JP5180669B2

JP5180669B2 - 口絞りシェルの製造方法

Info

Publication number: JP5180669B2
Application number: JP2008121468A
Authority: JP
Inventors: 英樹柿本; 保樹石橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-05-07
Also published as: JP2009269052A

Description

この発明は、半球形鏡板を接合するため、円筒状の端部が口絞りされた圧力容器用大型リング部材の口絞りシェルを鍛造により製造する方法に関する。

化工機器用リアクターや原子力用圧力容器などの大型圧力容器では、その本体部の直円筒状シェル（ストレートシェル、以下、円筒状シェルまたは円筒状シェル部と記載する）の端部に設けた口絞り部に、半球形状の鏡板が接合されている。従来、この半球形鏡板の直径と本体部の円筒状シェルの外径が大きく異なる場合は、図３（ａ）に示すように、半球形状の鏡板１０と円筒状シェル９ｄとの間にリング形状で両端面の外径が異なるダッチマン１１と呼ばれる中間部材を介在させて接合していた。しかし、この中間部材を介在させる接合方法では、溶接線が増え、製造コストが高くなるため、ダッチマン１１と円筒状シェル９ｄを一体成形することにより、図３（ｂ）に示すように、端部に口絞り部９ｃが形成された口絞りシェルが求められていた。

例えば、特許文献１には、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、芯金５ｂと金敷６ｂとの間で、直円筒状の被鍛造部材を回転させながら鍛造する際に、芯金５ｂに段部５ｃを設け、被鍛造材１ｄを鍛造中に、その端部を段部５ｃに下り込ませることによって、口絞り部９ｃを形成するようにした大形リングの口絞り鍛造方法が開示されている。

また、特許文献２では、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、鍛造リング部材１ｅの端部に、内面にテーパを有する口絞り成形用ダイ１２を作用させて口絞り成形を行なうにあたり、鍛造リング部材１ｅの成形端部域に薄肉化加工を施すか、またはその領域の周方向にノッチ加工を施して、プレスベッド上の置台１３に載置した鍛造リング部材１ｅに、口絞り成形用ダイ１２を、均一圧下するためのプレート１５を介してプレス金敷１６により作用させる口絞り成形方法が開示されている。
特公昭５５−２４３７８号公報特開昭６３−３１７２３１号

しかし、特許文献１に開示された鍛造方法で口絞り部を成形する場合、口絞り部９ｃと円筒状シェル部９ｄの境目に引けによる欠肉が発生する。とくに、円筒状シェル部９ｃの端部に、その外周にわたって容器支持用に短く突出させた部位を設ける場合、前記欠肉の発生を防止するために余肉を大きく付ける必要があり、コストアップになるとともに鍛造工程設計が難しくなる。また、特許文献２に開示された口絞り成形方法では、口絞り部を、円筒状シェル部（本体部）の拡径鍛造により形成するのではなく、口絞り用成形ダイ１２を用いたプレス加工により形成するため、製品の鍛造リングに合わせた口絞り用成形ダイ１２が必要となり製造コストが増加する。また、円筒状シェル部の直径が大きくなるとプレス荷重も大きくなることなり、プレス力量よりも大きくなって製造できない場合がある。

このため、本出願人は、前記口絞り部と円筒状シェル部の境目に引けを抑制して欠肉の発生を防止し、かつ、鍛造条件によっては発生し得る円筒状シェル部９ｄの外周面のテーパ発生を防止して、機械加工しろが少なく、製品歩留まりを向上させるために、図６に示すように、リング状素材１ｆの外周面にノッチ７を加工し、その加工位置や拡径鍛造における圧下率などの鍛造条件を適正化した口絞りシェルの製造方法を開示した（特許文献３参照）。
特開２００７−１１１７００号公報

しかし、特許文献３に開示された鍛造方法で口絞りシェルを製造する場合（図６（ａ）、（ｂ）参照）、口絞り部９ｃと円筒状シェル部９ｄの境目に引けを抑制して欠肉の発生を防止し、かつ、円筒状シェル部９ｄの外周面のテーパ発生を防止することは可能であるが、リング状素材１ｆの外径Ｄが大きくなると、拡径鍛造による円筒状シェル部９ｄの拡径に伴って、口絞り部９ｃの絞り径Ｄａも拡径されるため、拡径鍛造における目標絞り量δａに対する周回数や圧下率設定などの鍛造工程設計が難しくなり、したがって、絞り量を目標値まで絞れない可能性がある。

そこで、この発明の課題は、リング状素材の外周面にノッチを加工して、拡径鍛造により円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルを製造する際に、大径のリング状素材であっても、円筒状シェル部の拡径に伴う口絞り部の拡径を防止することにより、鍛造工程設計を容易とし、かつ絞り量を大きくとれる口絞りシェルの製造方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである

請求項１に係る口絞りシェルの製造方法は、リング状の被加工材の外周面にノッチを加工する工程を有し、このリング状の被加工材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記円筒状シェルの外径または肉厚が、予め設定した所定の値になるまで口絞り部を予備成形した後、仕上げの拡径鍛造を行なう工程を有し、前記予備成形の後、前記口絞り部を冷却しながら拡径鍛造を行なうことを特徴とする。

請求項２に係る口絞りシェルの製造方法は、前記冷却をする口絞り部の先端部が、先端部の端面であることを特徴とする。

請求項３に係る口絞りシェルの製造方法は、前記冷却を、水もしくは空気、または水と空気との気液混合液で行なうことを特徴とする。

請求項４に係る口絞りシェルの製造方法は、前記冷却を、前記先端部の端面に対向させて、上金敷の直下の先端部端面の位置に、または、この位置を含めて周方向に複数の位置に、それぞれ配置したノズルにより行なうことを特徴とする。

請求項５に係る口絞りシェルの製造方法は、前記冷却を、前記円筒状シェルの外表面温度と口絞り部の外表面温度との差が１００℃〜３００℃の範囲にあるように行なうことを特徴とする。

この発明では、リング状素材の外周面にノッチを加工して、このリング状素材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェル部の端部に口絞り部が一体に形成された口絞りシェルを製造するにあたり、前記拡径鍛造の前半で口絞り部を予備成形した後、この口絞り部の先端部端面などの部位を冷却しながら仕上げの拡径鍛造を行なうようにしたので、口絞り部の温度降下による変形抵抗の上昇により、予備成形された口絞り部の先端部拘束力が強化されるため、円筒状シェル部の仕上げ拡径鍛造に伴う口絞り部の拡径が防止される。それによって、目標絞り量に対する周回数や圧下率設定などの鍛造工程設計が容易となり、絞り量自体も大きくとることが可能となって、簡便な工程設計で機械加工代の少ない口絞りシェルの鍛造仕上がり品が得られ、製品歩留が向上する。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１および図２に基づいて説明する。

図１（ａ）〜（ｄ）は、実施形態の口絞りシェルの製造工程を示したものである。上端部および底部の偏析部を切断後、加熱された、例えば、炭素鋼または低合金鋼（Ｃｒ−Ｍｏ鋼等）などの鋼塊１は、上下の金型２、３により据え込み鍛造(Upsetting)された後、ポンチ４で孔あけ(Piercing)され、その際に鋼塊中心部の偏析および空隙欠陥部が除去される（図１（ａ））。次工程では、前記孔あけ(Piercing)された素材１ａに芯金５を挿入して、この芯金５と上金敷６により、素材１ａは仕上がり長さまで鍛伸され、内部組織も改善されて、拡径鍛造用の円筒状素材１ｂが形成される（図１（ｂ））。この円筒状素材１ｂは、次の第１の拡径鍛造工程で、芯金５と上金敷６により、肉厚ｔ０をｔまで減少させながら、その外径Ｄ０が中間仕上げ外径Ｄまで拡径されたリング状の被加工材１ｃとなる（図１ｃ）。この第１の拡径鍛造工程の終了後、上下動可能な上金敷６を上側に退避させて、芯金５を挿入した状態で、リング状の被加工材１ｃの口絞り側の端面Ｅから所要の距離Ｌ１の位置の外周面周方向に、図１（ｅ）に要部を示したように、深さｈのＶ字状のノッチ７が加工される。そして、第２の拡径鍛造工程では、芯金５を、その端面５ａが前記ノッチ７の直下に位置するように、軸方向に移動させ、口絞り成形を開始する（図１（ｄ））。この口絞り成形開始時に、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、口絞り部の先端部端面Ｅａを冷却するために、この先端部端面Ｅａに対向して、上金敷６の直下の位置Ｓ１を含めて、周方向に４５°の等間隔で合計８箇所の位置Ｓ１〜Ｓ８に配置したスプレイノズル８から、先端部端面Ｅａに冷却水が噴射され、口絞り部９ａの先端部が強制水冷される。この第２の拡径鍛造工程では、円筒状シェル部９ｂの外径Ｄｂおよび口絞り部９ａ先端の外径Ｄａが、非接触式寸法測定器で計測され、口絞り量δ（＝（Ｄｂ−Ｄａ）／２）が、リアルタイムで表示されるようになっている。なお、前記ノッチ７は、口絞り部９ａの外周面に、軸方向に複数設けることもできる。また、ノッチの形状は必ずしもＶ字状に限るものではない。

上記の強制冷却時の口絞り部９ａの温度Ｔｆ、および円筒状シェル部９ｂの温度Ｔｃは、それぞれの長手方向中央の外表面の位置で測定される。そして、円筒状シェル部９ｂの外径Ｄｂが所定の仕上がり外径まで拡径鍛造されたときに、目標絞り量δａを得るために、円筒状シェル部９ｂの温度Ｔｃと口絞り部９ａの温度Ｔｆの差ΔＴが、１００〜３００℃の範囲の目標温度差となるように強制水冷時の冷却水流量（スプレイ流量）が制御される。なお、先端部端面Ｅａの冷却位置は、必ずしも周方向に等間隔に８箇所に限るものではなく、少なくとも上金敷６の直下の位置Ｓ１を含んでいれば、例えば、Ｓ１と軸対象の位置Ｓ５の２箇所のみを冷却してもよい。また、冷却部位は、必ずしも先端部端面Ｅａに限るものではなく、例えば、口絞り部９ａの外周面を冷却してもよい。また、冷却媒体は、窒素ガスなどの空気以外の他の気体でもよく、この他の気体を気液混合ミストに用いてもよい。

さらに、目標口絞り量δａが比較的小さい場合など、目標絞り量の大きさによって、第２の拡径鍛造工程では、まず、芯金５を、その端面５ａが前記ノッチ７の直下に位置するように、軸方向に移動させて口絞り成形を開始し、円筒シェル部９ｂの外径Ｄまたは肉厚ｔが、予め設定した所定の値になるまで口絞り部９ａを予備成形した後、上述のように、口絞り部９ａの先端部を強制水冷しながら仕上げの拡径鍛造を行なうようにすることもできる。また、前記のリアルタイムで表示された口絞り量δに基づいて、この表示された口絞り量δが目標口絞り量δａを超える傾向が認められる場合には、拡径鍛造工程の途中で、強制冷却を停止することもできる。このようにして、第２の拡径鍛造工程で、外周面に深さｈのＶ字状ノッチ７が加工された、外径Ｄ、肉厚ｔのリング状の被加工材１ｃから、外径Ｄｂ、肉厚ｔ１の円筒状シェル部９ｂの端部に口絞り部９ａが一体に形成された口絞りシェル９の鍛造上がり品が製造される。

低合金鋼（鋼種ＳＣＭ４２０）の鋼塊（重量７０ton）から、図１（ａ）および（ｂ）に示した工程により、外径２７６０ｍｍ×肉厚６５０ｍｍ×長さ２３００ｍｍの円筒状素材１ｂを形成し、図１（ｃ）に示した工程により、肉厚ｔが４５０ｍｍになるまで拡径鍛造を行なった。このときの被加工材１ｃの外径は約３０００ｍｍである。この拡径鍛造の時点で、被加工材１ｃの端面Ｅから８００ｍｍの位置の外周面に、周方向に深さｈ＝１５０ｍｍのＶ字状のノッチ７を加工した後、図１（ｄ）に示したように、芯金５を、その端面５ａがノッチ７の直下に位置するように、軸方向に移動させ、口絞り成形を開始した。この口絞り成形の開始時点から、図１（ｄ）に模式的に示すように、被加工材１ｃの端面Ｅを、表１のNo.1〜No.4に示す４条件で、それぞれ強制冷却し、仕上げ外径まで拡径鍛造を行なった（実施例１〜４）。比較例(No.5)として、強制冷却せずに仕上げ外径まで拡径鍛造を行なった。表１にはそれぞれの条件での円筒状シェル部９ｂの温度Ｔｃと、口絞り部９ａの温度Ｔｆとの差および目標絞り量（目標値）δａに対する実績絞り量（実績値）δｍを記載した。スプレイ水冷却の場合、ノズル（吐出）圧力３ｋｇ／ｃｍ^２、流量０．２ｍ^３／ｈ、強制風冷の場合、空気流量４．８Ｎｍ^３／ｈである。

表１から、スプレイ水冷却、強制風冷いずれの場合も、口絞り部の先端部端面を冷却しながら、拡径鍛造により口絞り成形を行なう方が、冷却をせずに口絞り成形を行なう場合よりも、絞り量δ（実績値）を大きくとることができる（目標値の８０％以上）。スプレイ水冷却の場合、周方向の冷却箇所を複数にする方が絞り量δ（実績）も大きくなり、No.4の上金敷直下の位置Ｓ１＋軸対象位置Ｓ５（図２参照）の２箇所を冷却すると、絞り量δ（実績値）は１０５ｍｍとなり、目標値（１１０ｍｍ）に対して、９５％以上の絞り量を実現することができる。また、No.1の周方向等間隔で８箇所冷却する場合には、目標値（１１０ｍｍ）を超える大きな絞り量をとることができる。この場合には、拡径鍛造中に冷却水流量の調節、または冷却箇所を減少させることにより、目標絞り量を実現することができる。

円筒状シェル部９ｂの温度Ｔｃと口絞り部９ａの温度Ｔｆの差ΔＴは、スプレイ水冷却、強制風冷いずれの場合でも、上金敷直下の位置Ｓ１（図２参照）の１箇所冷却の場合でも、１００℃以上となっている(No.2,No.3)。また、周方向等間隔で８箇所冷却する場合には、前記温度差ΔＴは、２５０℃以上となっている(No.1)。一方、冷却を行なわない場合には、温度差ΔＴは、５８℃と小さく、絞り量δ（実績値）も８５ｍｍで、目標値（１１０ｍｍ）の８０％以下にとどまっている(No.5)。このように、温度差ΔＴが１００℃に到達しない小さな値の場合には、絞り量δ（実績値）もあまり大きくとれない。また、温度差ΔＴが３００℃を超えると、口絞り部の温度が低くなり、変形抵抗が著しく増加するため、端部拘束力が強くなり過ぎて、絞り量δも大きくなり過ぎ、拡径鍛造過程で、目標絞り量に制御することが、却って難しくなる。また、局部冷却のために、円周方向のバラツキも大きくなる。したがって、円筒状シェル部９ｂの温度Ｔｃと口絞り部９ａの温度Ｔｆの差ΔＴが１００℃〜３００℃の範囲にあるように、口絞り部先端部の冷却を行なうことが望ましい。

（ａ）〜（ｄ）口絞りシェルの製造工程を模式的に示す説明図である。（ｅ）リング状の被加工材の外周面に加工したノッチを示す説明図である。（ａ）拡径鍛造工程における口絞り部先端面の冷却を模式的に示す説明図である。（ｂ）冷却に使用するスプレイノズルの配置を模式的に示す説明図である。（ａ）中間部材を用いて半球形状鏡板と円筒状本体部を接合する構造を模式的に示した説明図である。（ｂ）円筒状本体部の端部に口絞り部を設けた一体型口絞りシェルを示す説明図である。（ａ）、（ｂ）従来技術の拡径鍛造により口絞りシェルを製造する方法を示す説明図である。従来技術のプレス成形により口絞りシェルを製造する方法を示す説明図である。（ａ）拡径鍛造時の芯金と金敷との間に素材をセットした状態を示す説明図である。（ｂ）拡径鍛造により口絞り部が形成された状態を示す説明図である。

符号の説明

１：鋼塊１ａ：素材ｂ１ｂ：円筒状素材
１ｃ：リング状の被加工材２、３：金型４：ポンチ
５：芯金５ａ：芯金端面６：上金敷
７：ノッチ８：スプレイノズル９：口絞りシェル
９ａ：口絞り部９ｂ：円筒状シェル部Ｅ：素材端面
Ｅａ：口絞り部端面

Claims

リング状の被加工材の外周面にノッチを加工する工程を有し、このリング状の被加工材を芯金と金敷との間で回転させながら拡径鍛造することにより、円筒状シェルの端部に口絞り部が一体に形成されるようにした口絞りシェルの製造方法であって、前記円筒状シェルの外径または肉厚が、予め設定した所定の値になるまで口絞り部を予備成形した後、仕上げの拡径鍛造を行なう工程を有し、前記予備成形の後、前記口絞り部を冷却しながら拡径鍛造を行なうことを特徴とする口絞りシェルの製造方法。
前記冷却をする口絞り部の先端部が、先端部の端面であることを特徴とする請求項１に記載の口絞りシェルの製造方法。
前記冷却を、水もしくは空気、または水と空気との気液混合液で行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の口絞りシェルの製造方法。
前記冷却を、前記先端部の端面に対向させて、上金敷の直下の先端部端面の位置に、または、この位置を含めて周方向に複数の位置に、それぞれ配置したノズルにより行なうことを特徴とする請求項３に記載の口絞りシェルの製造方法。
前記冷却を、前記円筒状シェルの外表面温度と口絞り部の外表面温度との差が１００℃〜３００℃の範囲にあるように行なうことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の口絞りシェルの製造方法。