不产生瑕疵的无缝管的制造方法。
本发明人为了解决上述课题，对有关用穿孔机进行穿孔轧制进行了各种研究。其结果发现，在坯料与倾斜轧辊开始接触位置的入口轧辊辊径与倾斜轧辊压缩带的轧辊辊径的比、以及咬入时的坯料转数和坯料外径压下率之比对产生轧废和沿包括头部的全长因过大的旋转锻造效应产生的内表面瑕疵有很大影响。
其中咬入时的坯料转数是坯料头部在被咬入轧辊后至到达顶头前端之间，用倾斜轧辊受到压下的转数。
图3为示意说明在轧制线周围相面对设置的一对倾斜轧辊之间配置顶头，对坯料进行穿孔轧制情况的图。在此图中倾斜轧辊1的倾斜角度β被设定成零的状态。锥形倾斜轧辊1的压缩带1a是倾斜轧辊1的入口面1b和出口面1c交叉的位置，是一对倾斜轧辊1、1的间隙最小的位置。
在轧辊压缩带1a为轧辊直径Dg(mm)。倾斜轧辊1的入口面1b的形状可以是具有两段以上梯度的角度的断面形状，也可以是曲面的断面形状。
在图3所示的倾斜角度β为零状态的几何学二维平面中，表示在坯料3开始与倾斜轧辊入口面1b接触的A点的倾斜轧辊辊径作为入口轧辊直径D1(mm)。此外从同一点A到顶头2的前端位置与轧制线X-X平行的距离(轧制线方向的距离)用Ld(mm)表示。使在此顶头前端位置的倾斜轧辊间隙Rpg(mm)，轧制线X-X和倾斜轧辊入口面1b所成的角度(下面称为入口面角度)用θ1表示。
在设被轧制材的坯料3的外径为Bd(mm)，倾斜轧辊的倾斜角度为β(°)的情况下，咬入时的坯料转数N和坯料的外径压下率Df可以用下面的关系式表示。
N＝Ld/(2π·Bd·tanβ)
Df＝{(Bd-Rpg)/Bd}×100
本发明人从材质为0.2％C钢、外径190mm的连续铸造铸坯的中心部切削制作了外径70mm和60mm的坯料，用表1所示的条件进行穿孔轧制，调查了咬入不良等的轧废产生的情况和是否产生内表面瑕疵。
使从上述关系式计算出的坯料外径压下率Df和坯料转数N、以及轧辊形状进行各种变化，实施了穿孔轧制试验。表2表示此时得到的轧辊直径比Dg/D1、坯料转数N和坯料外径压下率Df之比N/Df的关系。
表1
| 坯料外径Bd | 70mm、60mm |
| 轧辊压缩带直径Dg | 280mm～410mm |
| 倾斜角β | 6°～16° |
| 交叉角γ | 5°～30° |
| 入口面角度θ1 | 2.5°～3.6° |
| Dg/D1 | 1.05～1.9 |
| N/Df/100 | 15～50 |
| D1/Bd | 1.9～5.1 |
| 中空毛管外径中空毛管壁厚 | 72mm、62mm8mm～10mm |
表2
在表2中的评价是酸洗后目测观察的结果。在此评价中，○符号表示沿轧后的中空毛管的全长没有产生内表面瑕疵，也没有轧废产生的问题，可以进行穿孔轧制的情况。●符号表示在中空毛管上产生内表面瑕疵的情况。
关于轧废的问题，表2中的×符号表示穿孔轧制20根中产生超过3根的轧废的情况，▲符号表示穿孔轧制20根中产生2～3根的轧废的情况，△符号表示穿孔轧制20根中产生1根的轧废的情况。
根据本页的表2所示的结果，在轧辊直径比Dg/D1小的范围内，无论坯料转数N和坯料外径压下率Df之比N/Df小的情况下还是大的情况下，都容易产生内表面瑕疵。在轧辊直径比Dg/D1大的范围内，可以抑制内表面瑕疵的产生，但是如坯料转数N和坯料外径压下率Df之比N/Df小，产生轧废的比例增加。
此外在表2中没有表示，在开始接触位置的入口轧辊直径D1和坯料外径Bd之比D1/Bd小的范围内，例如小于2.5，坯料咬入状态容易变得不稳定，可以看出有大量产生轧废的倾向。
本发明是在上述认识的基础上进行的发明，以下面的无缝管的制造方法为要点。也就是，在轧制线周围相面对配置的一对锥形倾斜轧辊之间，沿轧制线配置顶头，使被轧制材的坯料边旋转移动边进行穿孔轧制，制造无缝管的方法中，无缝管制造方法的特征在于，入口轧辊直径D1(mm)和倾斜轧辊压缩带的轧辊直径Dg(mm)之比Dg/D1、从上述坯料咬入到顶头前端的坯料转数N和坯料外径压下率Df(％)之比N/Df在满足下述(1)～(3)式中的任一个的条件下，进行穿孔轧制。
Dg/D1<1.1时
23≤N/(Df/100)≤40 ……(1)
1.1≤Dg/D1<1.5时
20≤N/(Df/100)≤44 ……(2)
1.5≤Dg/D1≤1.8时
20≤N/(Df/100)≤48 ……(3)
其中在设Ld：从坯料咬入点到顶头前端的轧制线方向的距离(mm)、β：倾斜轧辊的倾斜角(°)、Rpg：在顶头前端位置的倾斜轧辊间隙(mm)的情况下，下面的关系成立。
N＝Ld/(2π·Bd·tanβ)
Df＝{(Bd-Rpg)/Bd}×100
附图说明
图1为示意说明穿孔轧制中使用的锥形倾斜轧辊的配置的图。
图2为说明上述图1的A-A箭头方向所示的锥形倾斜轧辊的配置的图。
图3为示意说明在轧制线周围相面对设置的一对倾斜轧辊之间配置顶头，对坯料进行穿孔轧制情况的图。
具体实施方式
在本发明的制造方法中，其特征在于，为了沿包括轧制的中空毛管的头部的全长，防止内表面产生瑕疵，对应于轧辊直径比Dg/D1的范围，要满足下面的(1)式～(3)式中的任一个。一般如轧辊直径比Dg/D1的值变大，防止产生内表面瑕疵是有效的，但是其上限受到设备的制约。
例如轧辊压缩带的轧辊直径Dg(mm)变大，设备规模也变大，设备成本增加。另一方面如倾斜轧辊的入口轧辊直径D1(mm)变小，产生轧制入口一侧的轴承强度变小等的设备问题，同时随着轧辊直径比Dg/D1变大，入口轧辊直径D1和坯料外径Bd之比D1/Bd变小，随之变成具有大量产生轧废的倾向，所以轧辊直径比Dg/D1也有上限，把它的上限定为1.8。
Dg/D1<1.1时
23≤N/(Df/100)≤40 ……(1)
1.1≤Dg/D1<1.5时
20≤N/(Df/100)≤44 ……(2)
1.5≤Dg/D1≤1.8时
20≤N/(Df/100)≤48 ……(3)
在用实际轧机的穿孔轧制中，坯料的外径压下率Df定为4％～8％为适当范围，进行操作。因此使在咬入时的坯料转数N和坯料外径压下率Df之比N/Df适合上述(1)式～(3)式的任一个的情况下，也优选具有外径压下率Df为4％～8％的条件。
此外在本发明的制造方法中，为了防止坯料咬入不良等的轧废，优选使入口轧辊直径D1和坯料外径Bd之比D1/Bd在2.5以上。D1/Bd的上限受设备方面的制约，优选为6.5以下。
在用实际轧机的穿孔轧制中，上述图3所示的入口角θ1过大或过小都使坯料咬入性能恶化，穿孔轧制中的被轧制材振动变大，导致使穿孔轧制不稳定，壁厚不均恶化等故障。因此优选入口角θ1为2.5°～3.6°。
如前所述，在本发明的制造方法中，由于轧制的毛管质量优良的同时穿孔轧制效率也要高，所以把锥形倾斜轧辊作为对象。之所以不把桶形倾斜轧辊为对象，是因为不仅仅简单是质量方面、效率方面差，在桶形倾斜轧辊中，轧辊直径比Dg/D1限制在1.03以下，在技术上难以适用于本发明的制造方法。
在本发明的制造方法中，在用倾斜穿孔轧机对容易产生中心偏析和中心疏松的连续铸造材和容易产生δ铁素体的含5％以上Cr的不锈钢、进而有色金属中铜和铜合金等残留有铸造组织而加工性能恶化的材料进行穿孔轧制的情况下，可以发挥显著的效果。
为了确认本发明的效果，用本发明的方法在实施例1和实施例2的条件下进行了穿孔轧制，对轧制的中空毛管的结果进行说明。
(实施例1)
用上述图1和图2所示机构的穿孔机，材质为含13％Cr的马氏体不锈钢，以外径70mm～100mm的坯料为原材料，用表3所示的条件实施穿孔轧制。
表3
| 坯料外径Bd | 70mm、85mm、100mm |
| 轧辊压缩带直径Dg | 350mm～410mm |
| 倾斜角β | 8°～16° |
| 毛管外径 | 72mm～100mm |
| 穿孔比 | 2～3 |
下页的表4表示用穿孔轧制制造的毛管的结果。表4的内表面瑕疵产生情况中的○符号表示在每1m单位长度的中空毛管产生2个以下内表面瑕疵的情况，同样●符号表示在每1m单位长度的中空毛管产生3个以上内表面瑕疵的情况。产生轧废率(％)表示在各轧辊的设定参数和轧制条件下，使用20根坯料进行穿孔轧制的结果，用产生的根数比例表示。
从下页的表4的结果可以看出，在本发明例中根据轧辊直径比Dg/D1，由于满足上述(1)式～(3)式的任一个，没有产生轧废，可以防止沿中空毛管的全长产生内表面瑕疵。
另一方面，在对比例中，由于不能满足上述(1)式～(3)式的任一个的条件，在制造序号7、8的工件中，有多个内表面瑕疵，制造序号9的工件中多次产生轧废。
实施例2
同样用上述图1和图2所示机构的穿孔机，用含13％Cr的马氏体不锈钢，使用100根外径225mm的坯料，用表5所示的条件实施穿孔轧制。使轧制条件都是本发明规定的条件，对穿孔轧制下的咬入状态和最终轧制后的中空毛管头部的内表面进行观察。
表5
| 轧辊压缩带直径Dg | 1400mm |
| 加热温度 | 1220℃ |
| 交叉角γ | 20° |
| Dg/D1 | 1.16～1.21 |
| N/Df/100 | 21～35 |
| D1/Bd | 5.4～5.6 |
在基于上述表5所示条件下的穿孔轧制中，均没有产生咬入不良，没有产生造成最终钢管制品问题的内表面的瑕疵，可以实施稳定的穿孔轧制。
工业实用性
如采用本发明的无缝管的制造方法，不产生咬入不良等的轧废，同时把旋转锻造效应抑制在适当的状态，没有产生因被轧制材的头部的热加工性能降低引起的产生内表面瑕疵，在继续进行的头部以后部分中，不改变穿孔轧制的设定条件，也能够防止产生内表面瑕疵。
因此即使在对容易产生中心偏析和中心疏松的连续铸造材和容易产生δ铁素体的含5％以上Cr的不锈钢、或在有色金属中铜和铜合金等残留有铸造组织而加工性能恶化的材料进行穿孔轧制的情况下，可以制造不产生轧废和沿被轧制材全长无内表面瑕疵的无缝管。因此本发明作为优良的无缝管的制造方法，可以推广应用。
Claims (1)
1.一种无缝管的制造方法，在轧制线周围相面对配置的一对锥形倾斜轧辊之间，沿轧制线配置顶头，使被轧制材的坯料边旋转移动边进行穿孔轧制，制造无缝管，其特征在于，
所述倾斜轧辊的入口轧辊直径D1(mm)和倾斜轧辊压缩带的轧辊直径Dg(mm)之比Dg/D1、从所述坯料咬入到顶头前端的坯料转数N和坯料外径压下率Df(％)之比N/Df在满足下述(1)～(3)式中的任一个的条件下，进行穿孔轧制，
Dg/D1<1.1时
23≤N/(Df/100)≤40 ……(1)
1.1≤Dg/D1<1.5时
20≤N/(Df/100)≤44 ……(2)
1.5≤Dg/D1≤1.8时
20≤N/(Df/100)≤48 ……(3)
其中在设Ld为从坯料咬入点到顶头前端的轧制线方向的距离(mm)、β为倾斜轧辊的倾斜角(°)、Bd为坯料的外径(mm)、Rpg为在顶头前端位置的倾斜轧辊间隙(mm)的情况下，下面的关系成立。
N＝Ld/(2π·Bd·tanβ)
Df＝{(Bd-Rpg)/Bd}×100
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