(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱された鋼管を中心軸の回りに回転させながら鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置から冷却水を供給して鋼管の外面を軸方向に同時に冷却し、該鋼管の端に設置した内面冷却装置から鋼管内面に冷却水を供給して内面を冷却する鋼管の内外面の冷却方法において、外面冷却を内面冷却より先に開始することを特徴とする鋼管の内外面の冷却方法。
【請求項２】
加熱された鋼管を中心軸の回りに回転させながら鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置から冷却水を供給して鋼管の外面を軸方向に同時に冷却し、該鋼管の端に設置した内面冷却装置から鋼管内面に冷却水を供給して内面を冷却する鋼管の内外面の冷却方法において、全長にわたって同時に内外面を冷却するのに先立ち、鋼管の外面を内面冷却水が供給されるのと反対側の端から該鋼管の全長の１００分の５から１００分の１５の長さの範囲で冷却することを特徴とする鋼管の内外面の冷却方法。
【請求項３】
鋼管を中心軸の回りに回転させる装置と、鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置と、鋼管の端から鋼管内面に向けて設置された内面冷却装置、および鋼管の軸方向に平行な方向に移動可能で複数の冷却装置を有する鋼管出側端部の外面冷却装置からなることを特徴とする鋼管の内外面冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管を熱処理するに際し、鋼管の軸方向に生ずる外径の不均一性を抑制するための鋼管の内外面の冷却方法および内外面冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管の内外面冷却方法として、特開昭５８−１４１３３２号公報に、水槽に鋼管を浸漬して回転させながら水槽内に設けたノズルから冷却水を供給することによって鋼管の内外面を同時に強制冷却する方法が開示されている。
【０００３】
しかし、この方法は、鋼管の内外面を同時に冷却するに際し、水槽等の装置が大規模になり、長尺管の冷却には適さない。また浸漬して回転冷却することで外面冷却は鋼管の軸方向でほぼ同時にできても、内面冷却は冷却水の貫通時間の差により鋼管の軸方向で不均一となり、この影響は長尺管ほど大きいという問題がある。
【０００４】
しかも、同公報の開示内容は、焼き曲がりの改善が目的であり、鋼管外径の不均一性を改善するというさらに高い目標を達成するものではない。
【０００５】
また、特開昭５８−５２４２６号公報に、鋼管の冷却方法として板状のラミナー冷却水を回転する鋼管の全長にわたって流下させる外面冷却の方法が開示され、特公平２−８００８号公報に、鋼管を回転させながら内外面から同時に冷却し、更に鋼管を軸方向に往復運動させる方法が開示されているが、いずれも鋼管の焼き曲がり防止を目的に開発された方法であり、本発明が解決しようとする焼入れ後の鋼管の軸方向の鋼管外径の不均一性を改善するという目標を達成するものではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
鋼管の製造プロセスでは、通常焼き入れ装置の後にサイザーやストレートナーといった外径矯正装置を有しており、これらにより前記外径の不均一をある程度除去できるが、過度の矯正は加工の影響による製品性能の低下が免れず、焼入れ後の鋼管外径の不均一を極力抑制する必要がある。
【０００７】
本発明の目的は、炭素鋼や低合金鋼からなる種々の径および肉厚の長尺の鋼管の焼入れに際し、内面冷却水を供給するのと反対側（内面冷却水の出側）の鋼管端部付近に発生する焼入れ後の鋼管外径の不均一を抑制する鋼管の内外面の冷却方法および冷却装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
加熱された鋼管を中心軸の回りに回転させながら鋼管の軸方向に平行に設けた単一または複数の板状水幕で鋼管外面を同時に冷却し、該鋼管の端に設置した内面冷却装置から冷却水を供給して管内面を冷却する冷却方法では、外面冷却の鋼管周方向の不均一性により発生する管の曲がりを抑制する観点から、通常は冷却の周方向不均一が小さい内面冷却を外面冷却の開始時期と同じ、もしくはそれより先に開始する。ここに、外面冷却の開始時期とは板状水幕が鋼管に衝突する時期を言い、内面冷却の開始時期とは冷却装置から供給された冷却水が該冷却装置のある管端から管内に進入した時期をいう。この場合、冷却の周方向の不均一性を抑制することが期待できる反面、内面の冷却能力の鋼管の軸方向の不均一性とこれに起因する鋼管の軸方向の外径の不均一性が問題となる。
【０００９】
以下に、内面の冷却能力の鋼管の軸方向の不均一性と、これに起因する鋼管の軸方向の外径の不均一性について述べる。
加熱した鋼管の内面を、鋼管の端（鋼管入側）に設置した冷却装置より冷却水を供給して冷却する場合、冷却水の温度は冷却水が鋼管内に進行するとともに上昇し、冷却水を供給するのと反対の管端（鋼管出側）では内面冷却水の温度の上昇に加えて鋼管の端が開放されているために冷却水の圧力が低下し、これに伴い冷却能力が鋼管の軸方向に低下する。この冷却能力の低下は、鋼管が長尺になるほど顕著となる。
【００１０】
図２は、鋼管出側の内面の冷却水温度の冷却開始からの時間変化である。
同図に示すように、内面の冷却水の出側では、内面の冷却水の温度は最大６０℃程度にまで上昇している。この時の入側の冷却水の温度は２２℃である。
【００１１】
図３は、鋼管入側、中間部、出側での鋼管内面における熱伝達率を測定した結果である。
同図に示すように、これより前記の内面の冷却水の温度上昇により鋼管出側ほど冷却能力が低下する。この冷却能力の低下により冷却後の鋼管外径は内面の冷却水の進行方向に従い、徐々に小さくなり、冷却能力の低下の著しい前述の開放端では特に外径が小さくなる。通常、これらの外径の不均一は、焼入れ後もしくは焼戻し後にホットストレートナー等の外径矯正装置にて除去されるが、鋼管の鋼種や外径、肉厚によっては充分除去されず外径公差内に収まらない場合や、公差内に収まる程度まで外径の不均一を除去できても矯正時に受けた機械的加工により製品の性能が低下する場合とがあり問題である。
【００１２】
図４は、外径２４４．５ｍｍ、肉厚１１ｍｍ、長さ２４０００ｍｍの鋼管を内面冷却を３秒先行させて内外面冷却したときの外径分布である。
同図に示すように、製管後の外径に対して、出側部分で焼入れ後の外径がかなり小さくなっている。この程度の外径の不均一が生じた場合には、出側端部の２、３ｍ  を焼入れ後に切断しなければならず、歩留まり向上の観点からも解決しなければならない問題である。
【００１３】
この問題に対して本発明者は、２０ｍ  から３０ｍ  の長尺の鋼管を内外面冷却する場合について実験および理論解析を繰り返した結果、下記の知見を得た。
（Ａ）  内面冷却を開始する時期と外面冷却を開始する時期とを制御し、外面冷却を内面冷却に先行させることで前述の鋼管の軸方向の外径の不均一性を抑制でき、この外面冷却を内面冷却に先行させる時間差は、冷却する鋼管の外径や肉厚に応じて最適値が存在する。
【００１４】
（Ｂ）  鋼管の材質にもよるが、概ね外径が２００ｍｍ以上で肉厚が１０ｍｍ以上の鋼管に対しては外面冷却を内面冷却に先行させた場合でも、懸念される曲がりは従来の冷却条件に対してほとんど大きくならない。
【００１５】
（Ｃ）  図５は、外径２４４．５ｍｍ、肉厚１１ｍｍ、長さ２４０００ｍｍの鋼管を８５０℃から回転させながら、内外面を冷却した場合の鋼管の軸方向の焼入れ後の外径分布である。ここで、外面は２列の板状水幕流で流量１．５ｍ３／（ｍ・ｍｉｎ）で、内面は管入側から冷却水供給ノズルにより流量３０００Ｔ／Ｈ  以上でそれぞれ冷却し、内面冷却開始は外面冷却開始より０、１、３、５秒先行している。また鋼管回転数は８０ｒｐｍ  である。
【００１６】
図６は、外面の冷却開始を内面の冷却より１、２、３、４秒それぞれ先行させ、それ以外の冷却条件は図５と同一とした場合の冷却後の外径分布である。
図５、図６に示すように、外面冷却を１秒から２秒程度内面冷却より先行して開始することで鋼管の軸方向の外径の不均一性が大幅に抑制されることが分かる。
【００１７】
図７は、図５、図６の結果を整理し直したグラフを示し、冷却開始時間と径小率Ｋとの関係示すグラフであり、内外面の冷却の開始時間差に最適な時間差が存在する。なお、横軸のマイナスは、内面冷却を先行させる時間（秒）を示す
ここで、径小率Ｋは、鋼管の軸方向の外径の不均一性を表す指標であり、下記の（１）式のように定義される。
Ｋ（％）＝（最大外径−最小外径）／（最大外径）×１００    （１）
（Ｄ）  図８は、図５で示した内外面同時冷却処理に先立ち、鋼管出側から２ｍ  の範囲の鋼管外面を０．５秒から２秒先行させて冷却し、その後内面と外面全長を同時に冷却した場合の焼入れ後の鋼管の軸方向の外径分布である。
【００１８】
同図に示すように、出側外面を０．５から２秒程度先行させて冷却することで鋼管の軸方向の外径の不均一性は大幅に抑制され、その効果は前記の外面全長を先行冷却する場合よりも大きくなる。
【００１９】
（Ｅ）  図９は、各種の寸法の鋼管に対して、内面冷却を外面冷却より３秒先行させた場合の径小率Ｋを調べたものである。
同図に示すように、冷却する鋼管の外径が異なっても、それぞれある肉厚で径小率Ｋが大きくなる場合があり、各外径で径小率Ｋが大きくなる肉厚の鋼管寸法について、外面全長の冷却の開始時期を内面冷却の開始時期より１から２秒先行させた場合の径小率Ｋへの影響を調査した。
【００２０】
図１０は、従来冷却法である内面冷却を３秒先行させた場合と上記外面全長の冷却の開始時期を内面冷却の開始時期より１から２秒先行させた場合の径小率Ｋへの影響を比較したものである。
【００２１】
同図に示すように、外径２５０ｍｍ程度の鋼管では外面冷却を１秒先行させた場合に、それより大きい外径を持つ鋼管では外面冷却を２秒先行させた場合に径小率Ｋを小さくでき、鋼管の軸方向の外径の不均一性を抑制できることが分かる。また、外径が１５０ｍｍ以下で肉厚が１０ｍｍ程度の鋼管では内面冷却を先行しても元々径小率は小さく、外面冷却を先行する必要はない。
【００２２】
（Ｆ）  さらに、この５種の寸法の鋼管で、外面先行冷却の必要がない外径φ１３９．７ｍｍ×肉厚ｔ１０ｍｍを除外した４種の寸法の内、最も焼き曲がりが懸念される外径１７７．８ｍｍ、肉厚１０ｍｍのものについて内面冷却を３秒先行した場合と外面冷却を１秒先行した場合の鋼管１０ｍ  あたりの冷却後曲がり量を調査した。
【００２３】
図１１は、上記の調査結果を示す。
同図に示すように、外面冷却を先行させても曲がり量は許容される範囲に収めることができる。ここで、許容される曲がり量は、鋼管の搬送上問題がない１０ｍ  あたり１０ｍｍ以下としている。
【００２４】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の（１）  〜（３）  に示すとおりである。
（１）  加熱された鋼管を中心軸の回りに回転させながら鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置から冷却水を供給して鋼管の外面を軸方向に同時に冷却し、該鋼管の端に設置した内面冷却装置から鋼管内面に冷却水を供給して内面を冷却する鋼管の内外面の冷却方法において、外面冷却を内面冷却より先に開始することを特徴とする鋼管の内外面の冷却方法。
【００２５】
（２）  加熱された鋼管を中心軸の回りに回転させながら鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置から冷却水を供給して鋼管の外面を軸方向に同時に冷却し、該鋼管の端に設置した内面冷却装置から鋼管内面に冷却水を供給して内面を冷却する鋼管の内外面の冷却方法において、全長にわたって同時に内外面を冷却するのに先立ち、鋼管の外面を内面冷却水が供給されるのと反対側の端から該鋼管の全長の１００分の５から１００分の１５の長さの範囲で冷却することを特徴とする鋼管の内外面の冷却方法。
【００２６】
（３）  鋼管を中心軸の回りに回転させる装置と、鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置と、鋼管の端から鋼管内面に向けて設置された内面冷却装置、および鋼管の軸方向に平行な方向に移動可能で複数の冷却装置を有する鋼管出側端部の外面冷却装置からなることを特徴とする鋼管の内外面冷却装置。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の構成を図１（ａ）、（ｂ）に示す。図１（ａ）は、処理工程の基本フローを示し、図１（ｂ）は、冷却装置２の概要を示す。
【００２８】
（１）  請求項１に記載する発明は、加熱炉１から搬出された加熱された鋼管１２を回転装置７を使用して中心軸の回りに回転させながら鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置４から冷却水を供給して鋼管の外面を軸方向に同時に冷却し、該鋼管の端に設置した内面冷却装置５から鋼管内面に冷却水を供給して内面を冷却する鋼管の内外面の冷却方法において、外面冷却を内面冷却より先に開始する方法である。
【００２９】
（２）  請求項２に記載する発明は、加熱炉１から搬出された加熱された鋼管１２を鋼管回転装置７を使用して中心軸の回りに回転させながら鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置４から冷却水を供給して鋼管の外面を同時に冷却し、該鋼管の端に設置した内面冷却装置５から鋼管内面に冷却水を供給して内面を冷却する鋼管の内外面の冷却方法において、全長にわたって内外面を冷却するに先立ち、鋼管の外面を内面冷却水が供給されるのと反対側の端から該鋼管の全長の１００分の５から１００分の１５の長さの範囲で鋼管出側の端部外面冷却装置８を使用して冷却する方法である。
【００３０】
（３）  請求項３に記載する発明は、鋼管を中心軸の回りに回転させる鋼管の回転装置７と、鋼管の軸方向に平行に設けた外面冷却装置４と、鋼管の端から鋼管内面に向けて設置された内面冷却装置５、および鋼管の軸方向に平行な方向に移動可能で複数の冷却装置を有する鋼管出側の端部外部冷却装置８からなる冷却装置である。
【００３１】
外面冷却装置４は、鋼管の外面に対して鋼管の軸方向に均一に同時に冷却水を供給できる装置であればよく、内面冷却装置５も鋼管の内面に対して鋼管の端から鋼管内面に冷却水を供給できる装置であればよい。
【００３２】
たとえば、外面冷却装置としては鋼管上方から板状の冷却水が管軸を含む平面に沿って供給される装置であればよく、板状の冷却水を供給するノズルとしてはスリットノズルが好適である。内面冷却装置としては、安定した流れを確保するため、可能な限り長い直線管路をもつノズルを備えたものが好ましく、ノズル先端に整流板などを設けてもよい。更に、管内の水圧を確保するために、鋼管を外周から掴み、該鋼管の端を密閉状態にできる内面冷却装置が好適である。
鋼管の回転速度は、曲がり量抑制の点からは８０ｒｐｍ  以上が望ましく、装置コストを考慮すると１１０ｒｐｍ  以下とするのが好ましい。
【００３３】
前記装置に加えて、任意の鋼管長さの内面冷却水出側の鋼管の端部分の鋼管の全長の１００分の５から１００分の１５の範囲を単独で冷却可能な鋼管出側の端部外部冷却装置８が必要である。鋼管の全長の１００分の５から１００分の１５の範囲とした理由は、１００分の５未満であれば、内面冷却能力の低下している範囲の冷却を補助するという本来の目的を十分達成できず、１００分の１５を超えると、内面冷却能力の低下していない範囲まで冷却を補助することになり、冷却過大となり、外径が大きくなり外径不均一性が問題となるからである。
好ましい範囲は、１００分の８から１００分の１２の範囲である。
【００３４】
鋼管出側の端部外面冷却装置８は、鋼管の軸方向に平行に移動可能な搬送ローラ９の上に複数個のスプレーノズル１７を数十センチの間隔で設置し、冷却する鋼管１２の長さに応じてそれを移動して該鋼管の全長の１００分の５から１００分の１５の範囲を冷却できるようにしたものであればよく、鋼管の両側から冷却できるように装置２台を一対とした装置が好適である。
【００３５】
図１２は、鋼管出側端冷却装置８の構成をさらに詳しく示す概念図である。
図１２に示すように、鋼管出側の端部外面冷却の操作方法は、鋼管１２が冷却装置に搬送される前に給水口１５から貯水タンク１４に水を必要量注入しておき、鋼管が冷却装置内に搬送されると同時に冷却装置架台１３を搬送ローラ９により移動させ、スプレーノズル１７が鋼管長さの１００分の５から１００分の１５程度を冷却できる位置で停止させ、鋼管の回転装置７によって回転された鋼管の回転が定常に達した時点でポンプ１６により加圧された水を流調弁１１を開放してスプレーノズル１７に供給し、冷却水を噴射して鋼管１２を１から２秒程度冷却すればよく、続いて、スプレーノズル１７からの供給停止と同時に外面冷却と内面冷却を開始する。
【００３６】
内面冷却および外面冷却は、図１（ｂ）に示す冷却水制御装置１０にプリセットされた設定時期に従って、それぞれ流下水遮断樋６および流調弁１１を開閉することにより行われる。
【００３７】
外面冷却の先行時間について以下に述べる。
外面冷却の先行時間は、内面冷却水の流量が３０００Ｔ／Ｈ  以上の流量で、鋼管外径が２５０ｍｍ以下のもので１秒程度、鋼管外径がそれ以上のものでは２秒程度が好ましい。
【００３８】
なお、内面冷却を適正に行うには、３０００Ｔ／Ｈ  以上の流量が必要である。
鋼管出側端における外面冷却の先行時間は、上記に示した鋼管出側端冷却装置８のように、通常の外面冷却と同程度の冷却能力を持つものであれば上記と同様の条件でよく、０．５秒から２秒程度が好ましい。
【００３９】
【実施例】
加熱炉で９５０℃に加熱された鋼管を冷却装置へ搬送し、鋼管が冷却装置内の所定の位置に定置された後、鋼管の回転装置によって回転数８０ｒｐｍ  にて鋼管を回転させ、数秒後に鋼管の回転が定常に達した時点で冷却を開始した。
【００４０】
このとき外面冷却はスリットノズルからの流下水により行ない、内面冷却は噴射ノズルからの通水によって行った。
内面冷却水量は３３００〜４４００Ｔ／Ｈ  、外面冷却水量は１．５ｍ３／（ｍ・ｍｉｎ）に設定した。
【００４１】
同様に加熱、搬送された鋼管が８０ｒｐｍ  で定常回転に達したのち、すでに鋼管出側端に移動された鋼管出側端外面冷却装置により鋼管長さの１０分の１の範囲で０．５秒から２秒出側端外面を冷却し、出側端外面の冷却停止と同時に内面冷却と外面冷却が開始されるようにした。出側端外面冷却装置としては、図１２に示した装置を使用した。
【００４２】
表１に、冷却条件と評価結果を示す。
なお、外面冷却水量の単位は、ｍ３／（ｍ  ・ｍｉｎ）であり、鋼管の長さ１ｍ  当り、１ｍｉｎ．当りの冷却水量ｍ３であり、外面冷却の先行時間がマイナスの場合は内面冷却の先行時間を示す。
【００４３】
表１に結果を示すように、外面冷却を先行させると径小率は、０．３０％以下になるが、鋼管出側端部の冷却を先行させると０．１０％以下となり、さらに良くなった。内面冷却を先行させると、径小率は、０．３０％を超えて悪化した。
【００４４】
【表１】
0003624680.tif 000002
【００４５】
【発明の効果】
本発明にれば、鋼管出側端部付近に発生する焼入れ後の鋼管外径の不均一を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法および装置を示す図であり、図１（ａ）は、処理工程を示すブロック図であり、図１（ｂ）は、方法および装置の概要を示す概念図である。
【図２】内面冷却水の出側における水温と経過時間との関係を示すグラフである。
【図３】内面冷却水の鋼管入側、中間部および出側における鋼管内面温度と鋼管内面熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図４】内面冷却を３秒先行して焼き入れた場合と焼き入れない場合における鋼管入側端からの距離と外径との関係を示すグラフである。
【図５】内面冷却の先行時間を変化させたときの鋼管入側端からの距離と外径との関係を示すグラフである。
【図６】外面冷却の先行時間を変化させたときの鋼管入側端からの距離と外径との関係を示すグラフである。
【図７】冷却開始時間と径小率Ｋとの関係示すグラフである。
【図８】出側鋼管端から２ｍ  の範囲で、外面冷却を先行させたときの鋼管入側端からの距離と外径との関係を示すグラフである。
【図９】内面冷却を３秒先行させたときの鋼管寸法（肉厚、外径）と焼入れ後の径小率Ｋとの関係を示すグラフである。
【図１０】内面３秒先行冷却、外面１秒先行冷却および外面２秒先行冷却時の鋼管寸法（肉厚×外径）と径小率Ｋとの関係を示すグラフである。
【図１１】外径１７７．８ｍｍ、肉厚１０ｍｍの鋼管について内面３秒先行冷却および外面１秒先行冷却における径小率Ｋと焼き曲がり量との関係を比較したグラフである。
【図１２】鋼管出側端部の外面冷却装置の構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１：加熱炉、                      ２：冷却装置、
３：高架水槽                      ４：外面冷却装置、
５：内面冷却装置、              ６：流下水遮断樋、
７：回転装置、                          ８：鋼管出側端部の外面冷却装置、
９：搬送ローラ、              １０：冷却水制御装置、
１１：流調弁、                    １２：鋼管、
１３：冷却装置架台、              １４：貯水タンク
１５：給水口、                    １６：ポンプ、
１７：スプレーノズル
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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