(57)【要約】  【課題】冷却床の長さを短縮するため、硬さ調整および残留歪み除去の焼き戻し後に水冷却を行いながらも、真円度に優れた長尺薄肉鋼管の得られる熱処理方法を提供する。  【解決手段】冷間加工で得られた外径と肉厚との比が１０以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留歪み除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、その後の冷却水噴射による冷却工程における水冷開始後から１０秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を１５℃/秒以下とするか、または冷却開始後から１０秒間の長尺薄肉鋼管の軸に直角な円周方向上下面の平均冷却速度の差を１０℃/秒以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間加工で得られた外径と肉厚との比が１０以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留歪除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、冷却水による冷却工程を設け、その水冷開始後から１０秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を１５℃/秒以下とすることを特徴とする長尺薄肉鋼管の熱処理方法。
【請求項２】
冷間加工で得られた外径と肉厚との比が１０以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留歪み除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、冷却水による冷却工程を設け、その冷却開始後から１０秒間の該長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を１０℃/秒以下とすることを特徴とする長尺薄肉鋼管の熱処理方法。
【請求項３】
前記加熱処理後の長尺薄肉鋼管の表面温度であって、前記冷却水による冷却直前の表面温度が３００乃至４００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の長尺薄肉鋼管の熱処理方法。    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長尺薄肉鋼管の熱処理方法であって、真円度に優れた長尺薄肉鋼管を得るための熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鋼管の製造工程においては、所定の外径および肉厚に冷間加工した後、硬さ調整および残留歪除去を目的に熱処理を行うことが多く、この場合、工場のレイアウト上の制約やスペース効率の観点から、加熱炉抽出後に鋼管の外表面上側から冷却水を噴射する冷却が行われるが、不均一な冷却がなされると、冷間加工により蓄積し、焼鈍により開放された歪みが鋼管の断面変形を発生させ、鋼管の真円度を悪化させる。特に鋼管の外径と肉厚の比（以下「Ｄ/Ｔ」と呼ぶ。）が大きい場合、その断面変形が大きくなり真円度が極度に悪化するという問題がある。このため、鋼管の熱処理のための水冷処理においては、鋼管の外表面および内表面に冷却水を噴射する冷却装置により周方向で均一な冷却を行う方法や矯正装置を用いる方法が適用されている。
【０００３】
下記の特開昭５１−１０３０１１号公報には、鋼管の外表面円周方向に配置された複数の冷却ノズルと加熱装置の中間位置に鋼管の曲がりを検出する検出機構を設け、その複数の冷却ノズルを、鋼管の曲がりに応じた移動制御を行って、常に鋼管の軸方向において円周上の各位置で均一かつ同時に冷却する方法が示されている。また特開昭６１−１０６７２３号公報には、鋼管の外周下面を支持具で支承すると共に、鋼管の内周上面を支持具で支承した状態で熱処理する方法が示されている。また特開昭６２−１６１９１８号公報には、本来の熱処理を行う前に鋼管を回転させながら加熱し自重による矯正および冷却を行って、真円度を改善した後に、焼き戻し処理や溶体化処理等の本来の熱処理を行う方法が示されている。
【特許文献１】特開昭５１−１０３０１１号公報
【特許文献２】特開昭６１−１０６７２３号公報
【特許文献３】特開昭６２−１６１９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１乃至３に記載の熱処理方法では、設備や工程が複雑化し、処理時間も長くなり、また一度に多くの鋼管を処理することが困難となってコスト高になるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題を達成するためになされたものであり、種々検討の結果、鋼管表面の冷却開始前の温度、冷却速度、鋼管表面の冷却速度の不均一性に着眼してなされた鋼管の真円度を悪化させない、硬さ調整および残留歪除去のための薄肉鋼管の熱処理方法を提供することである。    
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するための第１の発明は、冷間加工で得られた外径と肉厚との比が１０以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留歪み除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、冷却水による冷却工程を設け、その水冷開始後から１０秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を１５℃/秒以下とすることを特徴とする長尺薄肉鋼管の熱処理方法である。
【０００７】
第２の発明は、冷間加工で得られた外径と肉厚との比が１０以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留歪み除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、冷却水による冷却工程を設け、その冷却開始後から１０秒間の該長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を１０℃/秒以下とすることを特徴とする長尺薄肉鋼管の熱処理方法である。
【０００８】
また、上記第１の発明の水冷開始後から１０秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を１５℃/秒以下とする要件と、第２の発明の冷却開始後から１０秒間の該長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を１０℃/秒以下とする要件の双方を満足させて、熱処理後の真円度をより良くした長尺薄肉鋼管を得ることができる。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において前記加熱処理後の長尺薄肉鋼管の表面温度であって、前記冷却水による冷却直前の表面温度が３００乃至４００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の長尺薄肉鋼管の熱処理方法である。
【００１０】
また、上記第１乃至第３の発明のすべての冷却要件を満足させて、熱処理後の真円度がさらに優れた長尺薄肉鋼管を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、設備が単純で設備費の上昇を招くことがなく、製造工程が短くてスペース効率がよく、一度に大量の熱処理が可能で経済性に優れた真円度の高い長尺薄肉鋼管を得ることのできる熱処理方法を提供するものである。特にＤ/Ｔの大きい薄肉鋼管ではその効果が顕著であり、真円度の高い長尺薄肉鋼管を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の実施の形態に係る熱処理工程の説明図である。以下図１に基づいて説明する。
【００１３】
図１において、１０は冷間加工された鋼管、２０は搬送ロール、３０は加熱炉、４０は冷却装置である。鋼管１０は搬送ロール２０の右端部の全幅一杯に搬送方向に平行に整列して載置され、加熱炉３０内に搬送される。
【００１４】
加熱炉３０内で鋼管１０は焼鈍に必要な温度まで加熱され所定時間維持される。そして加熱炉３０を通過した後、冷却床の長さを短縮するために、冷却装置４０によって鋼管表面から冷却水を噴射して冷却を行う。
【００１５】
冷却装置４０と加熱炉３０との間には所定の間隔を設けて、鋼管の表面温度を、焼鈍温度より低温となってから冷却水を噴射する。加熱炉３０を通過直後の鋼管表面の温度は一般的には７００℃程度であるため、この温度からただちに冷却装置４０により冷却水を噴射すると、鋼管の平均冷却速度および鋼管の上下面における冷却速度の差が大きく、鋼管の断面変形が大きくなって真円度の悪化につながる。冷却装置４０の冷却水圧が大きい場合にも、鋼管の平均冷却速度および鋼管の上下面における平均冷却速度の差が大きくなり、真円度の悪化につながる。
【００１６】
冷却装置４０における水冷開始後から１０秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を１５℃/秒以下とすることで、薄肉鋼管の真円度の悪化を防止し真円度の良好は薄肉鋼管を得ることができる。
【００１７】
また、冷却装置４０における冷却開始後から１０秒間の長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を１０℃/秒以下とすることにより長尺薄肉鋼管の真円度の悪化を防止することができる。
【００１８】
さらに、冷却装置４０の加熱ゾーンより約５ｍ以上離れた位置に設けることにより、鋼管の表面温度は３００〜４００℃まで低下させ冷却装置４０における却水による冷却直前の表面温度を３００乃至４００℃とした後、水冷開始後から１０秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を１５℃/秒以下とすることにより一層真円度の悪化を防止することができる。
【００１９】
また、冷却装置４０における冷却水による冷却直前の表面温度を３００乃至４００℃とし、冷却開始後から１０秒間の該長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を１０℃/秒以下とすれば、上記と同様に一層真円度の悪化を防止することができる。
【００２０】
しかし、鋼管表面温度を３００℃よりさらに低下させてから冷却をしてもそれ以上の真円度の悪化を防止することはできず、冷却装置４０による水冷開始までの冷却床の長さを長くする必要が生じ、工場のスペース上の制約のある場合には実施不能であり、スペース効率が低下し、設備費用の増加を招くことにもなる。
【００２１】
一方、水冷を行わず空冷のみにすると、搬送ロール２０に接触している部分の、冷却速度が他の部分に比較して高く、偏熱が生じ断面変形を生じる恐れがある。    
【００２２】
なお、冷却水を噴射する前に鋼管表面の温度を３００乃至４００℃に空冷した上で、冷却装置４０による冷却開始後１０秒間の鋼管表面の平均冷却速度を１５℃/秒以下とし、かつ鋼管上下面での平均冷却速度の差を１０℃/秒以下とすることで冷却中の鋼管断面の変形が抑制され、真円度のさらに一層の悪化を防止できる。
【００２３】
本実施の形態においては、冷却水の噴射の方向を上下方向としたが、冷却水の噴射の方向は上下方向に限定されるものではなく、上下方向としなくても、冷却開始後１０秒間の鋼管表面の平均冷却速度を１５℃/秒以下とするか、鋼管上下面の平均冷却速度の最大値と最小値の差が１０℃/秒以下となるようにすればよい。
【００２４】
温度差を小さくするには、鋼管の表面温度を３００〜４００℃に下げてから、上下の両方から、冷却水の量と噴射圧を制御して噴射するのが有効である。
【００２５】
また、本実施の形態においては、冷却中の鋼管の断面変形が抑制され真円度の悪化が防止できると同時に、鋼管の真直度も向上して熱処理後に行う矯正による負荷が低減することによって残留応力も低減し、その結果矯正後の真円度も向上するという効果も期待することができる。
【００２６】
なお、真円度が悪化する原因は高温からの急速冷却に従って鋼管断面内で大きな偏熱による熱応力が発生し、この熱応力によって断面変形が生じるためであることがＣＡＥ解析によって判明した。
【００２７】
なお、上記の長尺薄肉鋼管はこれをリング状に切断して旋盤等によりベアリングレース等に加工して使用されることと、リング状に加工する際に、切断加工時の残留応力の変化による真円度の悪化が生じる場合があることを考慮して、真円度の測定は切断してリング状とした切断リングを測定対象とするのが好ましい。
【実施例】
【００２８】
本実施例は図１に示す熱処理工程において、加熱炉３０は全長５０ｍ、幅２ｍの大型大気炉とし、冷却装置４０は冷却水を噴射する水冷方式とし、熱処理は７２０℃で１.３Ｈｒ加熱し、加熱炉３０の実加熱ゾーンから冷却装置４０までの冷却床の長さを１０ｍとした。
【００２９】
表１は、鋼種、鋼管寸法、水冷却開始直前の鋼管表面の温度、水冷却開始後１０秒間の鋼管の上下面の平均冷却速度および平均冷却温度差をパラメータとして熱処理後の真円度を一覧表に表示したものである。
【００３０】
表１において、実施例１は、外径５２.７ｍｍ、肉厚３.１５ｍｍ、Ｄ/Ｔ（外径/肉厚）１６.７、長さ６.０ｍの軸受鋼ＳＵＪ２を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度を３１０℃、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度をそれぞれ１０.９℃/秒、５.９℃/秒、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差５.０℃/秒として冷却したものであり真円度の最大値（ｎ＝１００）が４７μｍと良好であり検査合格である。
【００３１】
実施例２、３は実施例１と同一の鋼種、同一の寸法の鋼管を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度をそれぞれ３５５℃、３９０℃、水冷却開始後１０秒間の鋼管上面の平均冷却温度をそれぞれ１２.６℃/秒、１４.２℃/秒、水冷却開始後１０秒間の鋼管下面の平均冷却温度をそれぞれ６.２℃/秒、７.５℃/秒、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差がそれぞれ６.４℃/秒、６.７℃/秒として、実施例１に対して冷却条件を若干厳しくしているが、真円度の最大値がそれぞれ５３μｍ、５９μｍと良好でありいずれも検査合格である。
【００３２】
実施例４は、実施例１乃至４と同一の鋼種、同一の寸法の鋼管について、水冷却開始直前の鋼管表面の温度、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差を実施例１乃至４の条件より厳しくして冷却しているが、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差が７.３℃/秒で１０℃/秒を切っており真円度の最大値が６４μｍで検査合格である。
【００３３】
実施例５は、外径８０.７５ｍｍ、肉厚５.９５ｍｍ、Ｄ/Ｔ（外径/肉厚）１３.６であるクロム鋼ＳＣＲ４２０を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度を３５０℃、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度をそれぞれ１３.３℃/秒、７.２℃/秒、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差を６.１℃/秒として冷却したものであるが、真円度の最大値が６２μｍであり検査合格である。鋼種がクロム鋼であっても、所定の冷却条件を満たせば真円度が悪化しないことが判る。
【００３４】
実施例６は、外径６２.７ｍｍ、肉厚３.９５ｍｍ、Ｄ/Ｔ（外径/肉厚）１５.９である軸受鋼ＳＵＪ２を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度を４２０℃、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度をそれぞれ１４.５℃/秒、４.４℃/秒、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差を１０.１℃/秒として冷却したものであるが、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度がいずれも１５℃/秒を切っており、真円度の最大値が６５μｍで検査合格である。
【００３５】
実施例７は、実施例６と同一の鋼種、同一の寸法の鋼管を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度を同一の４２０℃、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度をそれぞれ１８.５℃/秒、１１.９℃/秒、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差を６.６℃/秒として冷却したものであるが、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差が１０℃/秒を切っており真円度の最大値が６５μｍで検査合格である。
【００３６】
比較例１は実施例１と同一の鋼種、同一寸法の鋼管を水冷却したものである。水冷却開始直前の鋼管表面の温度は４００℃以下であるが、水冷却開始後１０秒間の鋼管上面の平均冷却温度が１５℃/秒超え、水冷却開始後１０秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差も１０℃/秒を超えており、比較例２はさらに水冷却開始直前の鋼管表面の温度が５５０℃で、４００℃を超えており、真円度の最大値がそれぞれ９２μｍ、１１０μｍで基準値の７０μｍを超え、検査不合格である。
【００３７】
比較例３、４は実施例と同一鋼種のＳＵＪ２であるが、直径が５５.５ｍｍ、肉厚が７.２ｍｍ、Ｄ/Ｔが７.７の厚肉鋼管を試料とするものであり、この厚肉鋼管に実施例より厳しい冷却条件で冷却したものであるが、厚肉鋼管であるため真円度の最大値は、それぞれ５７μｍ、６５μｍで、真円度は良好である。
【００３８】
比較例５は実施例５と同一の鋼種、同一の寸法の鋼管を、厳しい冷却条件で冷却したものであるが、真円度の最大値は１２０μｍと悪く、鋼種がクロム鋼ＳＣＲ４２０であっても、冷却条件が厳しくなれば真円度が悪化することが判る。
【００３９】
なお、真円度の測定は切断リングを用い、真円度測定装置は英国のテーラホブソン社製のタリロンドを使用した。
【表１】
2006124746.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱処理工程の説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０・・・鋼管
２０・・・搬送ロール
３０・・・加熱炉
４０・・・冷却装置
【図１】
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