JP2012223791A

JP2012223791A - 寸法精度に優れる鋼管の製造方法

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Publication number: JP2012223791A
Application number: JP2011093174A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Araya; 昌利荒谷; Shunsuke Toyoda; 俊介豊田; Yoshitomo Okabe; 能知岡部; Kenichi Iwasaki; 謙一岩崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】加工性の低下を極力抑えるように軽度な縮径圧延により冷牽製品と同等な高い寸法精度を得る製造方法を提供する。
【解決手段】サイジング圧延用のロール１を上下と左右に１対ずつ配置した４ロール形式サイジングロールスタンドを全１スタンド用い、或いは、同様の４ロール形式サイジングロールスタンドを全２以上のｎスタンド直列させ、隣接２スタンド間のロール位相差を９０°のｎ等分角度としてなる全ｎスタンドの４ロール形式サイジングロールスタンドを用い、被圧延管１０に対して全縮径率：０.５％以上３％以下の縮径圧延を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、寸法精度に優れる鋼管の製造方法に関し、詳しくは、高い寸法精度が要求される自動車用部材、バイク用部材など中空部材のほか、機械構造用部材や土木建築用部材の素材として、従来適用されている冷牽鋼管の代替となしうる、寸法精度に優れる鋼管の製造方法に関する。

従来の電縫鋼管の造管方法では、鋼帯を連続的にロール成形して円筒状にして電縫溶接した後に、真円度、断面形状を整えるために、複数段並べた孔型ロールにて縮径圧延を行う。但し、バイクのショックアブソーバー等をなすシリンダ用途のような高い寸法精度が要求される用途に対しては、電縫鋼管を冷間にて引き抜き加工（冷牽）することで必要寸法精度を確保してきた。しかしながら、冷牽による製造コストの上昇、加工硬化による加工性低下、また該低下した加工性を回復させるために必要な熱処理による製造コストの上昇などの問題があった。冷牽を行わずに寸法精度を向上させる技術として、素鋼管の冷間圧延方法において、全３スタンド以上のｎスタンド構成の３ロールレデューサによる絞り工程と１セット以上の２ロールによる定形工程とを組み合わせ、絞り工程では第１〜ｎ−２スタンドはロール楕円率：２％以上、１スタンド当たり最大外径縮小率：１０％とし、第ｎ−１スタンドはロール楕円率：０超３％以下、最大外径縮小率：５％とし、第ｎスタンドはロール周長＝製品周長、ロール楕円率：０以上１.５％以下、外径縮小率：０.５％以上、第ｎ−１スタンドのロール溝底半径≦第ｎスタンドのロールフランジ半径としたときに決定する最大外径縮小率未満とすることにより高い製品外径寸法精度を得ること（特許文献１）が知られている。又、素鋼管を３ロールレデューサにより冷間絞り圧延して高精度の外径寸法を有する鋼管を製造する方法の提案（特許文献２）もある。尚、上記外径縮小率は、縮径率とも称される。

特開平６-１５４８１４号公報特開平７-０５１７０７号公報

しかしながら、特許文献１の方法では最終定形ロールスタンドに至るまでに高い縮径率での絞り圧延が必要となり、素鋼管に付与される加工歪みも大きく加工性の低下が大きい。又、特許文献２の方法でも特許文献１と同様に高い縮径率が必要であり、加工硬化による加工性低下の問題がある。即ち、背景技術では、加工性の低下を極力抑えるように軽度な縮径圧延により冷牽製品と同等な高い寸法精度を得ることができていないという課題があった。

発明者らは上記の課題を解決するために検討を重ね、その結果、冷牽製品と同等の高い寸法精度、具体的には外径偏差、肉厚偏差（但し、肉厚偏差に関しては、内面ビードカット部を除く範囲を対象とする）が小さい鋼管を、冷牽によるよりも有利に製造する方法を見出し、以下の要旨構成になる本発明をなした。
（１）鋼帯を連続的にロール成形して幅を丸め、該丸めた幅の両端を電縫溶接若しくは鍛接してなる管を被圧延管の素管として、被圧延管の寸法、断面形状を圧延により整えるサイジング工程を有する鋼管の製造方法であって、前記サイジング工程では、サイジング圧延用のロールを上下と左右に１対ずつ配置した４ロール形式サイジングロールスタンドを全１スタンド用い、全縮径率：０.５％以上３％以下の縮径圧延を行うことを特徴とする、寸法精度に優れる鋼管の製造方法。

（２）鋼帯を連続的にロール成形して幅を丸め、該丸めた幅の両端を電縫溶接若しくは鍛接してなる管を被圧延管の素管として、被圧延管の寸法、断面形状を圧延により整えるサイジング工程を有する鋼管の製造方法であって、前記サイジング工程では、サイジング圧延用のロールを上下と左右に１対ずつ配置した４ロール形式サイジングロールスタンドを全２以上のｎスタンド直列させ、隣接２スタンド間のロール位相差を９０°のｎ等分角度としてなる全ｎスタンドの４ロール形式サイジングロールスタンドを用い、全縮径率：０.５％以上３％以下の縮径圧延を行うことを特徴とする、寸法精度に優れる鋼管の製造方法。

本発明によれば、冷牽の場合よりも低い縮径率の縮径圧延製品でありながら、冷牽製品並みの高い寸法精度の鋼管が得られる。縮径率を低くできるから加工性の低下が小さく抑えられ、縮径圧延後の熱処理が不要であり、該熱処理を必要とした冷牽の場合に比べ製造コストが削減できる点で有利である。従って、本発明による製品である鋼管は冷牽製品の代替として、高い寸法精度が要求される自動車用、バイク用等の中空部材のほか、機械構造用部材や土木建築用部材の素材として適用することができる。

(a)(b)は本発明に用いるサイジングロールスタンド、(c)は本発明に用いないサイジングロールスタンドを例示する要部立体図である。外径偏差に及ぼす縮径率の影響をサイジング方法別に示すグラフである。肉厚偏差に及ぼす縮径率の影響をサイジング方法別に示すグラフである。４ロール形式サイジングロールスタンドによる１スタンド圧延（ａ）及び２スタンド圧延（ｂ）のＦＥＭ解析による管円周方向の歪み分布出力を示す概略図である。

本発明は、鋼帯を連続的にロール成形して幅を丸め、該丸めた幅の両端を電縫溶接若しくは鍛接してなる管を被圧延管の素管として、被圧延管の寸法、断面形状を圧延により整えるサイジング工程を有する鋼管の製造方法であることを前提とする。前記素管の造管用素材である鋼帯は、熱延鋼帯、冷延鋼帯の何れであってもよい。サイジング工程に入る前の素管は、必要に応じて管外面及び/又は管内面のビードカット（ビード切削）及び/又はビード圧延が施されたものであってもよい。尚、前記サイジング工程は冷間での管圧延工程の１種である。

そして、本発明では、前記サイジング工程において、サイジングロールを上下と左右に１対ずつ配置した４ロール形式サイジングロールスタンドを全１スタンド又は全２以上のｎスタンド直列させて用い、全縮径率：０.５％以上３％以下の縮径圧延を行う。但し、全２以上のｎスタンド直列させて用いる場合は、隣接２スタンド間のロール位相差を９０°のｎ等分角度（＝９０°/ｎ）とする。ここで、２スタンド間のロール位相差とは、被圧延管軸方向に直交する断面を透視した状態で、２スタンドのうちの何れか一方のスタンドのロール軸中心点から被圧延管中心軸へ下ろした垂線が他方のスタンドのそれと重なり合うように、前記一方又は他方のスタンドのロールを被圧延管軸周りに回転させたときの回転角度のことである。尚、上記隣接２スタンド間のロール位相差９０°/ｎは、±２°程度の公差を有する。

又、全縮径率は、第１スタンドから最終スタンドまでの全スタンドを一括したと想定したときの縮径率であり、合計縮径率或いは累積縮径率とも称され、次式(式１)で定義される。
全縮径率＝（１−Ｄｆ/Ｄ０）＊１００（％） ‥‥（式１）
但し、Ｄ０：素管外径、Ｄｆ：最終スタンド出側の被圧延管外径、である。

以下、本発明について、これをなすに至った経緯を交えて説明する。この説明では、素管が電縫鋼管である場合を例に挙げたが、素管には鍛接鋼管を用いることもできる。
サイジング工程において、電縫鋼管（素材降伏応力３６０ＭＰａ、素材引張強度５００ＭＰａ、外径４９.８ｍｍ、肉厚４.５ｍｍ）を素管とする被圧延管１０に対し、次の３ケースを実行した。
・ケース[1]:図１(c)に例示する、サイジング圧延用のロール1を上下に１対配置した２ロール形式サイジングロールスタンドを全１スタンド用いて圧延を行う。
・ケース[2]:図１(a)に例示する、サイジング圧延用のロール１を上下と左右に１対ずつ配置した４ロール形式サイジングロールスタンドを全１スタンド用いて圧延を行う。
・ケース[3]:図１(b)の４ロール形式サイジングロールスタンドを全２スタンド（即ちｎ＝２）直列に連ね、両スタンド間のロール位相差を４５°（＝９０°/ｎ）としてなる（即ち、２スタンドのうち何れか一方は図１(b)のロール配置とし、他方は図１(b)の各ロール１を被圧延管中心軸周りに同じ向きに４５°回転させて図１(c)のロール配置とした）全２スタンドの４ロール形式サイジングロールスタンドを用いて圧延を行う。

全縮径率は、０％から７％まで変化させた。但し、全縮径率＝０％とは、圧延を行わないことを意味する。全２スタンドを用いるケース[3]では、各スタンドの縮径率は、全縮径率を全２スタンドに対しておおよそ等配分するものとした。
得られた鋼管の外径偏差（＝最大外径−最小外径）および肉厚偏差（＝最大肉厚−最小肉厚）を測定し、測定の結果を前記３ケース間で比較した。但し、肉厚偏差については、管内面のビードカット部分を除く範囲を測定対象とした。

前記測定の結果をまとめて図２、図３に示す。図２は、外径偏差に及ぼす縮径率の影響をケース別に示すグラフであり、図３は、肉厚偏差に及ぼす縮径率の影響をケース別に示すグラフである。外径偏差、肉厚偏差が小さいほど外径精度、肉厚精度に優れるのであるが、「優れる」の基準としては冷牽加工された鋼管と同等に、外径偏差０．２ｍｍ以下、肉厚偏差０．２ｍｍ以下とした。

図２、図３より、ケース[1]（２ロール形式サイジングロールスタンド使用）、ケース[2][3](４ロール形式サイジングロールスタンド使用)では、外径偏差、肉厚偏差ともに小さく、冷牽製品並の寸法精度が得られるが、全縮径率が０.５％未満では効果が十分でなく、一方、３％を超えた高い全縮径率で圧延した場合は寸法精度が低下するに加え、加工硬化による加工性低下が著しくなる。従って、全縮径率は０.５％以上、３％以下の範囲が好適である。更に、ケース[2][3]の比較では、全２スタンド直列で圧延する場合（ケース[3]）の方が、全１スタンドで一気に圧延する場合（ケース[2]）に比べて、寸法精度が高くなっている。この理由について詳細は不明であるが、スタンドのロール位相（被圧延管中心軸を中心とする管半径方向基準軸とスタンドの複数のロール軸中心点から被圧延管中心軸へ下ろした垂線とがなす複数の角度のうちの最小の角度で定義される）をスタンド毎に変化させることで、縮径圧延による管円周方向の歪み分布をより均一化することができるためと考えられる。例えば図４は、ケース[2][3]について、全縮径率＝１.４％の縮径圧延を実施した場合のＦＥＭ（有限要素法）解析による管円周方向の歪み分布出力を示す概略図であり、同図より、全２スタンドでの圧延を行ったケース[3]の方が全１スタンドでの圧延を行ったケース[2]よりも歪み分布がより均等化していることが分る。ロールスタンド数を増やして、細かい角度で位相を変化させればより寸法精度の高い鋼管が製造できる可能性はあるが、生産性が落ち、メンテナンスの手間がかかり、１スタンド当たりの縮径率が過小となり効果が小さくなるなどを考慮し、ロールスタンド数は最大でも全４スタンドとすることが望ましい。また、複数スタンドで圧延を行う場合の隣接２スタンド間のロール位相差については、圧延による歪みをより均等に分散させる目的で、９０°をスタンド数ｎで割った角度に設定するのが良く、例えば、全２スタンドの場合は９０°/２＝４５°、全３スタンドの場合は９０°/３＝３０°とするのが良い。

降伏応力３６０ＭＰａ、引張強度５００ＭＰａの熱延鋼帯をロール成形により連続的に幅を丸めて円筒状に成形し、丸めた幅の両端を衝合して電縫溶接し、外径４９.８ｍｍ、肉厚４.５ｍｍの電縫鋼管を得た。これを素管とする被圧延管に対し、表１に示した各Ｎｏ．の条件でサイジングによる縮径圧延を行った。サイジング方法は、上下１対の２ロール形式サイジングロールスタンドを用いた圧延（従来技術相当の比較例）、上下と左右計２対の４ロール形式サイジングロールスタンドを用いた圧延（本発明例或いは比較例）、の何れかを行うものとし、スタンド数ｎ及び全縮径率を変化させた。又、４ロール形式での複数スタンド圧延では、隣接２スタンド間のロール位相差を変化させた。

圧延後の鋼管について、外径偏差及び肉厚偏差を測定した。この測定では、円周方向に１０°ピッチでノギスにより外径を測定し、該測定データ中の最大外径と最小外径の差を外径偏差とし、一方、管内面ビードカット部を除いた部分について、マイクロメータにより５°ピッチで肉厚を測定し、該測定データ中の最大肉厚と最小肉厚の差を肉厚偏差とした。測定の結果を表１に示す。表１より、本発明例では何れも比較例に比べて寸法精度に優れ、冷牽製品と同等の寸法精度（外径偏差０．２０ｍｍ以下且つ肉厚偏差０．２０ｍｍ以下）が得られている。又、本発明例の中では、隣接２スタンド間のロール位相差を９０°/ｎとした全２スタンド以上使用のものが最も寸法精度が高くなっている。

１サイジング圧延用のロール
１０被圧延管

Claims

鋼帯を連続的にロール成形して幅を丸め、該丸めた幅の両端を電縫溶接若しくは鍛接してなる管を被圧延管の素管として、被圧延管の寸法、断面形状を圧延により整えるサイジング工程を有する鋼管の製造方法であって、前記サイジング工程では、サイジング圧延用のロールを上下と左右に１対ずつ配置した４ロール形式サイジングロールスタンドを全１スタンド用い、全縮径率：０.５％以上３％以下の縮径圧延を行うことを特徴とする、寸法精度に優れる鋼管の製造方法。
鋼帯を連続的にロール成形して幅を丸め、該丸めた幅の両端を電縫溶接若しくは鍛接してなる管を被圧延管の素管として、被圧延管の寸法、断面形状を圧延により整えるサイジング工程を有する鋼管の製造方法であって、前記サイジング工程では、サイジング圧延用のロールを上下と左右に１対ずつ配置した４ロール形式サイジングロールスタンドを全２以上のｎスタンド直列させ、隣接２スタンド間のロール位相差を９０°のｎ等分角度としてなる全ｎスタンドの４ロール形式サイジングロールスタンドを用い、全縮径率：０.５％以上３％以下の縮径圧延を行うことを特徴とする、寸法精度に優れる鋼管の製造方法。