JP4706971B2

JP4706971B2 - 継目無鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP4706971B2
Application number: JP2006040032A
Authority: JP
Inventors: 健一篠木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: JP2006255786A

Description

本発明は、Ｃｒを５％以上（本明細書では特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味する）含有する継目無鋼管の製造方法に関する。具体的には、本発明は、Ｃｒを５％以上含有する高合金鋼からなる被圧延材に延伸圧延を行った後におけるマンドレルバーの引き抜き不良を、効果的に抑制しながら継目無鋼管を製造するための方法に関する。

マンネスマン−マンドレルミル方式による継目無鋼管の製造では、まず、素材である丸ビレット又は角ビレットを回転炉床式加熱炉に装入して１２００〜１２６０℃に加熱する。次に、穿孔圧延機を用いて穿孔圧延を行って、中空素管とする。つづいて、この中空素管の内面にマンドレルバーを串状に挿入し、通常５〜８スタンドからなるマンドレルミルを用いて中空素管の外面を孔型圧延ロールで拘束しながら延伸圧延を行って、素管を所定の値まで減肉する。減肉された素管からマンドレルバーを引き抜き、絞り圧延機を用いて所定の外径へ成形圧延することにより、継目無鋼管を製造する。

延伸圧延を行うマンドレルミルには、マンドレルバーの軸方向への動きを拘束しないフルロートマンドレルミルと、マンドレルミルの入側に配置したバーリテイナによってマンドレルバーの後端を保持することによりマンドレルバーの軸方向への速度（本明細書では「保持速度」ともいう）を一定に保つリテインドマンドレルミルとがある。前者のフルロートマンドレルミルを用いた場合、不可避的にマンドレルバーの速度変動が生じて、素管の寸法が変動し易い。このため近年では、この延伸圧延には、後者のリテインドマンドレルミルが多用される。

特許文献１には、マンドレルバーの保持速度が、各ロールスタンドにおける入口圧延速度の０．２５倍以上、かつ出口圧延速度の１．５倍以下の値としてリテインドマンドレルミルを用いて延伸圧延することにより、被圧延材の内面品質を向上する発明が開示される。
特開平８−２９４７１１号公報

本発明者は、５％以上のＣｒを含有する高合金鋼からなる中空素管を、この特許文献１により開示された発明に基づいてリテインドマンドレルミルを用いて延伸圧延すると、延伸圧延を終了した後に被圧延材からマンドレルバーを引き抜き難くなる現象（本明細書では「マンドレルバーの引き抜き不良」という）が発生することを見出した。

マンドレルバーの引抜き不良は、リテインドマンドレルミルを用いる延伸圧延工程の生産性を大幅に低下させる原因の一つとなる。このため、５％以上のＣｒを含有する高合金鋼からなる継目無鋼管を工業的規模で量産するためには、必ず解決しなければならない極めて重要な技術課題である。

本発明は、延伸圧延時におけるマンドレルバーの軸方向への速度を一定に保つリテインドマンドレルミルを用い、マンドレルバーの保持速度Ｖｂ、リテインドマンドレルミルの入側における被圧延材の速度Ｖｉ、及びリテインドマンドレルミルの出側における被圧延材の速度Ｖｅが、０．１５≦Ｖｂ／｛（Ｖｉ十Ｖｅ）／２｝≦０．５の関係を満足するようにして、被圧延材に延伸圧延を行うことによって、Ｃｒを５％以上含有する高合金鋼からなる継目無鋼管を製造することを特徴とする継目無鋼管の製造方法である。

本発明によれば、Ｃｒを５％以上含有する高合金鋼からなる被圧延材の延伸圧延後におけるマンドレルバーの引き抜き不良を効果的に抑制するとともに、このマンドレルバーの寿命を大幅に延長できる。そして、本発明によれば、Ｃｒを５％以上含有する高合金鋼からなる継目無鋼管を工業的規模で確実に量産することができるようになる。

本発明に係る継目無鋼管の製造方法を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施の形態では、はじめに、Ｃｒを５％以上含有する高合金鋼からなる素材である丸ビレット又は角ビレットを、回転炉床式加熱炉に装入して１２００〜１２６０℃に加熱する。そして、この素材を加熱炉から抽出し、穿孔機を用いて穿孔圧延を行って中空素管を製造する。

この中空素管の製造は、周知慣用の手段によればよい。このような手段は当業者には周知であるので、この工程に関するこれ以上の説明は省略する。

次に、この中空素管の内面にマンドレルバーを串状に挿入し、通常５〜８スタンド（本実施の形態では５スタンド）からなるリテインドマンドレルミルを用いて、中空素管の外面を孔型圧延ロールで拘束しながら延伸圧延を行うことにより、素管を所定の値まで減肉する。

延伸圧延を行うリテインドマンドレルミルの入側には、マンドレルバーの後端を保持するためのバーリテイナが配置される。延伸圧延時には、マンドレルバーはこのバーリテイナによってマンドレルバーの後端を保持される。これにより、延伸圧延時におけるマンドレルバーの軸方向への速度（保持速度）Ｖｂが一定に保たれる。

本実施の形態では、この延伸圧延時におけるマンドレルバーの保持速度Ｖｂ、リテインドマンドレルミルの入側における被圧延材の速度Ｖｉ、及びリテインドマンドレルミルの出側における被圧延材の速度Ｖｅが、０．１５≦Ｖｂ／｛（Ｖｉ十Ｖｅ）／２｝≦０．７０の関係を満足するようにして、被圧延材に延伸圧延を行う。そこで、この関係を満足して延伸圧延を行う理由を説明する。

本発明者は、延伸圧延時におけるマンドレルバーの保持速度Ｖｂ、リテインドマンドレルミルの入側における被圧延材の速度Ｖｉ、及びリテインドマンドレルミルの出側における被圧延材の速度Ｖｅが特定の条件になるようにすれば、延伸圧延終了後の被圧延材（本明細書では「シェル」ともいう）と、マンドレルバーとが接触している部分（本明細書では「オーバーラップ部」という）の長さを適切に設定することができ、マンドレルバーの引き抜き不良を効果的に抑制することができるとともに、マンドレルバーの寿命の低下も抑制できることを見出した。

つまり、このオーバーラップ部は、接触するマンドレルバーによって抜熱されるため、温度低下が大きくなる。これにより、オーバーラップ部は熱収縮して外径が小さくなる。このため、マンドレルバーの引き抜き不良が発生する。

ここで、シェルの長さに対するオーバーラップ部の長さの比率（本明細書では「オーバーラップ率」という）を算出する手法を説明する。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、１〜５ｓｔｄの５スタンドからなるリテインドマンドレルミル１におけるマンドレルバー２及び被圧延材３の挙動を経時的に示す説明図である。なお、図１では、マンドレルバー２の後端２ａを保持するために配置されるバーリテイナは、図１を簡略化して理解を容易にするために、省略してある。

図１（ａ）に示すように、リテインドマンドレルミル１を用いた延伸圧延が行われる前の被圧延材３（以下、適宜「母管」という）の長さをＳｉとする。また、図１（ｄ）に示すように、リテインドマンドレルミル１を用いた延伸圧延が行われた後の被圧延材（シェル）３の長さをＳｅとする。さらに、図１（ａ）〜図１（ｄ）において、リテインドマンドレルミル１の延伸比をＥＬ（ＥＬ＝Ｓｅ／Ｓｉ）とし、リテインドマンドレルミル１の入側における被圧延材（母管）３の速度をＶｉとし、リテインドマンドレルミル１の出側における被圧延材（シェル）３の速度をＶｅ（Ｖｅ＝Ｖｉ×ＥＬ）とし、マンドレルバー２の保持速度をＶｂとする。

図１（ｃ）に示すように、被圧延材３の先端が第５スタンド５ｓｔｄの孔型圧延ロールに噛み込んだ状態から、図１（ｄ）に示すように被圧延材３の後端が第５スタンド５ｓｔｄの孔型圧延ロールを通過する状態に至るまでの間におけるリテインドマンドレルミル１の平均圧延速度は（Ｖｉ十Ｖｅ）／２である。また、図１（ｃ）に示す状態から図１（ｄ）に示す状態に至るまでの圧延時間はＳｅ／｛（Ｖｉ＋Ｖｅ）／２｝である。

したがって、図１（ｃ）に示す状態から図１（ｄ）に示す状態に至るまでの延伸圧延時にマンドレルバー２が進行する長さ△Ｌは、△Ｌ＝Ｖｂ×Ｓｅ／｛（Ｖｉ＋Ｖｅ）／２｝により表される。

図１（ｃ）において、マンドレルバー２のうちで被圧延材３の先端から突き出ている部分の長さ（突き出し長）をＬ５とすると、図１（ｄ）に示すオーバーラップ長Ｌは、Ｌ＝Ｌ５＋△Ｌとして表される。そして、突き出し長Ｌ５を経験的にＬ５≒０と近似すると、Ｌ≒△Ｌ＝Ｖｂ×Ｓｅ／｛（Ｖｉ＋Ｖｅ）／２｝となる。したがって、オーバーラップ率Ｋは、下記（２）式により表す。
Ｋ＝Ｌ／Ｓｅ≒Ｖｂ×Ｓｅ／｛（Ｖｉ＋Ｖｅ）／２｝／Ｓｅ
＝Ｖｂ／｛（Ｖｉ＋Ｖｅ）／２｝・・・・・・・（２）

発明者は、この式：Ｋ＝Ｖｂ／｛（Ｖｉ＋Ｖｅ）／２｝により求められるオーバーラップ率Ｋが大きくなると、早期に温度低下するため、その分だけマンドレルバー２の引き抜き不良が発生し易くなり、オーバーラップ率Ｋが小さくなると、早期の温度低下が抑制され、マンドレルバー２の引き披き不良が抑制されることを見出した。

さらに、オーバーラップ率Ｋを小さくし過ぎると、マンドレルバー２の摩耗、肌荒れさらには割れ、あるいはシェル３との焼き付き等が生じ易くなり、マンドレルバー２の寿命が低下することも見出した。

すなわち、オーバーラップ率Ｋを小さくし過ぎると、マンドレルバー２の狭い範囲で延伸圧延を行うことになり、マンドレルバー２の単位長さ（或いは単位面積）当たりの仕事量が部分的に増加することになる。このため、マンドレルバー２には摩耗や肌荒れ等が生じ易くなる。

また、後述するように、オーバーラップ率Ｋは、リテインドマンドレルミル１における平均圧延速度に反比例する。このため、この平均圧延速度とマンドレルバー２の保持速度との相対的な速度差を大きくすることによってオーバーラップ率Ｋを小さくし過ぎると、マンドレルバー２と被圧延材３との摩擦が大きくなる。このため、マンドレルバー２には、摩耗や肌荒れ等が生じ易くなる。

このように、オーバーラップ率Ｋには、マンドレルバー２の引き抜き性を確保するために好ましい上限値が存在するとともに、マンドレルバー２の寿命の低下を抑制するために好ましい下限値が存在する。

図２は、オーバーラップ率Ｋを０．１から０．８の範囲で変更して１３％Ｃｒ鋼からなる被圧延材に延伸圧延を行って継目無鋼管を製造した場合において、オーバーラップ率Ｋと、ミスロールの発生率｛＝（マンドレルバー引抜不良が発生した本数／被圧延材の本数）×１００｝、又は同一のマンドレルバーを用いて５０本の圧延材を圧延した後におけるマンドレルバーの表面の粗さＲａとの関係を示すグラフである。

図２にグラフで示すように、オーバーラップ率Ｋを０．７０よりも大きくすると、マンドレルバーの引き抜き性が悪化することがわかる。一方、オーバーラップ率Ｋを０．１５よりも小さくすると延伸圧延後のマンドレルバーの表面の粗さが大きくなり、マンドレルバーの寿命が低下することがわかる。

図２にグラフで示すように、オーバーラップ率Ｋが０．７０以下であれば、５％以上のＣｒを含有する高合金鋼からなる被圧延材３の延伸圧延後に発生するマンドレルバー２の引き抜き不良を効果的に抑制することができるとともに、オーバーラップ率Ｋが０．１５以上であれば、マンドレルバー２の寿命の低下を抑制することができる。

同様の観点から、オーバーラップ率Ｋの上限は０．６であることがのぞましく、０．５であることがさらに望ましい。一方、オーバーラップ率Ｋの下限は０．２であることがのぞましく、０．３であることがさらに望ましい。

オーバーラップ率Ｋを０．１５以上０．７０以下の範囲とするには、リテインドマンドレルミル１のバーリテイナによって後端を保持されるマンドレルバー２の移動速度Ｖｂ、リテインドマンドレルミルの入側における被圧延材の速度Ｖｉ、又はリテインドマンドレルミルの出側における被圧延材の速度Ｖｅの少なくとも一の値を制御すればよい。

本実施の形態では、このようにして延伸圧延を行われて減肉された被圧延材３からマンドレルバー２を引き抜く。この際、本実施の形態によれば、オーバーラップ率Ｋを０．１５以上０．７０以下として延伸圧延を行っているので、被圧延材３の延伸圧延後に発生するマンドレルバー２の引き抜き不良を効果的に抑制することができるとともにこのマンドレルバー２に生じる損傷を抑制してその寿命を延長することができる。

そして、本実施の形態では、引き抜き不良を生じることなくマンドレルバー２を引き抜かれた被圧延材３に絞り圧延機を用いて所定の外径への成形圧延を行う。このようにして、本実施の形態によれば、Ｃｒを５％以上含有する高合金鋼からなる継目無鋼管を工業的規模で確実に量産することができる。

本発明を、実施例を参照しながらさらに具体的に説明する。

外径３５０ｍｍ、肉厚２７．５５ｍｍ、長さ９８４９ｍｍの寸法を有するとともに、Ｃｒ：１３％、Ｎｉ：６％を含有する鋼組成を有する母管を、リテインドマンドレルミルを用いて、外径２９５ｍｍ、肉厚１２．５５ｍｍ、長さ２４６８５ｍｍのシェルに延伸圧延した。

表１には、この延伸圧延におけるリテインドマンドレルミル１の入側における母管の速度Ｖｉ（ｍｍ／ｓｅｃ）、リテインドマンドレルミルにおける延伸比ＥＬ（ＥＬ＝Ｓｅ／Ｓｉ）、リテインドマンドレルミルの出側におけるシェルの速度Ｖｅ（Ｖｅ＝Ｖｉ×ＥＬ；ｍｍ／ｓｅｃ）、及びマンドレルバーの保持速度Ｖｂ（ｍｍ／ｓｅｃ）を、オーバーラップ率Ｋ＝Ｖｂ／｛（Ｖｉ＋Ｖｅ）／２｝、引抜き性及びバー損傷状況とともに、まとめて示す。
本実施例では、表１における母管の速度Ｖｉ（ｍｍ／ｓｅｃ）、延伸比ＥＬ及びシェルの速度Ｖｅ（ｍｍ／ｓｅｃ）は各条件について一定の値に設定するとともに、マンドレルバーの保持速度Ｖｂを５００〜２６００ｍｍ／ｓｅｃの範囲で変更した。そして、オーバーラップ率Ｋが０．１５以上０．７０以下の範囲となるものを本発明とし、この範囲から外れるものを比較例とした。

また、表１における「引き抜き性」は、ミスロールの発生率が０．１％未満のものを○印で示し、ミスロールの発生率が０．１％以上１．０％以下のものを△印で示し、さらに、ミスロールの発生率が１％を超えるものを×印で示す。

さらに、表１における「バー損傷」は、同一のマンドレルバーを用いて５０本の被圧延材を延伸圧延した後におけるマンドレルバーの表面の粗さＲａが３μｍ未満であるものをＯ印で示し、３μｍ以上７μｍ以下であるものを△印で示し、さらに７μｍを超えるものを×印で示す。

表１に示すように、オーバーラップ率Ｋが０．１５以上０．７０以下の範囲であれば、引き抜き性及びバー損傷のいずれについても良好な結果が得られるのに対し、オーバーラップ率Ｋがこの範囲を満足しないと、引き抜き性又はバー損傷のいずれか一方が不芳な結果となることがわかる。

外径３３７ｍｍ、肉厚４１．０３ｍｍ、長さ５４７３ｍｍの寸法を有するとともに、Ｃｒ：１８％、Ｎｉ：８％を含有する鋼組成を有する母管を、リテインドマンドレルミルを用いて、外径２９５ｍｍ、肉厚３１．０３ｍｍ、長さ８１１５ｍｍのシェルに延伸圧延した。

表２には、上述した表１に記載した事項と同じ事項の値を示す。本実施例でも表２における母管の速度Ｖｉ（ｍｍ／ｓｅｃ）、延伸比ＥＬ及びシェルの速度Ｖｅ（ｍｍ／ｓｅｃ）は各条件について一定の値に設定するとともに、マンドレルバーの保持速度Ｖｂについては実施例１とは異なり、２５０〜１４００ｍｍ／ｓｅｃの範囲で変更した。実施例１と同様に、試験結果を表２にまとめて示す。

表２に示すように、オーバーラップ率Ｋが０．１５以上０．７０以下の範囲であれば、引き抜き性及びバー損傷のいずれについても良好な結果が得られるのに対し、オーバーラップ率Ｋがこの範囲を満足しないと、引き抜き性又はバー損傷のいずれか一方が不芳な結果となることがわかる。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、５スタンドからなるリテインドマンドレルミルにおけるマンドレルバー及び被圧延材の挙動を経時的に示す説明図である。オーバラップ率Ｋを０．１から０．８の範囲で変更して１３％Ｃｒ鋼からなる被圧延材に延伸圧延を行って継目無鋼管を製造した場合において、オーバラップ率Ｋと、ミスロールの発生率｛＝（ミスロールが発生した本数／被圧延材の本数）×１００｝、又は同一のマンドレルバーを用いて５０本の圧延材を圧延した後におけるマンドレルバーの表面の粗さＲａとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１リテインドマンドレルミル
２マンドレルバー
２ａ後端
３被圧延材

Claims

延伸圧延時におけるマンドレルバーの軸方向への速度を一定に保つリテインドマンドレルミルを用い、前記マンドレルバーの保持速度（Ｖｂ）、前記リテインドマンドレルミルの入側における被圧延材の速度（Ｖｉ）、及び該リテインドマンドレルミルの出側における被圧延材の速度（Ｖｅ）が下記（１）式を満足するようにして、該被圧延材に延伸圧延を行うことによって、Ｃｒを５質量％以上含有する高合金鋼からなる継目無鋼管を製造することを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
０．１５≦Ｖｂ／｛（Ｖｉ十Ｖｅ）／２｝≦０．５・・・・・・・（１）
前記マンドレルバーの速度（Ｖｂ）、前記リテインドマンドレルミルの入側における被圧延材の速度（Ｖｉ）、又は該リテインドマンドレルミルの出側における被圧延材の速度（Ｖｅ）の少なくとも一の値を制御することにより、前記（１）式を満足する請求項１に記載された継目無鋼管の製造方法。