(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便な手段で、鋼管の長手方向及び円周方向に均一な急冷を行ない、良好かつ均一な品質の鋼管を得る焼入れ方法及び焼入れ装置の提供。【解決手段】外面に線状突起８を有する閉塞部材４を、加熱された鋼管１の長手方向の一部または全長にわたって鋼管１の内部に挿入し、かつ鋼管１と閉塞部材４との間に隙間を設けるとともに、鋼管１の片方の端面との間に空隙を有して配設されたノズル３から冷却水２を噴射流量Ｖ1（ｍ3／秒）で噴射して、ノズル３と鋼管１との空隙から冷却水２の一部を流出させながら、冷却水２の残部を閉塞部材４と鋼管１の隙間に流し込んで他方の端面７から流出流量Ｖ2（ｍ3／秒）で流出させることによってＶ2＜Ｖ1とする鋼管１の焼入れ方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に線状突起を有する閉塞部材を、加熱された鋼管の長手方向の一部または全長にわたって前記鋼管の内部に挿入し、かつ前記鋼管と前記閉塞部材との間に隙間を設けるとともに、前記鋼管の片方の端面との間に空隙を有して配設されたノズルから冷却水を噴射流量Ｖ1（ｍ3／秒）で噴射して、前記ノズルと前記鋼管との空隙から前記冷却水の一部を流出させながら、前記冷却水の残部を前記閉塞部材と前記鋼管の隙間に流し込んで他方の端面から流出流量Ｖ2（ｍ3／秒）で流出させることによってＶ2＜Ｖ1とすることを特徴とする鋼管の焼入れ方法。
【請求項２】
前記閉塞部材が、螺旋状の前記線状突起あるいは前記鋼管の軸芯に平行な前記線状突起を有することを特徴とする請求項１に記載の鋼管の焼入れ方法。
【請求項３】
加熱された鋼管の長手方向の一部または全長にわたって前記鋼管の内部に挿入されかつ外面に線状突起を有する閉塞部材と、前記鋼管の片方の端面との間に空隙を有して配設されて冷却水を噴射することによって前記空隙から前記冷却水の一部を流出させかつ前記鋼管と前記閉塞部材との間の隙間に前記冷却水の残部を流し込むノズルと、を有し、前記ノズルから噴射される前記冷却水の噴射流量Ｖ1（ｍ3／秒）および前記閉塞部材と前記鋼管の隙間を通って他方の端面から流出する前記冷却水の流出流量Ｖ2（ｍ3／秒）がＶ2＜Ｖ1を満足することを特徴とする鋼管の焼入れ装置。
【請求項４】
前記閉塞部材が、螺旋状の前記線状突起あるいは前記鋼管の軸芯に平行な前記線状突起を有することを特徴とする請求項３に記載の鋼管の焼入れ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱された鋼管を急冷して焼入れを行なう焼入れ方法および焼入れ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種の用途に使用される鋼管（たとえば継目無鋼管、電縫鋼管等）に要求される特性（たとえば強度、靭性等）が厳しさを増しており、良好な品質の鋼管を得るために、製造工程で焼入れが行なわれ、必要に応じて焼戻しも行なわれている。焼入れを行なう際には、鋼管を加熱炉等で加熱した後に急冷（たとえば冷却水槽に浸漬する等）する技術が広く普及している。また、熱間穿孔圧延で製造される継目無鋼管では、その穿孔圧延ラインから排出された高温の鋼管をそのまま急冷して焼入れを行なう技術も開発されている。
【０００３】
いずれの焼入れにおいても、加熱された鋼管を全体にわたって均一に急冷する必要がある。つまり、急冷における冷却速度が不均一になった場合、冷却速度が大きすぎた部位では鋼管の靭性が劣化し、冷却速度が小さすぎた部位では鋼管の強度が低下するので、鋼管の品質にバラツキが生じる。また冷却速度が不均一であれば、特性に関わる問題のみならず、鋼管の曲がり等の形状に関わる問題も発生する。そこで鋼管の焼入れを行なう際に、均一に急冷する技術が検討されている。
【０００４】
たとえば特許文献１には、加熱された鋼管を冷却水槽に浸漬し、さらに鋼管の内部に冷却水を流通させる技術が開示されている。しかしこの技術は、鋼管の内部を流通する冷却水が一方向に（すなわち片方の端面から他方の端面へ）流れるので、図３に示すように、鋼管１の内面上部が冷却水２と接触し難くなり、その結果、品質のバラツキが生じる。また、冷却水槽内で鋼管とノズル（図示せず）の軸芯を一致させる必要があるので、鋼管を把持して冷却水槽内の所定の位置に浸漬させるための機器（たとえばアーム等）を設置せざるを得ず、その結果、設備の構成が複雑になるのは避けられない。
【０００５】
特許文献２には、加熱された鋼管を回転させながら、鋼管の外面に冷却水をスプレーするとともに、鋼管の内部に冷却水を流通させる技術が開示されている。しかしこの技術は、鋼管を水中に浸漬せず、かつ鋼管の内部を流通する冷却水が一方向に流れるので、図４に示すように、鋼管１の内部に冷却水２を充満させることは困難であり、その結果、品質のバラツキが生じる。また、鋼管１とノズル３の軸芯を一致させる必要があるので、鋼管１を所定の位置に保持しつつ回転させるための機器（たとえばピンチロール等）を設置せざるを得ず、その結果、設備の構成が複雑になるのは避けられない。
【０００６】
つまり、鋼管の焼入れを行なう際に、簡便な手段で均一な急冷を行ない、良好かつ均一な品質の鋼管を得る技術は未だ確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第5071537号公報
【特許文献２】特許第3624680号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の技術の問題点を解消し、簡便な手段で、鋼管の長手方向および円周方向に均一な急冷を行ない、良好かつ均一な品質の鋼管を得ることができる焼入れ方法および焼入れ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、ノズルから鋼管の内部に冷却水を噴射して、鋼管を均一に急冷する技術について検討した。そして、鋼管の内部容積を減少させ、かつ冷却水が鋼管の内面に接触しながら流通する流路を確保すれば、冷却水がその流路に充満して内面全体に接触し、しかも円滑に流れるので、鋼管を均一に急冷できることが分かった。
【００１０】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【００１１】
すなわち本発明は、外面に線状突起を有する閉塞部材を、加熱された鋼管の長手方向の一部または全長にわたって鋼管の内部に挿入し、かつ鋼管と閉塞部材との間に隙間を設けるとともに、鋼管の片方の端面との間に空隙を有して配設されたノズルから冷却水を噴射流量Ｖ1（ｍ3／秒）で噴射して、ノズルと鋼管との空隙から冷却水の一部を流出させながら、冷却水の残部を閉塞部材と鋼管の隙間に流し込んで他方の端面から流出流量Ｖ2（ｍ3／秒）で流出させることによってＶ2＜Ｖ1とする鋼管の焼入れ方法である。
【００１２】
本発明の焼入れ方法においては、閉塞部材が、螺旋状の線状突起あるいは鋼管の軸芯に平行な線状突起を有することが好ましい。突起としては、図２(a)のように突起の幅（すなわち凸部の幅）が、突起の間隔（すなわち凹部の幅）より小さいものだけでなく、図２(b)のように突起の幅が、突起の間隔より大きいものでも良い。
【００１３】
また本発明は、加熱された鋼管の長手方向の一部または全長にわたって鋼管の内部に挿入されかつ外面に線状突起を有する閉塞部材と、鋼管の片方の端面との間に空隙を有して配設されて冷却水を噴射することによって空隙から冷却水の一部を流出させかつ鋼管と閉塞部材との間の隙間に冷却水の残部を流し込むノズルと、を有し、ノズルから噴射される冷却水の噴射流量Ｖ1（ｍ3／秒）および閉塞部材と鋼管の隙間を通って他方の端面から流出する冷却水の流出流量Ｖ2（ｍ3／秒）がＶ2＜Ｖ1を満足する鋼管の焼入れ装置である。
【００１４】
本発明の焼入れ装置においては、閉塞部材が、螺旋状の線状突起あるいは鋼管の軸芯に平行な線状突起を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡便な手段で、鋼管の長手方向および円周方向に均一な急冷を行ない、良好かつ均一な品質の鋼管を得ることができるので、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を適用する焼入れ装置の例を模式的に示す断面図である。
【図２】図１中の閉塞部材を拡大して示す断面図である。
【図３】鋼管の内部を流通する冷却水の従来の例を模式的に示す断面図である。
【図４】鋼管の内部を流通する冷却水の従来の例を模式的に示す断面図である。
【図５】鋼管の温度の推移を示すグラフであり、(a)は本発明を適用した例、(b)は従来の例である。
【図６】冷却水流路内の冷却水の流量と流速との関係を示すグラフである。
【図７】冷却水流路内の冷却水の流速と膜沸騰が発生する水温との関係を示すグラフである。
【図８】鋼管の温度の推移を示すグラフであり、(a)は本発明を適用した例、(b)は従来の例である。
【図９】図１中の閉塞部材を上方へ変位させた例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を適用する焼入れ装置は、図１に示すように、加熱された鋼管１の全長にわたって、鋼管１の内部に閉塞部材４が挿入され、かつ鋼管１と閉塞部材４との間に隙間を有する。あるいは図示を省略するが、必ずしも全長にわたって挿入するする必要はなく、鋼管１の長手方向の一部に閉塞部材４を挿入しても良い。なお、図１(a)は軸芯に平行な線状突起を有する閉塞部材４の先端を円筒形にした例、図１(b)は軸芯に平行な線状突起を有する閉塞部材４の先端を円錐形にした例、図１(c)は螺旋状の線状突起を有する閉塞部材４の先端を円筒形にした例である。
【００１８】
閉塞部材４の外面には、線状の突出（以下、線状突起という）を設ける。図２(a)(b)では図１中の閉塞部材４を拡大して、４本の線状突起８を鋼管１の軸芯に平行に設ける例を示す。また図１(c)に示すように、線状突起８を螺旋状（図示せず）に設けても良い。なお線状突起８を形成する手段は、特に限定せず、閉塞部材４の外面に接合する、あるいは、閉塞部材４の外面を切削する等の方法で形成することが可能である。
【００１９】
線状突起８の高さＨ（mm）が低すぎると、後述する冷却水２を鋼管１内で円滑に流通させる効果が得られない。一方で、高すぎると、閉塞部材４の直径Ｄを縮小しなければならず、閉塞部材４の強度を確保できない。したがって、線状突起８の高さＨは、閉塞部材４の直径Ｄ（mm）に対してＤ／１〜Ｄ／４の範囲内が好ましい。
【００２０】
線状突起８の幅Ｗ（mm）が狭すぎると、線状突起８が破損する惧れがある。したがって、幅Ｗは５mm以上が好ましい。一方で、線状突起８の幅Ｗが広すぎると、閉塞部材４と鋼管１の隙間が減少するので、後述する冷却水２の鋼管１内における流通が阻害される。したがって、幅Ｗは線状突起８同士の間隔よりも小さくすることが好ましい。
【００２１】
なお図１、２には、４本の線状突起８を等間隔（90°間隔）で設ける例を示したが、線状突起８の本数は特に限定しない。ただし、線状突起８の本数が少なすぎると、後述する冷却水２を鋼管１内で円滑に流通させる効果が得られない。一方で、多すぎると、後述する冷却水２の鋼管１内における流通が阻害される。したがって、線状突起８の本数は２〜８本の範囲内とし、等間隔で配置することが好ましい。
【００２２】
このようにして鋼管１、閉塞部材４、線状突起８で形成される空間が、後述する冷却水２の流路となる。そして、鋼管１の片側に冷却水２を噴射するためのノズル３を配設する。鋼管１のノズル３側の端面５（以下、ノズル側端面という）とノズル３との間に空隙を設ける。また閉塞部材４は、冷却水２が流出する側の端面７（以下、流出側端面という）から鋼管１に挿入する。
【００２３】
加熱された鋼管１の焼入れを行なう際には、鋼管１に対してノズル３と閉塞部材４をこのように配置して、ノズル３から冷却水２を噴射する。ノズル３から噴射される噴射水量をＶ1（ｍ3／秒）とする。このとき、鋼管１と閉塞部材４と線状突起８で形成される空間６（以下、冷却水流路という）に冷却水２を均一に流通させるために、鋼管１と閉塞部材４とノズル３の軸芯を一致させることが好ましい。
【００２４】
ただし、鋼管１の内径に比べて閉塞部材４の直径が細く、後述する閉塞体積率が小さい場合は、鋼管１内部に冷却水２が充満し難くなり、その結果、鋼管１の上部の急冷が阻害される。したがって、その場合は、図９に示すように、閉塞部材４の軸芯を鋼管１の軸芯よりも上方へ変位させることが好ましい。その場合は、閉塞部材４と鋼管１との間に形成される隙間の下側の幅をｄ1（mm）とし、隙間の上側の幅をｄ2（mm）として、ｄ1／ｄ2値が２以下となる範囲で変位させることが好ましい。
【００２５】
つまり、鋼管１と閉塞部材４とノズル３の軸芯が一致する場合のｄ1／ｄ2値は１であるから、ｄ1／ｄ2値が１〜２となる範囲で閉塞部材４の軸芯を変位させて、冷却水２が冷却水流路６に充満するように調整する。
【００２６】
ノズル３から噴射された冷却水２は、一部が閉塞部材４に衝突して、鋼管１のノズル側端面５とノズル３との空隙から流出し、残部が冷却水流路６に流れ込む。閉塞部材４のノズル３側先端は、鋼管１のノズル側端面５からノズル３の方向に突出しても良い。その場合は、鋼管１の全長にわたって、鋼管１の内部に閉塞部材４が存在する。
【００２７】
また、閉塞部材４が鋼管１の内奥部に埋没する場合は、閉塞部材４のノズル３側先端を鋼管１のノズル側端面５から内側100mm以内に配置すれば良い。その場合は、鋼管１の長手方向の一部に閉塞部材４が存在する。
【００２８】
閉塞部材４の先端が図１(a)に示すような円筒形であっても、冷却水２は、線状突起８によって円滑に冷却水流路６へ誘導される。ただし図１(b)に示すように閉塞部材４の先端を円錐形状とすることによって、冷却水２が一層円滑に冷却水流路６へ誘導される。また、閉塞部材４の先端を球面状の曲面（図示せず）としても同様の効果が得られる。
【００２９】
ここで、鋼管１の内部容積をＭP（mm3）とし、鋼管１の内部に挿入された閉塞部材４の体積を線状突起８も含めてＭQ（mm3）とすると、冷却水流路６の体積は下記の(1)式で算出できる。つまり、冷却水流路６の容積は鋼管１の内部容積ＭPよりも減少しているので、冷却水２が冷却水流路６に充満し易く、かつ高速で流通する。そのため、加熱された鋼管１の熱を効率良く安定して排出することが可能となり、鋼管１の長手方向および円周方向に均一な急冷を行なうことができる。このような効果を発揮するために、鋼管１の内部容積ＭP（mm3）と、鋼管１の内部に挿入された閉塞部材４の体積ＭQ（mm3）が下記の(2)式で算出される閉塞体積率を15％以上とすることが好ましい。
冷却水流路の体積＝ＭP−ＭQ      ・・・(1)
閉塞体積率（％）＝100×ＭQ／ＭP      ・・・(2)
一方、閉塞体積率が大きすぎると、冷却水流路６が狭くなり、冷却水２の流通が阻害されるので、鋼管１の均一な急冷が困難になる。したがって、閉塞体積率は70％以下が好ましい。
【００３０】
こうして冷却水流路６を通って、鋼管１の流出側端面７から流出する冷却水２の流出流量をＶ2（ｍ3／秒）とすると、下記の(3)式の関係が成り立つ。この関係を満たすことによって、冷却水２が冷却水流路６に充満する。その結果、鋼管１の内面全体に冷却水２が接触して、円周方向に均一な急冷が可能となる（図５(a)参照）。しかも、鋼管１を冷却水槽に浸漬する必要はなく、簡便な手段で焼入れを行なうことができる。なお、本発明では鋼管１の長手方向にも均一な急冷が可能であるが、それについては図８を参照して後述する。なお、線状突起８を螺旋状に設けると、円周方向の均一性がさらに向上する。
Ｖ2＜Ｖ1      ・・・(3)
これに対してＶ2＝Ｖ1の場合は、図３、４に示すように鋼管１の上部が冷却され難くなる（図５(b)参照）。
【００３１】
つまり本発明は、閉塞部材４を用いてＶ2＜Ｖ1とすることによって、鋼管１の均一な急冷を可能とするものである。好ましくはＶ2＜0.9×Ｖ1である。
【００３２】
そして本発明者が、鋼管１の軸芯に平行な線状突起８を有しかつ先端が円筒形の閉塞部材４を、鋼管１（内径130mm、管長9000mm）の全長にわたって挿入（図１(a)参照）して行なった実験と、閉塞部材４を使用せずに行なった実験によれば、冷却水流路６を流れる冷却水２の流量すなわちＶ2（ｍ3／秒）と流速（ｍ／秒）との関係は、図６に示す通りとなる。
【００３３】
図６から明らかなように、閉塞部材４を鋼管１に挿入することによって、冷却水流路６を流れる冷却水２の流速が速くなる。冷却水２の流速が速くなると、鋼管１の熱を排出し易くなるので、膜沸騰が発生し難くなる。つまり、図７に示すように膜沸騰が発生する水温が上昇する。一方で、閉塞部材４を用いない場合の冷却水流路６は、鋼管１の内部全体であり、冷却水２の流速は遅くなるので、図７に示すように膜沸騰が発生する水温が低下する。
【００３４】
したがって、図６に示した実験の結果を解析すると、冷却水２の流量が0.1ｍ3／秒で流速が十分に速い場合（すなわち10.5ｍ／秒）は、鋼管１のノズル側端面５と流出側端面７における温度の推移は図８(a)に示す通りであり、鋼管１の長手方向に均一な急冷が可能であることが分かる。これに対して冷却水２の流量が同じく0.1ｍ3／秒であっても流速が遅い場合（すなわち7.5ｍ／秒）は、鋼管１のノズル側端面５は冷却されるものの、冷却水流路６内で膜沸騰が発生して、図８(b)に示す通り、流出側端面７が冷却され難くなる。
【００３５】
以上の通り、本発明は、鋼管１の軸芯に平行な線状突起８を有する閉塞部材４を鋼管１の内部に挿入することによって、冷却水流路６内に冷却水２を充満させ、かつ冷却水２の流速を速くして、急冷を行なうものである。そして、冷却水２が充満することによって、円周方向に均一な急冷が可能となり、冷却水２の流速が速くなることによって、長手方向に均一な急冷が可能となる。線状突起８を螺旋状に設けると、円周方向の均一性がさらに向上する。
【００３６】
なお、閉塞部材４を鋼管１に挿入しさらに抜き出す操作を、容易かつ迅速に行なうために、閉塞部材４の軽量化を図る（たとえば内部を中空にする等）ことが好ましい。また、急冷の際に鋼管１を回転させることによって、円周方向の温度偏差を一層小さくする効果が得られる。
【実施例】
【００３７】
加熱炉で加熱されたビレットに、熱間で穿孔圧延を施して継目無鋼管（内径130mm、管厚40mm、管長8000mm）とした。その継目無鋼管（温度1150℃）にノズルから冷却水を噴射して850℃まで急冷した。その際に設定した条件は表１に示す通りである。なお、使用したノズルの噴射口の直径は、いずれも110mmである。以下では図１(a)、図９を参照して、継目無鋼管を鋼管１として説明する。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
発明例１は、図１(c)に示す２本の螺旋状の線状突起を等間隔（すなわち180°間隔）で設けた閉塞部材４の軸芯を、鋼管１の軸芯よりも上方へ変位（図９参照）させてｄ1／ｄ2＝２とし、さらに鋼管１の全長にわたって閉塞部材４を挿入して閉塞体積率を15％とし、鋼管１を回転させずに急冷した例である。表１に示す通りＶ2＜Ｖ1であり、鋼管１の内部に冷却水２が100％充満し、鋼管１内における冷却水２の流速は8.5ｍ／秒であった。そして、鋼管１の円周方向の温度偏差は８℃、長手方向の温度偏差は14℃に抑えられた。円周方向の温度偏差は、鋼管１を回転させていないにも関わらず、鋼管１を回転する場合（比較例２）とほぼ同等であった。
【００４０】
なお、表１に示す閉塞面積率は、鋼管１の管端開口面積に対する閉塞部材４の断面積の割合（％）として算出した値である。充満度は、急冷中に流出側端面７を撮影し、その画像から冷却水２が占める面積を求め、冷却水流路６の断面積に対する割合（％）として算出した値である。温度偏差は、焼入れ装置の出側で、非接触式の放射温度計を用いて鋼管１の温度を測定（円周方向８ケ所、長手方向４ケ所）し、その最大値と最小値との差である。
【００４１】
発明例２は、鋼管１の軸芯に平行な線状突起８を等間隔（すなわち90°間隔）で４本設けた閉塞部材４の軸芯と、鋼管１の軸芯を一致させてｄ1／ｄ2＝１とし、さら鋼管１を回転させ、その他は発明例１と同様に設定して急冷を行なった例である。発明例２の温度偏差は、表１に示す通り、鋼管１の円周方向が７℃、長手方向が13℃であり、いずれも発明例１よりも減少した。これは、急冷において鋼管１を回転させることによって円周方向の均一性が向上し、ｄ1／ｄ2＝１とすることによって長手方向の均一性が向上したことを意味している。
【００４２】
発明例３は、螺旋状の線状突起を等間隔で８本設けた閉塞部材４を使用し、その他の設定は発明例２と同様にして急冷を行なった例である。発明例３の温度偏差は、表１に示す通り、鋼管１の円周方向が６℃、長手方向が13℃であり、円周方向の温度偏差が発明例２よりも減少した。これは、閉塞部材４に螺旋状の線状突起を設けることによって円周方向の均一性が向上したことを意味している。
【００４３】
比較例１は、線状突起８のない閉塞部材４を用いて、鋼管１と閉塞部材４の軸芯を合わせ、鋼管１を回転させず、その他の設定は発明例２と同様にして急冷を行なった例である。比較例１の温度偏差は、表１に示す通り、鋼管１の円周方向が10℃、長手方向が15℃であり、表１中の発明例と比較例の中で最も大きかった。
【００４４】
比較例２は、線状突起のない閉塞部材を用いて、その他の設定は発明例２、３と同様にして急冷を行なった例である。比較例２の温度偏差は、表１に示す通り、鋼管１の円周方向が７℃、長手方向が15℃であり、円周方向の温度偏差が発明例２、３よりも増大した。
【符号の説明】
【００４５】
１  鋼管
２  冷却水
３  ノズル
４  閉塞部材
５  ノズル側端面
６  冷却水流路
７  流出側端面
８  線状突起
【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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