无缝金属管的制造方法与流程

本发明涉及一种无缝金属管的制造方法，特别是，涉及一种能够对难加工性材料的钢坯以高加工度进行穿孔轧制从而制造薄壁的坯管(空心构件(hollowpiece))的无缝金属管的制造方法。

背景技术：
作为无缝钢管的制造方法，最一般采用的方法有曼内斯曼-顶头管轧(Mannesmanplugmill)法和曼内斯曼-芯棒式无缝管轧(Mannesmanmandrelmill)法。在这些方法中，使用穿孔轧机对利用加热炉加热到了预定的温度的实心钢坯进行穿孔而做成中空棒状的空心构件，利用顶头管轧机、芯棒管轧机等拉伸轧机，主要通过削减壁厚而将该空心构件做成空心壳。接着，利用定径机或拉伸缩径轧机等减径机，主要通过削减外径而做成预定的尺寸的热加工无缝钢管。本发明涉及一种在上述的工序中的最初的穿孔轧制工序中特别是对难加工性材料的钢坯以高加工度实施穿孔轧制而制造薄壁的空心构件的无缝金属管的制造方法。首先，作为以往技术，说明本发明人等在专利文献1至专利文献4中提出的技术方案。专利文献1的技术方案(以下称作“第1现有技术方案”。)为以下这样的方法：将隔着钢坯和空心构件所通过的轧制线在左右或上下相对设置的两端支承的锥形主辊的倾斜角β和该主辊的交叉角γ保持在下述算式(1)′～(3)′的范围内，一边利用位于所述主辊相互之间且隔着轧制线在上下或左右相对设置的盘形辊面按压钢坯和空心构件一边进行穿孔轧制。即：3°≤β≤25°…(1)′，3°≤γ≤25°…(2)′，15°≤β+γ≤45°…(3)′。上述的倾斜角β是指辊的轴心线与轧制线的水平面或垂直面所成的角度，交叉角γ是指辊的轴心线与轧制线的垂直面或水平面所成的角度。第1现有技术方案根本性地否定了曼内斯曼穿孔法的穿孔原理，以往的曼内斯曼穿孔法是利用所谓的回转锻造效应(曼内斯曼效应)形成容易开孔的状态从而对实心钢坯进行穿孔的穿孔轧制法，相对于此，第1现有技术方案的技术思想在于：(i)极力抑制回转锻造效应(曼内斯曼效应)的产生，(ii)还尽可能地抑制在穿孔过程中产生的圆周方向剪切变形γrθ和表面扭曲剪切变形γβl，实现与倾斜轧制和挤出制管法同等或以其为基准的金属变形。而且，用于实现该技术思想的穿孔轧机为能够形成高交叉角、高倾斜角穿孔的构造，主辊形状形成为锥形，另外，代替导块而采用了盘形辊。专利文献2的技术方案(以下称作“第2现有技术方案”。)为以下这样的无缝钢管的制造方法的技术方案：将隔着钢坯和空心构件所通过的轧制线在左右或上下相对设置的两端支承的锥形主辊的倾斜角β和该主辊的交叉角γ保持在下述的算式(1)～(3)的范围内，且使实心钢坯的直径d0、穿孔轧制后的空心构件的外径d和壁厚t满足下述算式(4)，将穿孔比设为4.0以上，将扩管比设为1.15以上或将“壁厚/外径”比设为6.5以下。即：8°≤β≤20°…(1)，5°≤γ≤35°…(2)，15°≤β+γ≤50°…(3)，1.5≤-ψr/ψθ≤4.5…(4)，其中，ψr＝ln(2t/d0)，ψθ＝ln{2(d-t)/d0}。上述第2现有技术方案的方法与第1现有技术方案相同，通过将辊的倾斜角β和交叉角γ保持在适当的范围内，从而尽可能地抑制在穿孔轧制工序、特别是高加工度的薄壁穿孔轧制工序中明显产生的回转锻造效应和附加剪切变形。而且，该方法的特征在于，防止在不锈钢、高合金钢的制管中产生的内表面缺陷、夹层(在壁厚中央部产生的分层)，另外，通过使圆周方向应变ψθ和壁厚方向应变ψr的分配适当化，并满足所述算式(4)的关系，从而减少管壁的扩口、剥落或尾部阻塞等操作上的故障。在此，附带说明，在第2现有技术方案中，算式(4)意味着：为了进行高加工度薄壁穿孔，不选择高穿孔比穿孔法而采用高扩管比穿孔法。根据权利要求书中的记载而言，第1现有技术方案并不一定仅限定于扩管穿孔法，但在第2现有技术方案中，则明确地限定于高扩管比穿孔。在上述两个现有技术方案中，暗示了：为了不产生内表面缺陷、夹层而稳定地对不锈钢、高合金钢等难加工性材料进行穿孔，相对于钢坯直径，应尽可能地减小辊圆凿部直径(日文：ロールゴージ径)。但是，为了减小辊圆凿部直径，在辊结构上，还必须减小送入侧和送出侧的辊的轴径。这样一来，支承辊轴的轴承的强度不足，特别是锥形辊的情况下，送入侧的轴承的疲劳强度不足，而使耐久性成为问题。因而，在实际作业中无法推荐辊圆凿部直径的过度缩小。接着，专利文献3的技术方案(以下称作“第3现有技术方案”。)的目的在于提供一种能够不过度减小辊圆凿部直径地极力抑制回转锻造效应、且还能够极力抑制附加剪切变形的穿孔轧制方法。如上所述，本发明人从抑制回转锻造效应、抑制附加剪切变形的观点出发提倡高交叉角扩管穿孔轧制法，并进行了第2现有技术方案。但是，高交叉角化是抑制回转锻造效应、抑制附加剪切变形的必要条件，但并不是充分条件。充分必要条件为辊形状的最优化，高交叉角化是辊形状最优化的必要条件。在第3现有技术方案的穿孔轧制方法中，使管材料的扩管比与锥形主辊的扩径比的相对关系适当化。而且，由此，能够明显地抑制穿孔轧制过程中的回转锻造效应，能够更可靠地抑制在不锈钢、高合金钢等难加工性材料的高加工度薄壁穿孔轧制工序中容易产生的内表面缺陷、夹层。在第3现有技术方案中，特征在于，除了上述的算式(1)～(4)以外，进一步使主辊的入口直径D1、出口直径D2、钢坯的直径d0、穿孔后的直径d与交叉角γ之间满足下述的算式(5)和算式(6)。(d/d0)/(0.75+0.025γ)≤(D2/D1)…(5)D2/D1≤(d/d0)/(1.00-0.027γ)…(6)在讨论扩管比“d/d0”、辊的扩径比“D2/D1”以及辊交叉角γ之间的关系的情况下，需要利用回转锻造效应来判定辊形状的适合与不适合，在此，以能否使接触顶头顶端之前一瞬间的钢坯中心部的延展性(收缩值)大于钢坯自身的收缩值作为判定的基准。另外，上述算式(5)为用于限定辊形状的必须的条件，但算式(6)自然成立的情况较多，因此，不一定必须作为条件。专利文献4的技术方案(以下称作“第4现有技术方案”。)是关于盘形辊的设定方法的技术方案，但在本发明中，如以下详细说明的那样，不使用盘形辊，因此省略。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特许第1608310号公报专利文献2：日本特公平5-23842号公报专利文献3：日本特许第4196991号公报专利文献4：日本特许第3082489号公报专利文献5：日本特开平10-94808号公报专利文献6：日本特开2001-259710号公报

技术实现要素：
发明要解决的问题上述技术方案均指定了隔着轧制线在左右或上下相对设置的两端支承的锥形主辊的倾斜角(主辊的轴心线与轧制线的水平面或垂直面所成的角度)β和该主辊的交叉角(主辊的轴心线与轧制线的垂直面或水平面所成的角度)γ的范围，接着，使半径方向对数应变ψr和圆周方向对数应变ψθ的分配比率适当化，而且，使管材料的扩管比与锥形辊直径的扩径比之间的关系适当化。如上所述，上述技术方案均是根本性地否定了曼内斯曼穿孔法的穿孔原理的技术方案，以往的曼内斯曼穿孔法是利用回转锻造效应(曼内斯曼效应)进行穿孔的穿孔轧制法，与之相对地，上述技术方案是从极力抑制回转锻造效应的产生、还尽可能地抑制在穿孔过程中产生的附加剪切变形γrθ和γθ1的观点出发而发明出来的。该情况下，驱动位于所述锥形主辊相互之间且隔着轧制线在上下或左右相对设置的盘形辊，一边利用盘形辊的孔型面按压钢坯和空心构件一边进行穿孔轧制。盘形辊代替自古以来的固定导块而在大约30年的实际作业中一直被采用，但存在以下所示的那样的问题点。(1)穿孔轧制利用锥形主辊的倾斜轧制而绕路径中心以螺旋状进行，相对于此，盘形辊的转动方向与其大致成直角，若盘形辊的位置设置错误，则在穿孔中途产生头部阻塞、尾部阻塞。(2)另外，在盘形辊孔型的边缘面存在空心构件的管壁剥落的危险，特别是，高加工度薄壁穿孔变得较难。为了解决上述问题并谋求进一步的性能提高，本发明人决定废弃盘形辊，代替盘形辊而采用具有与锥形主辊相同的作用效果的、直径比主辊的直径细的锥形副辊。即，决定开发四辊式的交叉穿孔机。若能够将二辊式交叉轧制法变更为四辊式交叉轧制法，还能够期待可避免以下所示的问题这样的作用效果。(3)若利用二辊式的倾斜轧机对实心钢坯进行回转锻造，则对实心钢坯的轴心部向压下的方向作用有压缩应力，在与压下的方向成直角的方向上产生拉伸应力，其结果，以中心偏析、夹杂物或中央疏松为起点出现所谓的曼内斯曼效应，若曼内斯曼效应明显则导致破碎。即，若将二辊式的倾斜轧机变更为四辊式的倾斜轧机，则在压下时不产生拉伸应力，而仅在作用于压下的方向的压缩应力的作用下发生塑性变形，因此，认为即使进行回转锻造也能够抑制曼内斯曼效应。另外，在此略微补充说明，废弃盘形辊而使用辊块(日文：ローラシュー)的技术被申请了专利(专利文献5(日本特开平10-94808号公报)、专利文献6(日本特开2001-259710号公报))，但是提案的是辊导块而不是轧辊。本发明即是在这样的技术背景下而做成的，其目的在于提供一种通过采用四辊式的倾斜轧机而能够由特别是难加工性材料的钢坯以高加工度制造薄壁的坯管(空心构件)的无缝金属管的制造方法。用于解决问题的方案本发明方法的特征在于，使用四辊式的倾斜轧机，该四辊式的倾斜轧机包括隔着轧制线在左右或上下相对设置的两端支承的一组粗径的锥形主辊、和位于该相对设置的主辊之间且隔着相同的轧制线在上下或左右相对设置的两端支承的一组细径的副辊，将锥形主辊的倾斜角β、该主辊的交叉角γ、锥形副辊的倾斜角β′以及该副辊的交叉角γ′保持在以下的范围内：5°≤β≤25°、5°≤β′≤25°、3°≤γ≤35°、3°≤γ′≤35°、10°≤β+γ≤55°、10°≤β′+γ′≤55°，并对实心钢坯进行穿孔轧制。更期望的是，本发明的方法的特征在于，使实心钢坯的直径d0与穿孔后的空心构件的直径d以及壁厚t之间同时满足以下这样的关系：1.5≤-ψr/ψθ≤4.5，其中，ψr＝ln(2t/d0)、ψθ＝ln{2(d-t)/d0}，并对实心钢坯进行扩管穿孔轧制。发明的效果根据本发明方法，能够不产生扩口、剥落地由不锈钢、高合金钢等难加工性材料的钢坯以高加工度制造超薄壁的空心构件。另外，通过使锥形主辊的直径与实心钢坯的直径之间的关系最优化，使管材料的扩管比与主辊、副辊的扩径比之间的相对关系适当化，还能够抑制在高加工度的薄壁穿孔轧制工序中容易产生的内表面缺陷、夹层。附图说明图1是与现有技术方案相关的二辊式穿孔轧制法的说明图，是示意性地表示穿孔轧制状态的俯视图。图2是同样地示意性地表示穿孔轧制状态的侧视图。图3是同样地示意性地表示穿孔轧制状态的、从送入侧观察而得到的主视图。图4是表示在与现有技术方案相关的二辊式穿孔轧制中作用于钢坯中心部的应力的状态的说明图。图5是表示在与本发明相关的四辊式穿孔轧制中作用于钢坯中心部的应力的状态的说明图。图6是与本发明相关的四辊式穿孔轧制法的说明图，是示意性地表示穿孔轧制状态的俯视图。图7是同样地示意性地表示穿孔轧制状态的侧视图。图8是同样地示意性地表示穿孔轧制状态的、从送入侧观察而得到的主视图。具体实施方式以下参照附图详细地说明本发明的较佳的实施方式。另外，在本说明书和附图中，对具有实质上相同的功能结构的结构要素标注相同的附图标记，从而省略重复说明。以下，与现有技术方案进行对比地说明本发明方法。图1～图3是与现有技术方案相关的二辊式穿孔轧制法的说明图，图1是示意性地表示穿孔轧制状态的俯视图，图2是示意性地表示穿孔轧制状态的侧视图，图3是示意性地表示从送入侧观察穿孔轧制状态而得到的主视图。如图1、图2所示，主辊1、1′形成为顶端朝向实心钢坯2的入口侧的锥形的形状，入口侧的辊面1a、1′a与出口侧的辊面1b、1′b相交叉的位置成为圆凿部1g、1′g。各辊轴1c、1′c的两端保持于支承框(未图示)。辊轴1c、1′c以其延长线相对于包含轧制线在内的面(图示的例子中为水平面)在相反的方向上具有相等的倾斜角β的方式倾斜设定(参照图2)，并且，以其延长线相对于包含轧制线在内的垂直面在相反的方向具有相等的交叉角γ的方式倾斜设定(参照图1)，并如箭头所述，辊轴1c、1′c以同一角速度向同一方向旋转。如图3所示，在主辊1、1′之间以夹着实心钢坯2的方式配设有盘形辊6、6′。实心钢坯2被由芯棒3支承的顶头4穿孔，而成为空心构件5。相对于此，在本发明方法中，代替盘形辊而采用具有与锥形主辊相同的作用效果的锥形副辊。图6～图8是与本发明相关的四辊式穿孔轧制法的说明图，图6是示意性地表示穿孔轧制状态的俯视图，图7是示意性地表示穿孔轧制状态的侧视图，图8是示意性地表示从送入侧观察穿孔轧制状态而得到的主视图。如图6、图7所示，锥形的主辊1、1′隔着轧制线(X-X线)左右相对设置，在该相对设置的主辊1、1′之间同样地隔着轧制线上下相对设置有锥形的副辊7、7′。主辊的辊轴1c、1′c以其延长线相对于包含轧制线在内的面(图示的例子中为水平面)在相反的方向上具有相等的倾斜角β的方式倾斜设定(参照图7)，并且，以其延长线相对于包含轧制线在内的垂直面在相反的方向上具有相等的交叉角γ的方式倾斜设定(参照图6)。如箭头所示，主辊1、1′以同一角速度向同一方向旋转。副辊7、7′的辊轴7c、7′c也同样地以具有倾斜角β′和交叉角γ′的方式倾斜设定，并以同一角速度向同一方向旋转。通过采用这样的四辊式穿孔轧制法，能够获得以下所示的作用效果。图4是表示在与现有技术方案相关的二辊式穿孔轧制中作用于钢坯中心部的应力的状态的说明图。若利用二辊式的倾斜轧机对实心钢坯进行回转锻造，则对实心钢坯的轴心部向压下的方向作用有压缩应力，在与压下的方向成直角的方向上产生拉伸应力，其结果，以中心偏析、夹杂物或中央疏松为起点出现所谓的曼内斯曼效应，若曼内斯曼效应明显则导致破碎。图5是表示在与本发明相关的四辊式穿孔轧制中作用于钢坯中心部的应力的状态的说明图。若将二辊式的倾斜轧机变更为四辊式的倾斜轧机，则在压下时不产生拉伸应力，而仅在作用于压下的方向的压缩应力的作用下产生塑性变形，因此，即使进行回转锻造，也能够抑制曼内斯曼效应的产生。在代替盘形辊而采用了具有与锥形主辊相同的作用效果的锥形副辊的情况下，在主辊和副辊中，分别作为入口辊径D1、D1′、出口辊径D2和D2′，管材料的扩管比d/d0与主辊的扩径比D2/D1和副辊的扩径比D2′/D1′之间的关系为像现有技术方案那样的关系，并直接成立以下的关系。即：(d/d0)/(D2/D1)＜0.75+0.025γ，(d/d0)/(D2′/D1′)＜0.75+0.025γ′。在本发明方法中，将副辊的辊直径设为比主辊的辊直径细的原因在于，通过将主辊的辊开度调整量设得较大从而尽可能地扩大可穿孔尺寸范围。另外，若主辊和副辊的出口直径相等，则从几何学上的制约来看，无法获得直径d为(21/2-1)D2以下的空心构件。另外，若采用四辊式，则使轧机的整体结构复杂化，因此，使细径的副辊成为非驱动，能够使副辊的穿孔轧制负荷也利用主辊的驱动动力来分担。另外，即使改变主辊和副辊的辊径也需要使圆凿位置一致，并且期望圆凿位置前后的出入侧辊长度(L1、L1′、L2、L2′)也设为分别相等(L1＝L1′、L2＝L2′)。在本发明中，以实心钢坯为对象进行了说明，但并不限定于此，还能够应用于使用了利用机械加工进行了镗削的空心钢坯的制造方法。实施例以下利用实施例进行详细说明。(实施例1)高合金钢的热加工性比不锈钢的热加工性更差，若穿孔轧制温度超过1275℃，则产生夹层的情况较多。于是，在该实施例中，将25％Cr-35％Ni-3Mo的高合金钢的、直径70mm的钢坯作为试样，驱动主辊和副辊，将穿孔轧制温度设为1200℃，进行了扩管比为2的高加工度薄壁穿孔轧制。主辊和副辊的条件以及穿孔轧制条件如以下所述。1.主辊的条件交叉角…γ＝30°倾斜角…β＝12°圆凿部直径…Dg＝500mm入口直径…D1＝300mm出口直径…D2＝670mm辊扩径比…D2/D1＝2.23送入侧辊宽度…L1＝300mm送出侧辊宽度…L2＝460mm辊宽度…L1+L2＝760mm辊宽度比…L2/L1＝1.53辊转速…n＝60rpm2.副辊的条件交叉角…γ′＝30°倾斜角…β′＝12°圆凿部直径…Dg′＝400mm入口直径…D1′＝240mm出口直径…D2′＝536mm辊扩径比…D2′/D1′＝2.23送入侧辊宽度…L1′＝300mm送出侧辊宽度…L2′＝460mm辊宽度…L1′+L2′＝760mm辊宽度比…L2′/L1′＝1.53辊转速…n′＝75rpm3.穿孔轧制条件顶头直径…dp＝130mm钢坯直径…d0＝70mm空心构件直径…d＝140mm空心构件壁厚…t＝3.5mm扩管比…d/d0＝2.00穿孔轧制比…d02/4t(d-t)＝2.56“壁厚/外径”比…(t/d)×100＝2.5％辊形状指数…(d/d0)/(D2/D1)＝(d2/d0)/(D2′/D1′)＝0.897壁厚方向对数应变…ψr＝ln(2t/d0)＝ln0.10＝-2.303圆周方向对数应变…ψθ＝ln{2(d-t)/d0}＝ln3.90＝1.361压下分配比率…-ψr/ψθ＝1.692如上所述，圆周方向和壁厚方向上的压下分配比率适当，另外，辊形状也适当化，因此，即使是热加工性差的高合金钢的高加工度薄壁穿孔轧制，也能够没有任何问题地进行了穿孔轧制。(实施例2)将18％Cr-8％Ni的奥氏体不锈钢的、直径60mm的钢坯作为试样，使副辊成为非驱动，仅驱动主辊，进行了扩管比为1.5的高加工度薄壁穿孔轧制。钢坯的加热温度设为了1250℃。另外，不锈钢的热加工性远低于碳钢的热加工性。主辊和副辊的条件以及穿孔轧制条件如以下所述。1.主辊的条件交叉角…γ＝25°圆凿部直径…Dg＝400mm倾斜角…β＝12°入口直径…D1＝240mm出口直径…D2＝550mm辊扩径比…D2/D1＝2.29送入侧辊宽度…L1＝300mm送出侧辊宽度…L2＝460mm辊宽度…L1+L2＝760mm辊宽度比…L2/L1＝1.53辊转速…n＝60rpm2.副辊的条件交叉角…γ′＝25°圆凿部直径…Dg′＝320mm倾斜角…β′＝12°入口直径…D1′＝192mm出口直径…D2′＝440mm辊扩径比…D2′/D1′＝2.29送入侧辊宽度…L1′＝300mm送出侧辊宽度…L2′＝460mm辊宽度…L1′+L2′＝760mm辊宽度比…L2′/L1′＝1.53辊转速…n′＝(非驱动)3.穿孔轧制条件顶头直径…dp＝80mm钢坯直径…d0＝60mm空心构件直径…d＝90mm空心构件壁厚…t＝2.7mm扩管比…d/d0＝1.50穿孔轧制比…d02/4t(d-t)＝3.82“壁厚/外径”比…(t/d)×100＝3.0％辊形状指数…(d/d0)/(D2/D1)＝(d/d0)/(D2′/D1′)＝0.655壁厚方向对数应变…ψr＝ln(2t/d0)＝ln0.09＝-2.408圆周方向对数应变…ψθ＝ln{2(d-t)/d0}＝ln2.91＝1.068压下分配比率…-ψr/ψθ＝2.255如上所述，圆周方向和壁厚方向上的压下分配比率、即长度方向和圆周方向上的压下分配比率适当，因此，能够既不产生扩口也不产生剥落地进行了穿孔轧制。由于辊形状也适当化，因此，即使是难加工性材料的高加工度超薄壁穿孔轧制，也没有发现内表面缺陷、夹层的产生。以上，参照附图详细说明了本发明的较佳的实施方式，但本发明并不限定于该例子。对于具有本发明所属的技术领域中的通常的知识的技术人员而言，明确的是，在权利要求书内所记载的技术思想的范围内能够想到各种变形例或修正例，能够了解的是，这些变形例或修正例当然也属于本发明的技术范围。产业上的可利用性本发明方法为使用代替盘形辊而采用了具有与锥形主辊相同的作用效果的锥形副辊的四辊式的倾斜轧机的方法，特别是，能够有效地应用于不锈钢、高合金钢等难加工性材料的穿孔轧制。附图标记说明1、1′、主辊；2、实心钢坯；3、芯棒；4、顶头；5、空心构件；6、6′、盘形辊；7、7′、副辊。