(57)【要約】【課題】比（ｔ／Ｄ）が例えば０．０７以下の薄肉鋼管を焼入れする際に生じる焼曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に抑制することができる鋼管の冷却方法を提供する。【解決手段】水平配置される鋼管２を周方向に回転させながら内部に冷却水を噴射することにより鋼管２の内面を冷却するとともに、鋼管２の軸方向に沿って外面に平面状の冷却水５ａ、５ｂを上方から流下させることにより外面を冷却する。この際、外面の冷却は、鋼管２の最上部を中心として略対称の２つの位置４、４ｂにそれぞれ平面状の冷却水５ａ、５ｂを流下させることにより行われ、鋼管２の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水５ａの流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水５ｂの流量よりも大きくし、冷却する鋼管の外径に対する肉厚の比は０．０７以下であるとともに、内面の冷却を外面の冷却よりも７秒以上先行して開始する。【選択図】図１
2007321178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平に配置される鋼管を周方向に回転させながら、鋼管内に冷却水を噴射することにより鋼管内面の冷却を行うとともに、鋼管の軸方向に沿って鋼管外面に平面状の冷却水を上方から流下させることにより鋼管外面の冷却を行う鋼管の冷却方法であって、
前記鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を中心として略対称の２つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われ、鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水の流量以上とし、
冷却する鋼管の外径に対する肉厚の比は０．０７以下であるとともに、
前記鋼管内面の冷却を前記鋼管外面の冷却よりも７秒以上先行して開始すること
を特徴とする鋼管の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄肉鋼管を焼入れする際に生じる曲がりを効果的に抑制することができる鋼管の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、鋼管を焼入れする際には、その冷却むら等に起因して曲がり（鋼管の軸方向についての湾曲であり、本明細書では「焼曲がり」という）が発生することがある。特に、外径（Ｄ）に対する肉厚（ｔ）の比（ｔ／Ｄ）が、例えば０．０７以下程度と小さい薄肉鋼管を焼入れする際には、品質不良と判断される大きな焼曲がりが生じ易い。このため、従来より、この焼曲がりを抑制することができる鋼管の冷却方法に係る発明が、多数提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、管の外面冷却の初期段階では緩冷却を行うことにより管の表面各部の温度差を小さくしてから通常の強冷却を行うことによって焼曲がりを抑制する冷却方法（熱処理方法）に係る発明が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、管内へ噴流水をその一端から吹込むとともに、この管の外面側をそのほぼ全長にわたりノズルから噴射させる噴流水の衝突により冷却する方法において、内面噴流水の吐出端側ほど、外面冷却の噴射水量を大とするか、外面冷却の冷却開始時期を早めるか、あるいは外面冷却の冷却終了時期を遅らせることにより、管全体を均一に、かつ短時間で冷却する発明が開示されている。
【特許文献１】特公平２−７３７２号公報
【特許文献２】特公昭６１−４８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１により開示された発明では、冷却の初期段階に緩冷却を行う必要があるとともに管の外面冷却のみを行うため、必然的に冷却時間が長くなり、管の製造効率が低下する。
【０００６】
また、特許文献２により開示された発明では、管の軸方向について外面冷却の噴射水の水量や噴射するタイミングを異ならせる必要があるため、装置の構成や制御が複雑化する。また、管全体を均一に冷却できることは開示されているものの、焼曲がりを抑制できるか否かについては具体的に開示されていない。特に、冷却対象として例示されている鋼管の比（ｔ／Ｄ）は約０．０７５（＝８．６／１１４）（特許文献２の２頁右欄１３行参照）については、開示も示唆もされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、鋼管の内外面をともに冷却する冷却方法において、（ａ）鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を中心として略対称の２つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われ、鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水の流量以上とし、（ｂ）冷却する鋼管の外径に対する肉厚の比は０．０７以下であるとともに、さらに、（ｃ）鋼管内面の冷却を鋼管外面の冷却よりも７秒以上先行して開始することにより、比（ｔ／Ｄ）が０．０７以下の薄肉鋼管であっても、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に焼曲がりを抑制できることを知見して、本発明を完成した。
【０００８】
本発明は、水平に配置される鋼管を周方向に回転させながら、鋼管内に冷却水を噴射することにより鋼管内面の冷却を行うとともに、鋼管の軸方向に沿って鋼管外面に平面状の冷却水を上方から流下させることにより鋼管外面の冷却を行う鋼管の冷却方法であって、鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を中心として略対称の２つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われ、鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水の流量以上とし、冷却する鋼管の外径に対する肉厚の比は０．０７以下であるとともに、鋼管内面の冷却を鋼管外面の冷却よりも７秒以上先行して開始することを特徴とする鋼管の冷却方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る鋼管の冷却方法により、比（ｔ／Ｄ）が例えば０．０７以下の薄肉鋼管を焼入れする際に生じる焼曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に抑制することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る鋼管の冷却方法を実施するための最良の形態を、添付図面を適宜参照しながら、詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の鋼管の冷却方法を実施するための冷却装置１の構成を模式的に示す縦断面図である。
【００１１】
図１に示すように、本実施の形態に係る冷却装置１は、水平に配置された鋼管２を支持するとともに周方向へ回転させるための回転ローラ３、３と、鋼管２の一端側に配置され、鋼管２の内部に冷却水を噴射するための内面冷却用ノズル（図示せず）と、鋼管２の上方に配置され、鋼管２の軸方向に沿って鋼管２の外周面の最上部を中心として略対象となる２つの位置４ａ、４ｂにそれぞれ平面状の冷却水５ａ、５ｂを流下させるための吐出口６ａ、６ｂを有する外面冷却用ノズル７とを備える。
【００１２】
本実施の形態に係る冷却方法によって内外面を冷却される鋼管２は、品質上問題となるような大きな焼曲がりを生じ易い、外径Ｄに対する肉厚ｔの比（ｔ／Ｄ）が０．０７以下である薄肉の鋼管である。本実施の形態の冷却方法は、低強度で曲がりを生じ易い低炭素鋼からなるラインパイプの内外面の冷却や、あるいは、ＡＰＩ規格のＸ６０グレード（例えば、質量％で、（ａ）Ｃ：０．０６％、Ｓｉ：０．２６％、Ｍｎ：１．２４％、Ｐ：０．０１３％、Ｓ：０．００１％、Ｃｒ：０．１６％、Ｖ：０．０６％、残部Ｆｅ及び不純物、Ｃｅｑ：０．３１１％、又は、（ｂ）Ｃ：０．０６％、Ｓｉ：０．４０％、Ｍｎ：１．６０％、Ｐ：０．０２０％、Ｓ：０．００３％、Ｃｕ：０．３０％、Ｎｉ：０．５０％、Ｃｒ：０．２８％、Ｍｏ：０．２３％、Ｖ：０．０８％、残部Ｆｅ及び不純物、Ｃｅｑ：０．４９８％）以下のラインパイプの内外面の冷却に、特に好適に用いることができる。
【００１３】
本実施の形態に係る冷却方法は、特に２０ｍ以上の長尺材の鋼管２に対して、焼曲がりの発生を効果的に抑制できるので、特に好適である。
本実施の形態に係る冷却装置１によって鋼管２を冷却するに際しては、はじめに、回転ローラ３、３を矢印方向へ回転させることにより鋼管２を周方向に回転させる。そして、図示しない内面冷却ノズルから冷却水を噴射することにより鋼管２の内面の冷却を開始してから、外面冷却用ノズル７の吐出口６ａ、６ｂからそれぞれ冷却水５ａ、５ｂを鋼管２の外周面へ向けて流下させることにより鋼管２の外面の冷却を開始する。
【００１４】
この際、鋼管２の回転速度が３０ｒｐｍ未満であると、鋼管２の周方向への焼入れ状態が変動し易くなり、一方、鋼管２の回転速度を８０ｒｐｍ超とするには設備が大型化及び複雑化して設備コストが嵩むので、鋼管２の回転速度は３０ｒｐｍ以上８０ｒｐｍ以下であることが望ましい。
【００１５】
また、内面冷却ノズルから鋼管２の内面へ噴射する冷却水量が２０００ｔ／ｈｒ未満であると冷却能力が不足し、一方、６５００ｔ／ｈｒ超とするには設備が大型化・複雑化して設備コストが嵩むので、内面冷却ノズルから鋼管２の内面へ噴射する冷却水量は２０００ｔ／ｈｒ以上６５００ｔ／ｈｒ以下であることが望ましい。
【００１６】
また、本実施の形態の冷却方法では、鋼管２の内面の冷却を、鋼管２の外面の冷却よりも７秒以上先行して開始する。この理由を説明する。
図２は、鋼管２の内面及び外面を冷却した場合における鋼管２の表面温度、降伏応力ＹＳ及び軸方向応力ｓｚを数値計算によって算出した結果を示すグラフであり、図２（ａ）は鋼管２の内面及び外面の冷却を同時に開始した場合（内面先行０秒）の結果を示し、図２（ｂ）は鋼管２の内面冷却のみを行った場合（内面先行∞秒）の結果を示す。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）にグラフで示す結果は、鋼管２の外径：４１２．３ｍｍ、肉厚：８．３０ｍｍ、長さ：３０ｍ、材質：低炭素鋼、内面冷却ノズルから鋼管２の内面へ噴射する冷却水量：５４００ｍ３／ｈｒ、外面冷却用ノズル７から鋼管２の外面へ噴射する冷却水量：２７００ｍ３／ｈｒ、及び、鋼管２の回転数：６５ｒｐｍの条件で、求めた。
【００１７】
図２（ａ）にグラフで示すように、鋼管Ｐの内外面の冷却を同時に開始すると、冷却開始後の初期段階、すなわち鋼管２の表面温度が５５０℃以上である段階における鋼管２の熱膨張及び収縮によって生じる軸方向応力（図２（ａ）のグラフにおいて記号Ａで示す領域における軸方向応力）や、鋼管２の表面温度が５５０℃未満に低下してからのベイナイト変態やマルテンサイト変態等の影響も加わって生じる軸方向応力（図２（ａ）のグラフにおいて記号Ｂで示す領域における軸方向応力）について、その絶対値｜ｓｚ｜が降伏応力の絶対値｜ＹＳ｜よりも大きくなる点が存在する。
【００１８】
これに対し、図２（ｂ）にグラフで示すように、鋼管２の内面冷却のみを行うと、冷却開始から終了まで、すなわち鋼管２の表面温度が常温に低下するまでの間において、常に軸方向応力の絶対値｜ｓｚ｜＜降伏応力の絶対値｜ＹＳ｜となる。
【００１９】
この理由は、瞬時においては平面状の冷却水５ａ、５ｂが流下した部分しか冷却されない外面冷却に比較して、内面冷却では鋼管２の全周にわたって略均一に冷却可能であるので、鋼管２に温度むらを生じ難く、軸方向応力ｓｚのバラツキが小さくなるためと考えられる。
【００２０】
さらに、図２（ａ）及び図２（ｂ）にグラフで示す結果を得るために設定した諸条件と同様の条件で、実際に鋼管２の冷却試験を行った結果、内面及び外面の同時冷却を行った場合には大きな焼曲がりが発生したのに対し、内面冷却のみを行った場合には問題となる大きな焼曲がりは発生しなかった。
【００２１】
以上説明した図２（ａ）及び図２（ｂ）にグラフにより示す結果、及び冷却試験の結果から、鋼管２の焼曲がりは軸方向応力｜ｓｚ｜＞降伏応力の絶対値｜ＹＳ｜となると発生すると考えられる。したがって、鋼管２の焼曲がりを抑制するには、常に｜ｓｚ｜＜｜ＹＳ｜の関係が成り立つようにして、鋼管２を冷却すればよい。なお、図２（ｂ）に示す内面冷却のみを行うことによっても｜ｓｚ｜＜｜ＹＳ｜の関係は常に成り立つが、内面冷却のみでは鋼管２に対する単位時間当りの冷却能力が不足して冷却時間が長時間化し、これにより、鋼管２の製造効率が低下したり、あるいは鋼管２からの復熱の影響等を受けて鋼管２を十分に冷却できない。
【００２２】
そこで、本実施の形態では、製造効率の低下防止等の観点から鋼管２の内面のみならず外面も冷却するが、少なくとも、鋼管２の表面温度が５５０℃以上である冷却の初期段階において｜ｓｚ｜＜｜ＹＳ｜の関係を成立させるために、鋼管２の内面冷却を外面冷却に先行させることが有効である。具体的には、この先行時間を７秒以上とすることにより、鋼管２の冷却過程の略全てにおいて｜ｓｚ｜＜｜ＹＳ｜の関係を維持することができる。
【００２３】
以上説明した理由により、本実施の形態では、鋼管２の内面の冷却を、鋼管２の外面の冷却よりも７秒以上先行して開始すること、すなわち内面冷却用ノズルから冷却水を噴射し始めるタイミングを、外面冷却用ノズル６ａ、６ｂから冷却水５ａ、５ｂを流下させ始めるタイミングよりも７秒以上早めることによって、｜ｓｚ｜＜｜ＹＳ｜の関係を冷却過程の略全てにおいて維持し、これにより、鋼管２の焼曲がりを効果的かつ確実に抑制することができるようになる。
【００２４】
なお、この先行時間を３０秒超とすると、鋼管２の冷却に長時間を要し操業能率が低下するので、この先行時間は３０秒以下とすることが望ましい。
ここで、鋼管２の外面の冷却効率を高めるためには、吐出口６ａ、６ｂからそれぞれ流下させる冷却水５ａ、５ｂの流量を双方とも大きくすることが考えられる。しかし、冷却水５ａ、５ｂの流量を双方とも大きくし過ぎると、鋼管２の外面であって冷却水５ａ、５ｂがそれぞれ流下する位置４ａ、４ｂの間の外面に溜まる水膜の厚みが必要以上に増加し、冷却水の有効利用率（鋼管２の冷却に真に寄与する冷却水の割合）が低下するとともに、鋼管２の回転方向への冷却水の流れがむしろ悪化する。
【００２５】
また、鋼管２の回転方向の上流側の位置４ａに流下させる冷却水５ａ、すなわち吐出口６ａから流下させる冷却水５ａの大部分は、鋼管２の外面に沿って回転方向に流れるのに対し、回転方向の下流側の位置４ｂに流下させる冷却水５ｂ、すなわち吐出口６ｂから流下させる冷却水５ｂは、鋼管２の回転方向に逆らって流れる部分もあるものの、その多くが流下した直後に下方に流れ落ちてしまう。つまり、鋼管２の外面の冷却能力に対する寄与度としては、冷却水５ａのほうが冷却水５ｂよりも大きい。
【００２６】
そこで、本実施の形態では、流下させる冷却水全体としては、鋼管２の回転方向上流側の位置４ａに流下させる冷却水５ａの流量を、鋼管２の回転方向下流側の位置４ｂに流下させる冷却水５ｂの流量以上となるように設定する。
【００２７】
これにより、鋼管２の外面に沿って回転方向へ流れる冷却水の量を多くすることができるとともに、鋼管２の外面であって冷却水５ａ、５ｂがそれぞれ流下する位置４ａ、４ｂの間に溜まる水膜を適切な厚みとすることができ、これにより、鋼管２の外面の冷却効率をより一層高めることができる。
【００２８】
さらに、二列の冷却水５ａ、５ｂが鋼管２と衝突する位置４ａ，と、鋼管２の中心とがなす角度θが１２度未満であると、鋼管２の表面に水膜を形成される領域が極端に狭まり、一方、角度θが９５度超となるには鋼管２の外径が極端に大きいことを意味し現実的でなくなるので、この角度θは１２°以上９５度以下であることが望ましい
このようにして、本実施の形態により、比（ｔ／Ｄ）が例えば７．０％以下の薄肉鋼管Ｐを焼入れする際に生じる焼曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく、同一ロット中での最大全長曲がりを、例えば２１ｍｍ／１０ｍ以下と効果的に抑制することができるようになる。
【実施例】
【００２９】
さらに、本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。
図１に示す冷却装置１を用いて、表１に示す外径Ｄ、肉厚ｔ、比（ｔ／Ｄ）及び長さを有する、ＡＰＩ規格のＸ６０グレード（質量％で、Ｃ：０．０６％、Ｓｉ：０．２６％、Ｍｎ：１．２４％、Ｐ：０．０１３％、Ｓ：０．００１％、Ｃｒ：０．１６％、Ｖ：０．０６％、残部Ｆｅ及び不純物、Ｃｅｑ：０．３１１％）の鋼管２を、６０ｒｐｍの回転速度で回転させながら、同じく表１に示す内面流量、外面総流量、内面先行時間、外面冷却水の間隔及び角度θで、冷却した。
【００３０】
また、これとは別に、鋼管２の外面に流下させる冷却水を一列として、鋼管２の冷却を行った。
そして、冷却後の鋼管２に生じる焼曲がり量（ｍｍ／１０ｍ，同一熱処理ロット中、曲りが最大であったパイプについて、全長糸張りで曲り量（ｍｍ）を測定し、それを１０ｍ当たりの曲り量に換算した値）と、シャルピー衝撃試験における最高遷移温度ｖｔｓ（鋼管の周方向４箇所で測定した最高値）とを測定した。
【００３１】
そして、曲がり量が１０ｍｍ以下であるものを◎とし、曲がり量が１０ｍｍ超２０ｍｍ以下であるものを○とし、曲がり量が２０ｍｍ超３０ｍｍ以下であるものを△とし、曲がり量が３０ｍｍ超であるものを×とした。一方、最高遷移温度ｖｔｓが−４０℃以下であるものを○とし、最高遷移温度ｖｔｓが−４０℃超０℃以下であるものを△とし、最高遷移温度ｖｔｓが０℃超であるものを×とした。そして、総合評価は、これら二種の評価のうちで悪いものの評価に合わせた。
【００３２】
結果を表１にあわせて示す。
【００３３】
【表１】
2007321178.tif 000003
【００３４】
表１における実施例１〜７は、本発明が規定する条件を全て満足する本発明例である。これらの総合評価は○又は◎となっており、比（ｔ／Ｄ）が例えば０．０７以下の薄肉鋼管を焼入れする際に生じる焼曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に抑制することができることがわかる。
【００３５】
これに対し、比較例１は、一列の冷却水を流下させることにより外面冷却を行うとともに内面冷却と外面冷却とを同時に開始するために、焼曲がり量が過大であるとともに遷移温度が−３０℃と不芳であった。
【００３６】
比較例２、３、５、７は、一列の冷却水を流下させることにより外面冷却を行うために、遷移温度が−３０℃と不芳であった。
比較例４は、二列の冷却水を流下させることにより外面冷却を行うが、内面冷却と外面冷却とを同時に開始するために、焼曲がり量が過大である。
【００３７】
比較例６、８は、内面冷却を外面冷却よりも先行させる時間が５秒、４秒と短いので、遷移温度が−３０℃と不芳であった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施の形態の鋼管の冷却方法を実施するための冷却装置の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】鋼管の内面及び外面を冷却した場合における鋼管の表面温度、降伏応力ＹＳ及び軸方向応力ｓｚを数値計算によって算出した結果を示すグラフであり、図２（ａ）は鋼管の内面及び外面の冷却を同時に開始した場合（内面先行０秒）の結果を示し、図２（ｂ）は鋼管の内面冷却のみを行った場合（内面先行∞秒）の結果を示す。
【図１】
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【図２】
2007321178.tif 000005