无缝方形钢管的制造方法
阅读说明：本技术 无缝方形钢管的制造方法 (Method for manufacturing seamless square steel pipe ) 是由 吉田龙也 于 2020-02-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供能够得到在降低设备负荷的同时具有与以往同等的角部S值的无缝方形钢管的无缝方形钢管的制造方法。上述无缝方形钢管的制造方法中,将方坯穿孔而制成圆筒状坯管,利用具备多个方管成型机架的定型轧机将上述圆筒状坯管进行热轧而成型为方形管,上述定型轧机中的方管成型机架的数量n为3以上,第1方管成型机架的外径缩径比Δr1、第2方管成型机架的外径缩径比Δr2以及总方管成型机架的外径缩径比R满足下述式(1)和式(2)。(Δr1+Δr2)/R≥0.70…(1)Δr2-0.01≤Δr1≤Δr2+0.01…(2)。(The invention provides a method for manufacturing a seamless square steel pipe, which can obtain a seamless square steel pipe having a corner S value equal to that of the conventional one while reducing the equipment load. In the method for producing a seamless square steel pipe, a square billet is pierced to produce a cylindrical raw pipe, and the cylindrical raw pipe is hot-rolled by a shaping mill having a plurality of square pipe shaping stands to form a square pipe, wherein the number n of the square pipe shaping stands in the shaping mill is 3 or more, and the outer diameter reduction ratio Δ R1 of the 1 st square pipe shaping stand, the outer diameter reduction ratio Δ R2 of the 2 nd square pipe shaping stand, and the outer diameter reduction ratio R of the total square pipe shaping stand satisfy the following expressions (1) and (2). (delta R1+ delta R2)/R is more than or equal to 0.70 … (1) delta R2-0.01 is more than or equal to delta R1 is more than or equal to delta R2+0.01 … (2).)
技术领域
本发明涉及无缝方形钢管(seamless square steel pipe or tube)的制造方法，特别涉及能够得到在降低设备负荷的同时具有与以往同等的角部S值的无缝方形钢管的无缝方形钢管的制造方法。
背景技术
近年来，在一般结构用、建筑材料用等各种用途中使用方形钢管。其中，无缝方形钢管于方形焊接钢管相比具有能够实现厚壁化，得到高的强度的特征。因此，无缝方形钢管特别一直用于建筑材料用途。
作为制造无缝方形钢管的方法，提出了利用热无缝成型的方法。该方法中，首先，将作为起始材料的方坯用加热炉加热后，利用穿孔器进行穿孔而制成圆筒状坯管。其后，将上述圆筒状坯管用延伸轧机(扩管用)、芯棒轧机(延伸用)、均整轧机(磨管用)等处理后，用再加热炉加热，接着，利用定型轧机(定径机)进行热轧制成无缝方形钢管。
图1是表示无缝方形钢管的制造中使用的定型轧机10的轧制机架构成的一个例子的示意图。定型轧机10是将多个轧制机架串联配置的轧机，定型轧机10的前段(上游侧)配置有具备具有圆形的孔型(caliber)的辊的机架11，后段(下游侧)配置有具备具有方形的孔型的辊的方管成型机架12。而且，利用前段的机架11以成为规定的外径的圆形剖面的方式进行轧制后，利用后段的方管成型机架12成型为方形剖面。应予说明，图1中例示的定型轧机10为2个辊、8个机架构成，后半的4个机架为方管成型机架。
这样，通过辊成型从圆形剖面成型为方形剖面，因此，如图2所示，无缝方形钢管的角部具有一定程度的圆度。而且，作为评价角部的圆度的指标之一，使用JIS G 3466中作为“角部的尺寸(corner dimension)”规定的S值。
一般而言，从设计性、用于连接梁和柱的接头时的性能等的观点考虑，要求无缝方形钢管为尖锐的角的形状，即S值小。因此，对用于制造S值小的无缝方形钢管的方法进行了研究。
例如，专利文献1中，提出了通过以定型轧机的多个方管成型机架的外径缩径比(outside diameter reduction)满足规定的关系的方式控制轧制条件，得到角部的曲率小、并且边平坦的无缝方形钢管的方法。
另外，专利文献2中，提出了通过定型轧机的最初的方管成型机架的周长减少率(perimeter reduction rate)、S值以及壁厚t满足规定的关系的方式控制轧制条件，得到角部的曲率小且，边平坦的无缝方形钢管的方法。
技术文献
现有技术文献
专利文献1：日本特开平11-104711号公报
专利文献2：日本特开平10-258303号公报
发明内容
采用上述专利文献1、2中提出的技术，能够得到S值小的无缝方形钢管。但是，以专利文献1、2为首的以往的技术中，为了减小S值，必须使定型轧机的最初的(第1)方管成型机架的减径率(reduction in diameter)大幅大于其他机架。
图3的实线是摘录专利文献2的图4中的壁厚t＝20～30mm的实验结果的线。这里，图3的横轴为第1方管成型机架的外径缩径比Δr1，纵轴(左侧)为S值与壁厚t之比(S/t)。S/t的值随着Δr1增大而降低。即，上述实验结果表明为了减小S值，必须使第1方管成型机架的外径缩径比Δr1变高。
另一方面，图3的虚线表示这时轧制机架受到的负载比。这里，负载比是将Δr1为0.2的时的负载设为1的轧制机架受到的负载的相对值。由该曲线也可知，如果增高Δr1则能够减小S/t，但是与之相伴，轧制机架受到的负载大幅增加。
而且，随着使用用途的放大，对无缝方形钢管要求进一步的大径化和厚壁化。钢管的剖面积(剖面中钢材所占部分的面积)通过大径化、厚壁化而增加，对应地，轧制所需要的负载也增加。
因此，为了应对上述的大径化和厚壁化的需要，同时减少S值，必须大幅增加轧制负载。但是，轧制负载的大幅的增加导致对制造设备的负荷的显著增大，因此现有的制造设备无法应对进一步的大径化和厚壁化。另外，为了应对这样的对制造设备的负荷的增大，必需使轧机的主机马达更换为更大容量，与之匹配，必需将壳体置换为高强度的壳体等大规模的设备投资。
本发明是鉴于上述实际情况而进行的，其目的在于提供即便剖面积大的无缝方形钢管，也能够不增加轧制负载地进行制造且能够实现足够小的S值的无缝方形钢管的制造方法。
本发明人等为了解决上述课题，定型轧机的轧制时间表对轧制负载和S值的影响进行了详细的研究。进而其结果发现基于与通过极力增大Δr1而减小S值这样的以往的技术完全不同的构思来控制轧制条件，从而能够解决上述课题。即，本发明的要旨构成如下。
1.一种无缝方形钢管的制造方法，将方坯穿孔而制成圆筒状坯管，利用具备多个方管成型机架的定型轧机将上述圆筒状坯管进行热轧而成型为方形管，
上述定型轧机的方管成型机架的数量n为3以上，
第1方管成型机架的外径缩径比Δr1、第2方管成型机架的外径缩径比Δr2以及总方管成型机架的外径缩径比R满足下述式(1)和式(2)。
(Δr1+Δr2)/R≥0.70…(1)
Δr2-0.01≤Δr1≤Δr2+0.01…(2)
2.根据上述1所述的无缝方形钢管的制造方法，其中，在上述方管成型机架的热轧期间，将被轧制材料的温度设为600～1100℃。
根据本发明，即便是剖面积大的无缝方形钢管，也能够不增加轧制负载地进行制造，并且能够实现足够小的S值。因为能够抑制轧制负载的增加，所以采用本发明的方法，能够使用现有的设备制造更大的剖面积且角部形状良好的无缝方形钢管，其产业上的意义极大。
附图说明
图1是表示无缝方形钢管的制造中使用的定型轧机的轧制机架构成的一个例子的示意图。
图2是表示无缝方形钢管的角部形状和S值的定义的示意图。
图3是表示S值与壁厚t之比(S/t)和负载比与第1方管成型机架的外径缩径比Δr1的关系的图。
具体实施方式
接下来，对实施本发明的方法进行具体的说明。应予说明，以下的说明是表示本发明的优选实施方式，本发明不受以下的说明的任何限定。
本发明中，通过将方坯穿孔而制成圆筒状坯管，利用具备多个方管成型机架的定型轧机将上述圆筒状坯管进行热轧而成型为方形管来制造无缝方形钢管。
将方坯穿孔而得到圆筒状坯管的方法没有特别限定，可以使用任意的方法。例如，可以将方坯用加热炉加热后，利用穿孔器进行穿孔而制成圆筒状坯管。利用上述加热炉进行加热时，优选将加热炉出侧温度设为700～1200℃。
在进行下一个基于定型轧机的热轧之前，优选对上述圆筒状坯管任意地实施基于延伸轧机的扩管，基于芯棒轧机的延伸，基于均整轧机的磨管。
接下来，利用具备多个方管成型机架的定型轧机，将圆筒状坯管热轧，成型为方形管。通过上述热轧得到具有最终的尺寸和剖面形状的无缝方形钢管。
作为上述定型轧机，只要方管成型机架的数量n为3以上，就可以使用任意的方形成型机。方管成型机架的数量n的上限没有特别限定。但是，通常优选使n为3或者4，更优选为4。
每一个方管成型机架的辊的数量没有特别限定，可以为任意的数。但是，一般优选为2或者3，更优选为2。另外，上述方管成型机架的辊如图1所示，在与通管方向垂直的面以相对于彼此相邻的方管成型机架的辊旋转90°的朝向进行配置。
如图1所示，上述定型轧机例如在方管成型机架的上游侧可以具备如下机架：具备具有圆形的孔型的辊(圆形孔型辊)的机架。具备上述圆形孔型辊的机架的数量没有特别限定。但是，通常优选为3或者4，更优选为4。
本发明中，重要的是以第1方管成型机架的外径缩径比Δr1、第2方管成型机架的外径缩径比Δr2以及总方管成型机架的外径缩径比R满足下述式(1)和式(2)的方式控制轧制条件。
(Δr1+Δr2)/R≥0.70…(1)
Δr2-0.01≤Δr1≤Δr2+0.01…(2)
这里，外径缩径比Δr1、Δr2以及R的定义如下。
Δr1＝(D0-D1)/D0
Δr2＝(D1-D2)/D1
R＝(D0-Dn)/D0
·D0：第1方管成型机架的轧制前的管的外径
·D1：第1方管成型机架的轧制后的管的外径
·D2：第2方管成型机架的轧制后的管的外径
·Dn：最终方管成型机架的轧制后的管的外径
应予说明，方管成型机架的轧制前的管的外径是指该机架的入口侧的管的外径。相同地，方管成型机架的轧制后的管的外径是该机架的出口侧的管的外径。因此，如图1所示，D0与实施方管成型前的圆筒状坯管的外径相等。另外，Dn为方形钢管的剖面中对置的平坦部的外表面间的距。相同地，D1、D2为成型中途的钢管的剖面中对置的平坦部的外表面间的距离。
通过满足上述式(1)和式(2)的关系，能够不增加S值地降低轧制负载。应予说明，优选(Δr1+Δr2)/R为0.75以上。另一方面，(Δr1+Δr2)/R的上限没有特别限定，但优选为0.85以下，更优选为0.83以下。
本发明没有特别限定，可以适用于任意的外径和壁厚的无缝方形钢管的制造。但是，如上所述，对设备的负荷的问题深刻是剖面积大的情况下。因此，本发明能够特别适用于剖面积大的无缝方形钢管的制造。具体而言，优选制造的无缝方形钢管的外径为250mm以上。另外，优选制造的无缝方形钢管的壁厚为25mm以上。另一方面，无缝方形钢管的外径和壁厚的上限没有特别限定，但无缝方形钢管的外径优选为360mm以下。另外，无缝方形钢管的壁厚优选为40mm以下。
上述方管成型机架的热轧期间的被轧制材料的温度没有特别限定，可以为任意的温度。但是，如果上述温度为600℃以上，则能够抑制冷加工所致的应变残留。因此，从材料特性的观点出发，优选使热轧期间的作为被轧制材料的钢管的温度为600℃以上。另一方面，上述温度的上限也没有特别限定，如果上述温度为1100℃以下，则能够抑制钢管的外表面的氧化皮的产生。而且结果，能够防止方管成型时氧化皮被压入而导致划伤产生。因此，从提高外观品质的观点出发，优选使上述温度为1100℃以下。
应予说明，这里，被轧制材料的温度是指被轧制材料(钢管)的表面温度。
实施例
以下，通过实施例对本发明进一步进行详细说明。
按以下阐述的顺序制造无缝方形钢管。首先，将方坯穿孔而制成圆筒状坯管。将上述圆筒状坯管用加热炉加热后，利用具备多个方管成型机架的定型轧机进行热轧而成型为方形管，制成无缝方形钢管。上述加热中，将加热炉出口侧温度设为1000℃。
作为上述定型轧机，使用具备2台双辊型的方管成型机架的定型轧机。上述2台方管成型机架中上游侧的为第1机架，下游侧的为第2机架。
上述方管成型机架的成型条件(外径缩径比)如表1所示。而且，测定这时的第1机架和第2机架的轧制负载，以及最终得到的无缝方形钢管的角部尺寸(S值)。将测定结果一并标注于表1。应予说明，方管成型机架的热轧期间的被轧制材料的温度为1000～900℃。
另外，上述无缝方形钢管的尺寸为外径(边长)：300mm，壁厚t：30mm。另外，圆筒状坯管的外径D0为418mm。
负载基于以下的基准进行判定，将其结果一并标注于表1。
·第1机架的负载：小于150tonf：○
·第1机架的负载：150tonf以上且小于160tonf：△
·第1机架的负载：160tonf以上：×
S值基于以下的基准进行判定，将其结果一并标注于表1。
·S值：小于30.0mm：◎
·S值：30.0mm以上且37.5mm以下：○
·S值：超过37.5mm：×
这里，37.5mm是壁厚t：30mm的钢管的将标准S值设为0.75、将尺寸公差设为0.5t时的S值的允许范围。应予说明，如图2所示，相对于方形钢管的1个角部存在2个S值。因此，上述判定使用得到的无缝方形钢管的4个角的S值、合计8个算术平均值。
比较例No.1采用通过极力增大Δr1而实现S值的减小的以往的轧制条件。该No.1中，S值为合格判定，但是因为不满足式(2)的条件，所以轧制负载极大。即，基于以往的想法以S值变低的方式选择轧制条件时，轧制负载过大，生产设备受到明显的负荷。
另外，比较例No.2与No.1相比减小了Δr1。该No.2中，与No.1同样S值为合格判定，但是因为不满足式(2)的条件，所以轧制负载仍然很大。
与此相对，满足本发明的条件的发明例No.3中，与比较例No.1相比，能够将第1机架的负载大幅降低为约31％。并且，尽管使第1机架的外径缩径比大幅降低，但是与以往技术的见解相反地S值的增加充分被抑制，为合格水准。
另外，比较例No.4是将Δr1相比于No.3进一步降低的例子。No.4满足式(2)的条件，但不满足式(1)的条件。其结果，第1机架的负载低，但是S值大幅增加。由该结果可知，单纯地减小Δr1而减少负载，无法实现良好的角部形状。即，为了得到的在降低设备负荷的同时具有与以往同等的角部S值的无缝方形钢管，必须满足式(1)、(2)的条件这两方。
这样，采用本发明的技术，克服以往的技术的偏见，基于与现有的技术完全不同的技术思想来控制轧制条件，由此能够满足S值的减小和轧制负载的抑制的相反的要求。
符号说明
1 圆筒状坯管
2 无缝方形钢管
10 定型轧机
11 具备圆形孔型的机架
12 方管成型机架