JP4888252B2 - 継目無管の冷間圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、継目無管を素管として用いる冷間圧延方法に関し、さらに詳しくは、冷間圧延に用いられる素管の管端部内面に発生する、いわゆる角張り等の肉厚変動を管理し、冷間加工に伴う管端割れの発生を防止する継目無管の冷間圧延方法に関するものである。

通常、金属管の冷間加工法として、ドローベンチによる冷間引抜法とピルガーミルによる冷間圧延法とが慣用されている。特に、ピルガーミルによる冷間圧延法は、冷間引抜法に比べ、高加工度で素管を冷間加工できることから、高加工度を必要とする継目無管の製造では、一般的にピルガーミル（ピルガー圧延）による冷間圧延法が用いられる。

図１は、冷間圧延法に用いられる一対のロールダイスの全体構成を説明する斜視図である。冷間圧延法では、周面に孔型２ａが形成された上下一対のロールダイス２を配置し、ロールダイス２の間に先端に向かって径が小さくなるテーパーを有するマンドレルが備えられる。ロールダイス２は、軸心に設けられ回転軸により、ロールスタンド４に支持される。回転軸の一端には回転径がロールダイス２の外径とほぼ同等のピニオンギア５が、水平なラックギア６に噛み合った状態で設けられる。

ロールダイス２は、ピニオンギア５を介して矢印Ａ方向に往復移動するラックギア６の駆動にともない矢印Ｂ方向に往復回転する。このとき、ロールダイス２の周面に形成された孔型２ａは、ロールダイス２の往復回転にともなって被加工材となる素管を圧延する。

図２は、冷間圧延法により素管を圧延する加工機構を説明する断面図である。ロールダイス２の周面に形成された孔型２ａは、加工開始から加工終了に向かって孔型径が連続的に小さくなる加工部を構成する。一対のロールダイス２の間には、管内面に先端に向かって径が小さくなるテーパを有するマンドレル３が設けられる。管外面側に設けられた、周面に孔型２ａを形成された上下一対のロールダイス２が前記マンドレル３に沿って往復移動することによって、被加工材である素管１を圧延する。

一方、素管１は、ロールダイス２が往復回転する工程の間に所定の加工長さだけ送られるとともに、所定角度だけ回転されながら、順次、縮径および減肉しつつ加工される。このとき、冷間圧延された素管１は、圧延伸びと圧延送り量に応じて伸管され、目標の成品寸法に圧延される。

冷間圧延法は、上記図１、２に示す圧延機構で構成されていることから、被加工材に高加工度を負荷することができ、前述の通り、冷間引抜法に比べ高加工度による冷間加工が可能になる。ところが、継目無管を素管として冷間圧延を行う際に、圧延開始側の管端部に割れが発生する場合がある。

通常、冷間圧延用の素管として用いられる継目無管は、マンネスマン製管法が多用されており、穿孔圧延、マンドレルミル圧延等の延伸圧延および絞り圧延機（ストレッチレデューサー、またはサイザー）を用いた定径圧延を行って製造される。このとき、複数のロールスタンドで絞り圧延を行った後の管内面には、いわゆる角張りと呼ばれる肉厚変動が発生する。

例えば、マンネスマン製管法による継目無管の製造において、３ロール型の絞り圧延機を用いて外径絞り加工を行う場合には、六角形状の内面角張りによる肉厚変動が発生する。このように継目無管の内面に発生する肉厚変動は、微小な局部的な寸法変動や形状変化を構成することから、その肉厚変動による局部的な薄肉部が切り欠きとして作用し、それが起点となって管端割れに進展することが推測される。

従来から、冷間圧延を行う際に、圧延加工に伴って素管に管端割れが発生するのを防止するため、種々の対策が提案されている。まず、素管として用いられる継目無管に関する対策として、特許文献１、２では、管端割れの要因となる角張りを抑制する絞り圧延機や肉厚制御方法が提案されている。

特許文献１では、３個の圧延ロールからなるロールスタンドを圧延力向に沿って複数段配置する絞り圧延機を対象とし、１段目２段目の一対のロールスタンドを天地逆に配置すると共に、３段目４段目の他の対のロールスタンドも天地逆に配置し、上記１対のロールスタンドに対し、上記他の対の配置基準線を一定角度だけ変化させる。具体的には、１段目２段目はそれぞれのロールスタンドを天地逆に配設し、３段目は１段目スタンドに対し３０°角度を変位して配設し、４段目は３段目のロールスタンドを天地逆にし、３段目４段目を一対として設置する構成を提案している。

また、特許文献２の肉厚制御方法では、３ロールマンドレルミルの少なくとも最終２スタンドのロールギャップを変更し、母管中央部に３ロール型絞り圧延機で発生する管中央部の内面六角形状の角張りを相殺する内面六角形状の角張りを付与すると共に、母管管端部に３ロール型絞り圧延機で発生する管端部の負の位相の内面六角形状の角張りを相殺する正の位相の内面六角形状の角張りを付与することを提案している。

冷間圧延の開始に伴って発生する管端割れは、素管の微小で、かつ局部的な肉厚変動によっても誘引されるものであることから、特許文献１、２で提案される絞り圧延機や肉厚制御方法で得られた継目無管を素管としても、微小な局部的な肉厚変動まで抑制することができず、有効に管端割れを防止できるまでに至っていない。

さらに、冷間圧延用素管の管端割れの防止方法として、特許文献３には、冷間圧延前に素管端部を加熱することにより、被圧延材の端部に発生する割れを防止する端部割れ防止方法が開示されている。しかし、この割れ防止方法を実施するには、素管端部に加熱装置を設置しなければならず、装置設置によるコストアップや、冷間圧延前の素管端部の温度管理が煩雑であることから、特許文献３の割れ防止方法は冷間圧延の操業において実用的でない。

特開昭６２−１９９２１０号公報 特開平０７−２４６４１５号公報 特開２００６−１３６９３７公報

前述の通り、冷間圧延用の素管として用いられる継目無管の内面に肉厚変動があると、冷間圧延の際にそれを起点として管端割れが発生することから、肉厚変動の要因となる角張りを抑制する絞り圧延機や肉厚制御方法が提案されているが、冷間圧延において充分に管端割れを防止できるまでに至っていない。また、被圧延材の管端割れを防止する方法として、冷間圧延前に素管端部を加熱する防止方法も提案されているが、冷間圧延の実操業において実用的でない。

本発明は、上述した冷間圧延に伴って発生する素管の管端割れの問題に鑑みてなされたものであり、冷間圧延に用いられる素管の管端部内面に発生する肉厚変動を、後述する図４に示すように、展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）で管理し、さらに必要に応じて素管の管端部に面取り加工を施すことにより、冷間加工にともなう管端割れの発生を有効に防止することができる継目無管の冷間圧延方法を提供することを目的としている。

本発明者は、上述した課題を解決するため、冷間圧延用の素管として用いられる継目無管の内面には発生する肉厚変動の要因となる、絞り圧延による角張りの発生状況について詳細に検討を加えた。

図３は、３ロール型ストレッチレデューサーを用いて外径絞り加工を行う場合に発生する内面六角角張りの断面形状を模式的に示す図である。３ロール型ストレッチレデューサーの各スタンドでの圧延は、ロール溝底部がエッジ部に比較して圧延方向の伸びが大きく、管周方向の肉厚は不均一な変形を受ける。そのため、連続スタンドでの圧延では、ロール溝底部とエッジ部はスタンド毎に交互に塑性変形が繰返されるため、ほぼ同一肉厚となるが、ロール溝底部とエッジ部の中間位置（すなわち、ロール溝底部を０°位置とした場合に３０°回転位置）に肉厚変動を生ずる部位が発生し、六角形状の内面角張りを生ずる。

図３に示すような六角張り現象は、絞り圧延加工における管長方向の延伸率が大きくなるほど、かつ管が厚肉小径になるほど角張りが増加する傾向にあり、これにともなって肉厚変動が顕著になる。

図４は、肉厚変動の詳細な構成を示す、前記図３のＥ部における詳細図である。発明者の検討結果から、素管として用いられる継目無管の内面に発生する肉厚変動の構成は、展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）によって整理できること、さらに、肉厚変動が素管の管端割れに及ぼす影響は展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）で管理できることが明らかになる。すなわち、展開角度ｂ（ｒａｄ）が小さいほど、肉厚差ｄ（ｍｍ）が大きいほど管端割れが発生し易いことが分かる。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）および（２）の継目無管の冷間圧延方法を要旨としている。
（１）継目無管を素管として冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側の管端部内面における管周方向の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）の比で表した場合に、管内面全周における肉厚変動の最大値が下記（１）式を満足する素管を用いることを特徴とする継目無管の冷間圧延方法である。
ｄ／ｂ ≦ ０．２９ ・・・ （１）
（２）継目無管を素管として冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側の管端部内面における管周方向の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）の比で表した場合に、当該管端部の内面側に面取り加工を施したのち、管内面全周における肉厚変動の最大値が上記（１）式を満足する素管を用いることを特徴とする継目無管の冷間圧延方法である。

本発明の冷間圧延方法では、被圧延材として用いる素管が穿孔圧延、延伸圧延および絞り圧延機（ストレッチレデューサー、またはサイザー）による定径圧延で製造された継目無管である場合に、優れた効果を発揮し、有効に冷間加工に伴う管端割れを防止することができる。

本発明で規定する「展開角度ｂ（ｒａｄ）」および「肉厚差ｄ（ｍｍ）」は、前記図４に示すように、局部的な肉厚変動の構成を示す数値であるが、本発明を適用する場合には、例えば、３次元形状測定器を用いて、管周方向の肉厚を連続的に測定して把握することができる。なお、展開角度とは、前記図４に示すように、測定結果を管周方向に展開して表示した場合の局部的な薄肉部が形成されている部分の管周方向での幅を、管軸心を中心とした角度（ｒａｄ）で表した値である。そして、連続した測定値からｄ／ｂを算出し、最大のｄ／ｂ値によって本発明に適用できる冷間圧延用の素管を定める。

本発明の継目無管の冷間圧延方法によれば、素管内面の管周方向の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）で把握し、それらの比で表したｄ／ｂの管内面全周における最大値を管理することにより、さらに必要に応じて素管の管端部に面取り加工を施しその後の最大値を管理することにより、冷間加工にともなう管端割れの発生を防止でき、製造コストの上昇を招くことなく、歩留まりよく継目無管を製造できる。

本発明の冷間圧延方法は、継目無管を素管として冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側の管端部内面における管周方向の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）の比ｄ／ｂで表した場合に、管内面全周における肉厚変動の最大値が０．２９（ｍｍ／ｒａｄ）以下を満足する素管を用いることを特徴とする。

本発明の冷間圧延方法に適用できる肉厚変動のｄ／ｂ値の最大値を検討するため、材質がＳＵＳ３０４で外径が１８７ｍｍのビレットを用いて、穿孔圧延に引き続いて３ロール型マンドレルミル圧延により中空素管を製管した。その後、再加熱炉にて加熱を行い、３ロール型ストレッチレデューサーにより絞り圧延を行い、２種の管寸法（外径および肉厚）からなる冷間圧延用素管を製造した。

得られた冷間圧延用素管は、その管端部を３次元形状測定器を用いて連続的に測定を行い、展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）を測定した。その後、ピルガーミル圧延機による冷間圧延を行い、所定寸法の冷間継目無管を製造し、そのときの管端割れの発生状況を調査した。それぞれの冷間圧延のスケジュールをＳｃｈ．ＡおよびＳｃｈ．Ｂとして表１に示す。

ただし、表中における断面減少率（％）は、｛１−（冷間圧延後の断面積／冷間圧延前の断面積）｝×１００で示す。

図５は、冷間圧延に伴う管端割れの発生状況を、冷間圧延用素管の展開角度ｂ（ｒａｄ）と肉厚差ｄ（ｍｍ）との関係で示す図である。図５に示す結果によれば、前述の通り、素管内面の肉厚変動のうち展開角度ｂ（ｒａｄ）が小さいほど、また、肉厚差ｄ（ｍｍ）が大きいほど管端割れが発生し易いことが分かる。

そして、同図から、冷間圧延に伴う管端割れの発生を防止するには、冷間圧延用素管の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）の比ｄ／ｂで表した場合に、管内面全周における肉厚変動の最大値が下記（１）式を満足することが必要であることが分かる。
ｄ／ｂ ≦ ０．２９ ・・・ （１）
さらに、本発明の冷間圧延方法は、継目無管を素管として冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側の管端部内面における管周方向の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）の比で表した場合に、当該管端部の内面側に面取り加工を施したのち、管内面全周における肉厚変動の最大値が上記（１）式を満足する素管を用いることを特徴とする。

前記図５に示すように、冷間圧延用素管の管端部に存在する局部的な肉厚変動が管端割れの起点になるが、肉厚変動のｄ／ｂ値を一定値以下に管理すれば、管端割れが発生することがない。したがって、肉厚変動のｄ／ｂ値が管理値を超える場合であっても、管端部内面における管周方向の肉厚変動を除去し、肉厚変動のｄ／ｂ値を一定値以下になるように管理すれば、管端割れの発生を防止できる。

このため、本発明の冷間圧延方法では、必要がある場合には、冷間圧延用素管の管内面全周における肉厚変動のｄ／ｂの最大値が上記（１）式を満足するように、冷間圧延開始側の管端部の内面側に面取り加工を施したのち冷間圧延を行う。

本発明に適用できる面取り加工としては、例えば、管端内面側の切削によるベベル加工、円錐コーン挿入による押し潰し加工やグラインダー研磨による加工等が挙げられる。また、面取り加工は管端内面側の全周に行ってもよいが、例えば、グラインダー研磨で肉厚変動のｄ／ｂが０．２９を超える箇所のみに部分的に面取り加工を行うことでも、管端割れを防止できる。この場合に、冷間圧延の操業安定を勘案して、管端部内面の肉厚変動を十分に除去するため、肉厚で１．０ｍｍ以上の面取り加工を施すのが望ましい。

本発明の冷間圧延方法では、肉厚変動の最大値を管理する対象を肉厚が１０ｍｍ以下の継目無素管とするのが望ましい。例えば、断面減少率が７０〜８５％程度と大きい加工度の冷間圧延であっても、肉厚Ｗｔが厚い素管を対象にする場合には、肉厚差ｄ／肉厚Ｗｔの比が極めて小さな値となるため、肉厚差ｄが管端割れを発生させるような有害な切り欠きとして作用せず、前記（１）式を満足しない素管であっても、管端割れを発生しない場合があるからである。

本発明の冷間圧延方法では、対象素管として、マンネスマン製管法により、例えば穿孔圧延、延伸圧延および絞り圧延機（ストレッチレデューサー、またはサイザー）による定径圧延で製造された継目無管とするのが望ましい。

この場合に、素管の鋼種は普通鋼、低合金鋼、クロム鋼、ステンレス鋼およびクロム−ニッケル−鉄合金等といずれにも限定するものではないが、特に硫黄（Ｓ）入りステンレス鋼を素管とする場合には、鋼中に析出したＭｎＳにより冷間圧延時に管端割れが発生し易いことから、本発明の冷間圧延方法を適用するのが望ましい。

本発明の冷間圧延方法の効果を確認するため、材質がＳＵＳ３０４で外径が１８７ｍｍのビレットを用いて、穿孔圧延に引き続いて３ロール型マンドレルミル圧延により中空素管を製管した。その後、再加熱炉にて加熱を行い、３ロール型ストレッチレデューサーにより絞り圧延を行い、２種の管寸法からなる冷間圧延用素管を製造した。

得られた冷間圧延用素管は、その管端部を３次元形状測定器を用い、連続的に肉厚測定を行い、展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）を測定した。その後、ピルガーミル圧延機による冷間圧延を行い、所定寸法の冷間継目無管を製造した。このときの冷間圧延のスケジュールは、前記表１に示すスケジュールと同様であり、Ｓｃｈ．ＡおよびＳｃｈ．Ｂで区分した。

管端割れに及ぼす影響を観察するため、冷間圧延用素管は面取り加工を行う場合と行わない場合とに区分した。面取り加工を行う場合には、管端内面に切削による面取り加工を施し、面取り加工量を変化させた。これらの冷間圧延用素管は、前記表１に示すスケジュールのＳｃｈ．ＡおよびＳｃｈ．Ｂにより冷間圧延を実施した。このときの冷間圧延前のｄ／ｂが最大値となる肉厚変動および面取り加工状況、並びに冷間圧延後の管端割れ発生状況を表２に示した。

ただし、表中において、面取り加工量ａ（ｍｍ）が肉厚変動の肉厚差ｄ（ｍｍ）を超える場合は、（ｄ−ａ）値は「０（ゼロ）」と表記した。

表２に示すように、面取り加工なしでは、冷間圧延前の肉厚変動を示すｄ／ｂの最大値が０．２９を超える素管を使用して冷間圧延を行った場合は管端割れが発生し（試験Ｎｏ．1および９）、ｄ／ｂの最大値が０．２９以下の素管を用いた場合には管端割れは発生しなかった（試験Ｎｏ．２および１０）。

一方、面取り加工ありでは、面取り加工量が肉厚差ｄよりも少ない場合はｄ／ｂ値が０．２９を超える薄肉部が残存したため、冷間圧延で管端割れが発生した（試験Ｎｏ．８および１４）。しかし、面取り加工量ａ（ｍｍ）が肉厚差ｄを超える場合にはｄ／ｂが０．２９を超える薄肉部が除去され、面取り加工後の３次元形状測定器による測定でも、ｄ／ｂの最大値が０．２９を超える箇所がなかったため、冷間圧延で管端割れが発生しなかった（試験Ｎｏ．３〜７および１１〜１３）。

本発明の継目無管の冷間圧延方法によれば、素管内面の管周方向の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）で把握し、それらの比で表したｄ／ｂの管内面全周における最大値を管理することにより、さらに必要に応じて素管の管端部に面取り加工を施しその後の最大値を管理することにより、冷間加工にともなう管端割れの発生を防止でき、製造コストの上昇を招くことなく、同時に歩留まりよく継目無管を製造できる。これにより、特に、マンネスマン製管法による継目無素管を用いる冷間圧延方法として、広く適用できる。

冷間圧延法に用いられる一対のロールダイスの全体構成を説明する斜視図である。 冷間圧延法により素管を圧延する加工機構を説明する断面図である。 ３ロール型ストレッチレデューサーを用いて外径絞り加工を行う場合に発生する内面六角角張りの断面形状を模式的に示す図である。 肉厚変動の詳細な構成を示す、前記図３のＥ部における詳細図である。 冷間圧延に伴う管端割れの発生状況を、冷間圧延用素管の展開角度ｂ（ｒａｄ）と肉厚差ｄ（ｍｍ）との関係で示す図である。

符号の説明

１．素管、 ２．ロールダイス
２ａ．孔型、 ３．マンドレル
４．ロールスタンド、 ５．ピニオンギア
６．ラックギア

Claims (3)

1. 継目無管を素管として冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側の管端部内面における管周方向の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）の比で表した場合に、管内面全周における肉厚変動の最大値が下記（１）式を満足する素管を用いることを特徴とする継目無管の冷間圧延方法。
   ｄ／ｂ ≦ ０．２９ ・・・ （１）
2. 継目無管を素管として冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側の管端部内面における管周方向の肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）の比で表した場合に、当該管端部の内面側に面取り加工を施したのち、管内面全周における肉厚変動の最大値が下記（１）式を満足する素管を用いることを特徴とする継目無管の冷間圧延方法。
   ｄ／ｂ ≦ ０．２９ ・・・ （１）
3. 前記素管が穿孔圧延、延伸圧延および絞り圧延による定径圧延で製造された継目無管であることを特徴とする請求項１または２に記載の継目無管の冷間圧延方法。

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