(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】加熱された鋼管１の全長にわたって鋼管の内部に閉塞部材４を挿入し、かつ鋼管と閉塞部材との間に隙間を設け、鋼管の片方の端面５との間に空隙を設け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】
加熱された鋼管の全長にわたって前記鋼管の内部に閉塞部材を挿入し、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】
前記鋼管の内部容積ＭP（mm3）と前記鋼管の内部に挿入された前記閉塞部材の体積ＭQ（mm3）から100×ＭQ／ＭPで算出される閉塞体積率を15％以上と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】
前記鋼管と前記閉塞部材と前記ノズルの軸芯を一致させることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の焼入れ方法。
【請求項４】
加熱された鋼管の全長にわたって前記鋼管の内部に挿入される閉塞部材と、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、を有するとともに、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５】
前記鋼管の内部容積ＭP（mm3）と前記鋼管の内部に挿入された前記閉塞部材の体積ＭQ（mm3）から100×ＭQ／ＭPで算出される閉塞体積率を15％以上とすることを特徴とする請求項４に記載の鋼管の焼入れ装置。
【請求項６】
前記鋼管と前記閉塞部材と前記鋼管の軸芯を一致させて配置することを特徴とする請求項４または５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、鋼管を均一に冷却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、かつ鋼管の全長にわたってその内面に冷却水が接触しながら流通する流路を確保することによって、冷却水がその流路に充満して内面全体に接触し、しかも冷却水の流速が速くなることが分かった。
【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、加熱された鋼管の全長にわたって鋼管の内部に閉塞部材を挿入し、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、鋼管の内部容積ＭP（mm3）と鋼管の内部に挿入された閉塞部材の体積ＭQ（mm3）から100×ＭQ／ＭP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。また、鋼管と閉塞部材とノズルの軸芯を一致させることが好ましい。
【００１３】
また本発明は、加熱された鋼管の全長にわたって鋼管の内部に挿入される閉塞部材と、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、を有するとともに、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、鋼管の内部容積ＭP（mm3）と鋼管の内部に挿入された閉塞部材の体積ＭQ（mm3）から100×ＭQ／ＭPで算出される閉塞体積率が15％以上であることが好ましい。また、鋼管と閉塞部材とノズルの軸芯を一致させて配置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】本発明を適用する焼入れ装置の他の例を模式的に示す断面図である。
【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。
【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。その隙間が、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。
【００１８】
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との間の隙間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。
【００１９】
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側先端が、鋼管１のノズル側端面５からノズル３の方向に突出すると、冷却水２の大部分が鋼管１のノズル側端面５とノズル３との空隙から流出して、その結果、冷却水流路６に流れ込む冷却水２が減少する。一方で、閉塞部材４のノズル３側先端が鋼管１の内奥部に埋没すると、鋼管１内部の閉塞部材４が存在しない部位にて乱流が発生し、冷却水流路６に流れ込む冷却水２の流量が不安定になる。したがって閉塞部材４のノズル３側先端を、鋼管１のノズル側端面５と同一面に配置する。ただし鋼管１の長さの変更に伴って、閉塞部材４が鋼管１の内奥部に埋没する場合においても、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、著しい乱流は発生しない。したがって焼入れ装置の稼働率向上の観点から、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以内に配置して操業すれば、鋼管１毎に閉塞部材４の位置を調整する必要がなくなるので好ましい。
【００２０】
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る。
冷却水流路の体積＝ＭP−ＭQ      ・・・(1)
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が流れ難くなるので、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。
【００２１】
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(2)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。
Ｖ2＜Ｖ1      ・・・(2)
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）。
【００２２】
また、Ｖ2＜Ｖ1を満たしつつ、鋼管１の内部容積をＭP（mm3）と、鋼管１の内部に挿入された閉塞部材４の体積をＭQ（mm3）が、下記の(3)式で算出される閉塞体積率を15％以上とすることによって、速やかに冷却水が充満し、より均一な冷却が実現できる。好ましくは20％以上である。
閉塞体積率（％）＝100×ＭQ／ＭP      ・・・(3)
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。
【００２３】
閉塞部材４の先端は、冷却水２を冷却水流路６へ円滑に誘導する観点から、図２に示すように円錐形状とすることが好ましい。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。
【００２４】
そして、本発明者が鋼管１（内径130mm、管長9000mm）を用いて、閉塞部材４（閉塞体積率30％）を挿入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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
以上の通り、本発明は、鋼管１の内部に閉塞部材４を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。
【００２８】
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】
【００２９】
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、４を参照して継目無鋼管を鋼管１として説明する。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
発明例１は、図１に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を用いて閉塞体積率を35％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の内部に冷却水が100％充満した。したがって、急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は８℃に抑えられた。また、鋼管１内の冷却水流路６を流れる冷却水２の流速が11.3ｍ／秒と速くなっているので、鋼管１の長手方向の温度偏差は８℃に抑えられた。
【００３２】
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。
【００３３】
発明例２は、図１に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を用いて閉塞体積率を50％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＜0.9×Ｖ1であり、鋼管１の内部に冷却水が100％充満した。したがって、鋼管１の円周方向の温度偏差は５℃に抑えられた。また、鋼管１内の冷却水流路６を流れる冷却水２の流速が13.4ｍ／秒と速くなっているので、急冷した後の鋼管１の長手方向の温度偏差は５℃に抑えられた。つまり、発明例１よりもさらに均一な急冷が可能となった。
【００３４】
発明例３は、図１に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を用いて閉塞体積率を12％とし、鋼管１を回転させずに急冷した例である。閉塞堆積率は12％と小さいが、表１に示す通りＶ2＜Ｖ1であり、鋼管１の内部に冷却水が100％充満した。したがって、急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は11℃に抑えられた。また、鋼管１内の冷却水流路６を流れる冷却水２の流速が8.1ｍ／秒と速くなっているので、鋼管１の長手方向の温度偏差は18℃に抑えられた。
【００３５】
発明例４は、図１に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を用いて閉塞体積率を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の内部に冷却水が100％充満した。閉塞堆積率が15％以上であるため、発明例３に比べて冷却水が速やかに充満し、より均一に冷却できた。急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は10℃に抑えられた。また、鋼管１内の冷却水流路６を流れる冷却水２の流速が8.5ｍ／秒と速くなっているので、鋼管１の長手方向の温度偏差は15℃に抑えられた。
【００３６】
発明例５は、図１に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を用いて閉塞体積率を15％とし、鋼管１を回転させながら急冷した例である。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％充満した。したがって、急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は７℃であり、発明例３よりも小さく抑えられた。これは、鋼管１を回転させた効果である。また、鋼管１内の冷却水流路６を流れる冷却水２の流速は発明例３と同じ8.5ｍ／秒で、鋼管１の長手方向の温度偏差は発明例３と同じ15℃であった。
【００３７】
発明例３は、図１に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を用いて閉塞体積率を14％とし、鋼管１を回転ながら急冷した例である。表１に示す通りＶ2＜Ｖ1であり、鋼管１の内部に冷却水が100％充満した。また、閉塞部材４の先端形状が円錐形なので、発明例４と比べて流速が8.7ｍ／秒と速く、急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は12℃であり、発明例４よりも小さく抑えられた。
【００３８】
比較例１は、図４に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を使用せず、鋼管１を回転させずに急冷した例である。したがって、表１に示す通りＶ2＝Ｖ1であり、冷却水２の充満度が76％であったので、急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は250℃、長手方向の温度偏差は150℃と発明例１〜５と比べて大幅に温度偏差が大きくなった。
【００３９】
比較例２は、図４に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を使用せず、鋼管１を回転させながら急冷した例である。したがって、表１に示す通りＶ2＝Ｖ1であり、冷却水２の充満度は76％であったので、急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は25℃であり、比較例１よりも温度偏差が小さいものの、発明例１〜５と比べて温度偏差が大きくなった。また、長手方向の温度偏差は比較例１と同じ150℃であった。
【００４０】
比較例３は、図１に示す焼入れ装置を使用した例であり、閉塞部材４を用いて閉塞体積率を８％とし、鋼管１を回転させずに急冷した例である。閉塞堆積率が小さいので、Ｖ2＝Ｖ1となり、冷却水２の充満度が83％であった。そのため、急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は200℃、長手方向の温度偏差は150℃と発明例１〜５と比べて大幅に温度偏差が大きくなった。
【００４１】
比較例４は、閉塞部材４を使用せず、鋼管１の流出側端面７と同一面内に円板状の板材を取付けて、鋼管１を回転させずに急冷した例である。したがって、閉塞体積率は０％であるのに対して、閉塞面積率は35％である。表１に示す通りＶ2＜Ｖ1であり、冷却水２の充満度は100％であったが、冷却水流路６を流れる冷却水２の流速が7.0ｍ／秒と遅くなった。そのため、急冷した後の鋼管１の円周方向の温度偏差は15℃、長手方向の温度偏差は35℃であり、比較例１〜３よりも小さく抑えられたが、発明例１〜５と比べて温度偏差が大きくなった。
【００４２】
以上の通り、本発明を適用することによって、急冷中に鋼管を回転させずに、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うことができる。また、鋼管を回転させることによって、さらに均一な急冷が可能である。そして、均一な急冷が可能である故に、良好かつ均一な品質の鋼管を得ることができる。
【符号の説明】
【００４３】
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
【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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