(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パスライン周りに対向配置された一対の穿孔用ロールと、この穿孔用ロールの配列方向と直角に配置された一対のディスクロールとを備える圧延機を用いて継目無鋼管を穿孔圧延する方法であって、前記穿孔用ロールの軸方向成分速度Ｖｒ（ｍｍ／ｓｅｃ）、前記ディスクロールの周速Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）およびこれらの比αを下記（１）〜（３）式で定義した場合に、ここで定義されたＶｒおよびαが下記（４）および（５）式の関係を満足することを特徴とする継目無鋼管の穿孔圧延方法。
Ｖｒ  ＝  ｒＤ・π・ｓｉｎβ・ｒＮ／６０                ・・・            （１）
Ｖｄ  ＝  ｄＤ・π・ｄＮ／６０                            ・・・                （２）
α  ＝  Ｖｄ／Ｖｒ                                            ・・・                （３）
６００  ≦  Ｖ  ｒ  ≦  １３００                              ・・・            （４）
１．５  ≦  α  ＜  ８．０                                    ・・・            （５）
ただし、ｒＤ：穿孔用ロールのゴージ部直径（ｍｍ）
ｒＮ：穿孔用ロールの回転数（ｒｐｍ）
β：穿孔用ロールの傾斜角（°）
ｄＤ：ディスクロールの溝底面の最小直径（ｍｍ）
ｄＮ：ディスクロールの回転数（ｒｐｍ）
【請求項２】
前記（５）式を下記（６）式に置き換えることを特徴とする請求項１記載の継目無鋼管の穿孔圧延方法。
２．３  ≦  α  ＜  ８．０                                    ・・・            （６）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスクロールを有する穿孔圧延機を用いた継目無鋼管の製造方法に関し、さらに詳しくはディスクロールに発生する焼き付きを防止し、ディスクロールの整備、交換に要する停機時間を削減するとともに、被圧延材に発生する外面欠陥の低減によって製品歩留まりを向上させることができる継目無鋼管の穿孔圧延方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
継目無鋼管を熱間で製造する方法として、いわゆるマンネスマン製管法が広く採用されている。この製管方法は、高温度に加熱された中実丸ビレットを被圧延材とし、この丸ビレットを穿孔圧延機（いわゆる、ピアサ）に送給して、その軸心部に孔を明けてホローシェル（中空素管）を得る。次いで、得られたホローシェルをそのまま、あるいは必要に応じて上記穿孔圧延機と同一構成のエロンゲータに通して拡径、薄肉化せしめた後、プラグミル、マンドレルミルなどの後続する延伸圧延装置に送給して延伸圧延する。その後、ストレッチレデューサ、リーラ、サイザなどに通して磨管、形状修正およびサイジングを行って、継目無鋼管を製造する方法である。
穿孔圧延機は被圧延材のパスラインに対して左右方向、または上下方向に配置された一対の穿孔用ロールと、この穿孔用ロールの配列方向と直角の方向に配置された一対のディスクロールを備え、このロールおよびディスクロールによって被圧延材を支持、旋回させ、パスライン上に配置された内面規制工具であるプラグによって穿孔圧延を行うように構成されている。上記圧延機に用いられる穿孔用ロールには、バレル型またはコーン型の２種類に区分される。
【０００３】
図１は、穿孔用ロールとしてバレル型ロールを用いて被圧延材を穿孔圧延する状況を説明する図である。同図（ａ）は模式的平面図を示し、（ｂ）は同側面図を、（ｃ）は（ｂ）におけるＩ−Ｉ矢視の縦断面図をそれぞれ示している。図中では穿孔用ロール１、穿孔用プラグ２およびディスクロール３の配置および作動状況が示される。
【０００４】
穿孔用ロール１がバレル型ロールでは、軸方向の中間部に直径の暫増量を変化させるゴージ部１１が設けられ、ロール面を入側面１２および出側面１３とに区分している。そして、一対のロール１、１は、被圧延材である中実丸ビレットＢのパスラインＸ−Ｘの左右方向または上下方向に対向配置され、所定のロール開度Ｒｇが設定される。さらに、図１（ｂ）に示すように、穿孔用ロール１の回転軸は、パスラインＸ−Ｘに対して傾斜角βだけ傾いている。
【０００５】
穿孔用プラグ２は、全体として弾頭形状に成形されており、その基端部はマンドレルＭの先端部に支持されている。このプラグ２は、図１（ａ）に示すように、穿孔用ロール１、１間のパスラインＸ−Ｘ上にその軸心を一致させて支持されるとともに、所定のリードＬｄ、すなわち、ゴージ部１１からプラグ先端までの距離が確保できるように位置決めされる。このように支持されたプラグ２は、パスラインＸ−Ｘを回転軸心として回転可能となっている。
【０００６】
図１（ｃ）に示すように、ディスクロール３、３は、穿孔圧延に際しプラグ２と対向するようにパスセンタＸ−Ｘの上下方向または左右方向に配置されており、図示していない駆動モータで回転駆動されるようになっている。
【０００７】
図２は、図１（ｃ）に示されるディスクロールの外面形状を示す図である。ディスクロール３は、円盤形状で構成され、被圧延材との接触部は溝底３ｄを形成し、ビレットＢまたは穿孔後のホローシェルＨの外周面に沿うように、最小直径ｄＤを設ける孔型が形成されている。
【０００８】
図３は、穿孔用ロール１としてコーン型ロールを用いて被圧延材を穿孔圧延する状況を説明する図である。図３（ａ）は模式的平面図を示し、（ｂ）は同側面図を示している。ただし、縦断面図は、図１（ｃ）に示すバレル型ロールの場合と同じ構成になるので省略している。
【０００９】
コーン型ロールであっても、軸方向の直径の暫増量を変化させるゴージ部１１を備えており、ロール面を入側面１２および出側面１３に区分している。そして一対のロール１、１は、パスラインＸ−Ｘに対し対向配置され、所定のロール開度を設ける。さらに、コーン型ロールの回転軸は、パスラインＸ−Ｘに対して図３（ａ）に示す交叉角γを設けると同時に、図３（ｂ）に示す傾斜角βを設けている。
【００１０】
コーン型ロールを用いる場合であっても、穿孔用プラグ２の位置決めおよびディスクロール３の配置は、バレル型ロールを用いる場合と同じである。
【００１１】
上述のように構成された穿孔圧延機において、パスラインＸ−Ｘ上を白抜き矢印方向に送給された中実丸ビレットＢは、穿孔用ロール１の入側面１２、１２間に噛み込まれた後は旋回しつつパスライン上を移動し、穿孔用プラグ２によってその軸心部に孔が明けられてホローシェル（中空素管）Ｈとなる。
【００１２】
このとき、図１（ｃ）に示すように、中実丸ビレットＢが穿孔されるにともなって、ホローシェルＨの外周長の膨らみが大きくなり、半径方向外向きに膨れ出す挙動を示す。このため、ディスクロール３は、ホローシェルとの接触面がホローシェルの進行方向と同方向となるように、パスラインＸ−Ｘ上を追随回転する。これによって、ビレットの揺れを抑えるとともに、ホローシェルが半径方向外向きに膨れ出すのを抑制して、穿孔圧延を円滑に行うことが可能になる。
【００１３】
穿孔用ロールの回転数は、操業能率の観点から決められる。操業能率はホローシェルの穿孔速度が速くなればなるほど向上することができ、通常、ホローシェルの穿孔速度は、穿孔用ロールの軸方向成分速度にある滑り率を加味して設定される。そして、穿孔用ロールの軸方向成分速度Ｖｒ（ｍｍ／ｓｅｃ）は、ゴージ部での軸方向成分速度として把握し、穿孔用ロールのゴージ部直径をｒＤ（ｍｍ）、穿孔用ロールの回転数をｒＮ（ｒｐｍ）、穿孔用ロールの傾斜角をβ（°）とした場合に、下記（１）式で求められる。
【００１４】
Ｖｒ  ＝  ｒＤ・π・ｓｉｎβ・ｒＮ／６０                ・・・            （１）
穿孔用ロールの軸方向成分速度Ｖｒは、継目無鋼管の製造設備にもよるが、一般的に６００〜１３００ｍｍ／ｓｅｃになるように、穿孔用ロールの回転数が設定される。
【００１５】
ディスクロールはホローシェルの進行方向と同方向に回転されるが、このホローシェルの進行を阻害しないように、その周速を設定する必要がある。ディスクロールの周速Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）は、ロール孔型の溝底面での周速として把握し、ディスクロール溝底面の最小直径をｄＤ（ｍｍ）、ディスクロールの回転数をｄＮ（ｒｐｍ）とした場合に、下記（２）式で算出される。そして、算出されたＶｒおよびＶｄの比を下記（３）式で表す。
【００１６】
Ｖｄ  ＝  ｄＤ・π・ｄＮ／６０                            ・・・                （２）
α  ＝  Ｖｄ／Ｖｒ                                            ・・・                （３）
ディスクロールの周速がホローシェルの進行を阻害しないように、従来の経験に基づき、一般的に、α＜１．３の範囲で設定されている。しかし、ホローシェルが高速で回転しながら形成されるため、その摩擦によって、ディスクロールとホローシェルとの接触面に焼き付きや摩耗が発生する。このように、ディスクロール表面に発生する焼き付きを防止するため、ディスクロールの冷却、ディスクロール表面またはホローシェル表面への潤滑剤の塗布、ディスクロール材質の適正化等による改善に努めたが、焼き付きの発生を皆無にするまでには至っていない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、従来の穿孔用ロールおよびディスクロールの周速管理やディスクロールの冷却、潤滑剤の塗布等の対策では、ディスクロールに発生する焼き付きを完全に防止するまでに至っていない。ディスクロールに焼き付きが発生すると、直ちにホローシェルの外面に欠陥が発生して、製品歩留を低下させる。また、ディスクロール表面に付着した焼き付き物の除去作業やディスクロールの交換作業が必要となって、穿孔圧延機の停機時間が増加する。
【００１８】
このような停機時間の増加は、単に穿孔圧延機の稼働率を低下させるだけでなく、特に近年のように、継目無鋼管の高効率生産を目的として、マンネスマン製管設備の連続化が実施されるようになると、製造ラインの全体効率を悪化させることになる。
【００１９】
本発明は、従来の穿孔圧延機に発生する焼き付きに関する問題点を解決して、ディスクロールとホローシェルとの接触部に生じる焼き付きをなくし、外面欠陥の低減による製品歩留まりを向上させるとともに、ディスクロールの整備に要する停機時間を削減し、製造ラインの全体効率を向上させることができる継目無鋼管の穿孔圧延方法を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前述の課題を達成するため、ディスクロール表面の焼き付き部の観察、およびディスクロールとホローシェルの接触部での温度解析を重ね、以下の（ａ）〜（ｃ）の知見を得ることができた。
（ａ）  ディスクロール表面の焼き付き部の観察結果からの知見
ディスクロールの焼き付き部には、まず塑性流動が発生し、それに起因してロール表面に凹凸部分が生じ、その部分が高温状態のホローシェルと焼き付くことになる。そして、この塑性流動の発生は、ホローシェルとの接触時にディスクロール表面が極めて高温になり、これにともなって表面強度が低下することが原因である。
（ｂ）  ディスクロールとホローシェルの接触部での温度解析からの知見
図４は、ディスクロールとホローシェルの接触部での温度解析の結果に基づく圧延時間とディスクロール表面温度との関係を示す図である。ホローシェルと接触状態でのディスクロール表面温度の測定は困難なため、シミュレータを開発しそのシミュレーション結果から表面温度を解析した。その条件は、ビレット加熱温度１２３０℃でホローシェル速度１ｍ／ｓｅｃとしている。
【００２１】
図４に示す結果から、ディスクロールの表面温度は、ホローシェルとの１回の接触によって８００℃を超えるような高温に達することが判明した。しかし、接触によって高温になったディスクロール表面は、ホローシェルから離れると急激に降温し、次回のホローシェルとの接触直前には、１００℃未満で前回接触前の温度まで低下することが分かる。
【００２２】
言い換えると、塑性流動の原因となるディスクロール表面の高温化は、ホローシェルとの繰り返し接触により徐々に生じるのではなく、１回のホローシェルとの接触によって生じるものである。したがって、単に非接触時にディスクロール表面を水冷して冷却する方法では、基本的にディスクロールの焼き付きを防止できないことが明らかになる。なお、図４では、ビレット１本の穿孔でディスクロールが３回転し、ディスクロールの特定位置が３度ホローシェルに接触することを示している。
（ｃ）  ディスクロール表面温度の上昇要因に関する知見
発明者らは、上記（ａ）および（ｂ）の知見に基づき、さらにディスクロール表面温度の上昇要因を詳細に検討した結果、温度上昇には、次の２つの要因が関与していることを明らかにした。すなわち、
イ．ホローシェルとディスクロールとの接触時の伝熱による昇温、および
ロ．ホローシェルとディスクロールとの滑り摩擦発熱による昇温、である。
【００２３】
しかも、上記イ、ロの要因は、穿孔用ロールの軸方向成分速度Ｖｒ（ｍｍ／ｓｅｃ）とディスクロールの周速Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）とを一定の関係でコントロールすることによって、上昇要因の影響を緩和することができる。
【００２４】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記の継目無鋼管の穿孔圧延方法を要旨としている。
【００２５】
すなわち、パスライン周りに対向配置された一対の穿孔用ロールと、この穿孔用ロールの配列方向と直角に配置された一対のディスクロールとを備える圧延機を用いて継目無鋼管を穿孔圧延する方法であって、前記穿孔用ロールの軸方向成分速度Ｖｒ（ｍｍ／ｓｅｃ）、前記ディスクロールの周速Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）およびこれらの比αを下記（１）〜（３）式で定義した場合に、ここで定義されたＶｒおよびαが下記（４）および（５）式の関係を満足することを特徴とする継目無鋼管の穿孔圧延方法である。
【００２６】
Ｖｒ  ＝  ｒＤ・π・ｓｉｎβ・ｒＮ／６０                ・・・            （１）
Ｖｄ  ＝  ｄＤ・π・ｄＮ／６０                            ・・・                （２）
α  ＝  Ｖｄ／Ｖｒ                                            ・・・                （３）
６００  ≦  Ｖ  ｒ  ≦  １３００                              ・・・            （４）
１．５  ≦  α  ＜  ８．０                                    ・・・            （５）
さらに、上記の継目無鋼管の穿孔圧延方法では、前記（５）式を下記（６）式に置き換えるのが望ましい。
【００２７】
２．３  ≦  α  ＜  ８．０                                    ・・・            （６）
【００２８】
【発明の実施の形態】
前述の通り、本発明で対象とする穿孔圧延機に設けられるディスクロールにおいて、そのロール表面の温度上昇は、ホローシェルとの接触時の伝熱による昇温、およびホローシェルとの滑り摩擦発熱による昇温が要因となっている。
ここで、ディスクロールへの入熱をＱ、ホローシェルとの接触時の伝熱をＱｃ、ホローシェルの軸方向進行速度とディスクロール周速との相対速度差によって生ずる摩擦発熱量をＱｆＬ、およびホローシェルの回転周速による摩擦発熱量をＱｆｒとして、ディスクロールへの入熱を定式化すると、下記（７）〜（１０）の式を得る。
【００２９】
Ｑ    ＝  Ｑｃ  ＋  ＱｆＬ  ＋  Ｑｆｒ          ・・・        （７）
Ｑｃ  ＝  Ｃ  ・  ΔＴ  ・  ｔ                          ・・・                （８）
ただし、Ｃ：伝熱係数、ΔＴ：ディスクロールとホローシェルとの温度差
ｔ：接触時間
ＱｆＬ  ＝  μ  ・  ｐ  ・  Ｖｒｅｌ  ・  ｔ        ・・・            （９）
ただし、μ：摩擦係数、ｐ：面圧、ｔ：接触時間
Ｖｒｅｌ：ホーローシェルの進行速度とディスクロール周速の相対速度差
Ｑｆｒ  ＝  μ  ・  ｐ  ・  Ｖｒｅｒ  ・  ｔ        ・・・            （１０）
ただし、μ：摩擦係数、ｐ：面圧、ｔ：接触時間
Ｖｒｅｒ：ホーローシェルの回転方向周速と同方向のディスクロールとの          速度差
ここで、ホローシェルの回転方向周速に対して同方向のディスクロール速度成分は無視して、Ｖｒｅｒはホーローシェルの回転方向周速と等しいとしている。
【００３０】
上述の関係において、穿孔用ロールの回転数を一定、すなわち、ホローシェルの進行速度を一定として、ディスクロールの周速を増加すると、上記（９）式から、ＱｆＬは増加するが、ディスクロールとホローシェルとの接触時間が短縮するので、伝熱Ｑｃは低減する。
【００３１】
一方、ディスクロールの周速を一定にし、穿孔用ロールの回転数を増加させると、ホローシェルの進行速度と回転周速が増加するので、上記（１０）式から、Ｑｆｒは増加するが、穿孔に要する時間が短くなるので伝熱Ｑｃは低減する。このとき、ＱｆＬは、その設定時の相対速度差によって増加する場合と低減する場合とがある。このように、ディスクロールの周速とホローシェルの進行速度、すなわち、穿孔用ロールの軸方向成分速度の設定によって、ディスクロールへの入熱量は変化する。
【００３２】
上述の伝熱による昇温、および滑り摩擦発熱による昇温の影響を定量的に評価し、ディスクロールの表面温度をコントロールできる穿孔用ロールの軸方向成分速度Ｖｒ（ｍｍ／ｓｅｃ）およびディスクロールの周速Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）を明確にするため、温度シミュレーション解析を適用した。
【００３３】
シミュレーション解析は、穿孔用ロールの軸方向速度成分Ｖｒを通常操業時の設定範囲より３水準選定し、それぞれのＶｒに対してディスクロール周速Ｖｄを３水準選定して合計９条件で実施した。このときのシミュレーション条件と結果を表１に示し、図５には、ディスクロール周速Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）とディスクロール（溝底）表面最高温度（℃）との関係を示す。
【００３４】
【表１】
0003578052.tif 000002
上記シミュレーション結果から、ディスクロール周速Ｖｄが同一、すなわち、ホローシェルとディスクロールの接触時間が同一である場合には、Ｖｒを増加させると、ホローシェルとディスクとの摩擦発熱による昇温によって、ディスクロールの表面最高温度が上昇することが分かる。
【００３５】
一方、穿孔用ロールの軸方向速度成分Ｖｒが同一である場合には、Ｖｄが所定の範囲にある限りにおいて、Ｖｄを増加させるとホローシェルとディスクロールとの接触時間が短くなることによって、ディスクロールの表面温度は低減する。しかし、Ｖｄが所定の範囲を超えるようになると、Ｖｄを増加させるとホローシェルとディスクとの摩擦発熱によって、ディスクロールの表面最高温度は低減しないことが判明した。次に、ＶｄとＶｒとの関係を明らかにした。
【００３６】
図６は、シミュレーション結果に基づいてα（＝Ｖｄ／Ｖｒ）とディスクロール表面最高温度（℃）との関係を示す図である。いずれのＶｒであっても、αが減少するのにともなって、ディスクロール表面最高温度（℃）が上昇している。
【００３７】
焼き付きによって使用不能となったディスクロールの表面組織を観察した結果から、焼き付きを発生する場合には、ロール溝底表面の最高温度が９００℃以上に達していることを確認している。したがって、焼き付き防止対策としては、ディスクロールの表面最高温度を９００℃未満にすることが有効である。そこで、図６に示す結果から、α≧１．５の関係を確保する必要があることが分かる。
【００３８】
次に、Ｖｒに関しては、前述の通り、穿孔用ロールの回転数は操業能率に大きく影響することから、通常、下記（４）式を満足するように管理する必要がある。
【００３９】
６００  ≦  Ｖ  ｒ  ≦  １３００                              ・・・            （４）
実機の穿孔圧延機を用いて、圧延後のホローシェル寸法で外径２４４．５ｍｍ×肉厚１０〜１４ｍｍ、規格Ｎ８０グレード材を穿孔用ロールの軸方向成分速度Ｖｒを８００〜１２００ｍｍ／ｓｅｃの範囲で変動させ、同時にディスクロールの周速Ｖｄも変動させて、αを変化させて圧延を行った。実機での品質状況を確認するため、圧延し冷却した後の素管表面の焼き付き疵発生率とディスクロール表面の塑性流動の有無を確認した。
【００４０】
焼き付き疵発生率は、同一条件（Ｖｒおよびα）で５００本圧延を行い、本数比率で発生率（％）を測定した。また、塑性流動の有無は、各条件の圧延終了毎にディスクロールの溝底面を肉眼で観察して調査した。その結果を表２に示し、図７には、αと被圧延材の表面焼き付き疵発生率（％）との関係を示す。
【００４１】
【表２】
0003578052.tif 000003
上記の結果から、αを増加させることによって、素管表面の焼き付き疵発生率を減少できると同時に、ディスクロール表面の塑性流動を少なくすることができる。さらに望ましくは、αを２．３以上にすることによって、その効果をより向上させることができる。
【００４２】
しかしながら、αを８．０まで増加すると、穿孔失敗、具体的には穿孔終了直前での穿孔停止のトラブルが発生することが明らかになった。したがって、αは下記（５）式の関係を満足する必要がある。
【００４３】
１．５  ≦  α  ＜  ８．０                                    ・・・            （５）
【００４４】
【発明の効果】
本発明に係る穿孔圧延方法によれば、穿孔用ロールおよびディスクロールの回転数をコントロールすることによって、ディスクロールとホローシェルとの接触部に生じる焼き付きをなくし、外面欠陥の低減による製品歩留まりを向上させるとともに、ディスクロールの整備に要する停機時間を削減して、効率的に継目無鋼管を製造することができる。特に近年のように、鋼管製造の効率化の観点から、マンネスマン製管設備の連続化が実施されるようになると、高効率化の達成に合わせ、製造ラインの全体効率の向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】穿孔用ロールとしてバレル型ロールを用いて被圧延材を穿孔圧延する状況を説明する図であり、（ａ）は模式的平面図を示し、（ｂ）は同側面図を、（ｃ）は（ｂ）におけるＩ−Ｉ矢視の縦断面図を示している。
【図２】ディスクロールの外面形状を示す図である。
【図３】穿孔用ロールとしてコーン型ロールを用いて被圧延材を穿孔圧延する状況を説明する図であり、（ａ）は模式的平面図を示し、（ｂ）は同側面図を示している。
【図４】ディスクロールとホローシェルの接触部での温度解析の結果に基づく圧延時間とディスクロール表面温度との関係を示す図である。
【図５】ディスクロール周速Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）とディスクロール（溝底）表面最高温度（℃）との関係を示す図である。
【図６】シミュレーション結果に基づいてα（＝Ｖｄ／Ｖｒ）とディスクロール表面最高温度（℃）との関係を示す図である。
【図７】αと被圧延材の表面焼き付き疵発生率（％）との関係を示す図である。
【符号の説明】
１：穿孔用ロール、  ２：穿孔用プラグ
３：ディスクロール、  ３ｄ：溝底
１１：ゴージ部、  １２：入側面
１３：出側面
Ｂ：中実丸ビレット、  Ｈ：ホローシェル
【図１】
0003578052.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003578052.tif 000009
【図７】
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