(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状に進行する高温加熱された長尺鋼管の外表面にノズルから冷却剤を噴射して該鋼管を急冷する冷却装置において、該ノズルは鋼管の中心軸線と同心状に鋼管の外側円周を取り巻いて複数個設けれられており、鋼管の進入側からエアー噴射ノズル、ミスト噴射ノズル、水噴射ノズルの順番に配置され、それぞれのノズルは、該中心軸線の周りを回転するようにしたことを特徴とする長尺鋼管の均一冷却装置。
【請求項２】
エアー噴射ノズルは円筒状部材の壁の内面に設けられており、水噴射ノズルはリング状水溜の内側表面に設けられており、ミスト噴射ノズルは円筒状部材と水溜の間に該鋼管と平行に複数本配置したパイプの該鋼管と対抗する面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の長尺鋼管の均一冷却装置。
【請求項３】
帯状の鋼板を管状に成形し、鋼板の縁の突き合わせ部を溶接する製管ラインの溶接工程の後段に設けた加熱工程の後段に請求項１記載の冷却装置を設けたことを特徴とする長尺鋼管の均一冷却装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の均一冷却装置を用いて、連続的に進行する高温加熱された長尺鋼管を冷却する方法において、該鋼管を段階的にエアー噴射によって８００〜９００℃まで冷却し、ミスト噴射によって５００〜６００℃まで冷却し、水噴射によって常温まで冷却することにより鋼管の円周方向の変形、長手方向の曲りを抑制することを特徴とする長尺鋼管の均一冷却方法。
【請求項５】
帯状の鋼板を管状に成形し、鋼板の縁の突き合わせ部を溶接して形成した外径１１５ｍｍ以下で肉厚０．３〜６．０ｍｍの小径薄肉鋼管を製管速度０．５ｍ／ｍｉｎ〜８．０ｍ／ｍｉｎで製管するラインに適用することを特徴とする請求項４記載の長尺鋼管の均一冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温に加熱された鋼管を均一に冷却する装置および方法に関し、特に溶接による小径薄肉ステンレス鋼管の製管ライン中の加熱処理工程後の急冷に好適な冷却装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所望の特性を与えるために高温加熱を行った鋼管をその中心軸線方向に走行させながらその外面を水やミスト、またはその両者の噴射などにより急冷する装置は公知である。この急冷装置としては、通常、鋼管の周りに該鋼管と同心状に固定式の複数のノズルを配置し、このノズルから水やミストを該鋼管の全周囲に噴射して冷却する装置が採用されている（例えば、特公昭５６−２９９３８号公報、特開昭５７−２０３７１９号公報）。
【０００３】
しかし、このように、複数の水噴射ノズルを配置したものでは、各ノズルからの噴射条件を同一にすることが困難で、冷却ムラを生じるので、特に小径薄肉鋼管では鋼管の円周方向の変形、長手方向の曲りを生じる問題がある。このような冷却ムラを抑制する一つの手段として、霧化冷却流体を鋼管の外表面をらせん状に回転しつつ流れるようにした装置も公知である（特開昭４８−８４７１５号公報）。
【０００４】
さらに、帯状の鋼板を管状に成形し、鋼板の縁の突き合わせ部を溶接する製管方法においては、鋼管の溶接部が非溶接部に比較して著しく高温であり、鋼管の円周面における温度分布が不均一となり、これを自然冷却すると鋼管の曲がりを生じるので、これを避けるために急冷する必要がある。
【０００５】
また、この製管方法においては、管状に成形する際に鋼材の加工硬化が起こり、また、溶接による溶融部と母材部の性質の違いが生じるために、これらを改善するために熱処理を行っているが、この場合も、結晶粒の粗大化などを避けるために熱処理工程の直後に急冷している。この急冷のためには、上記のような、水または霧化冷却流体噴射装置を使用できる。
【０００６】
例えば、特開平６−７３４５５号公報には、高耐蝕性フェライト系ステンレス溶接鋼管の製造方法において、散水ヘッダーから噴出される水により冷却する方法が開示されている。
【０００７】
また、オーステナイト系ステンレス溶接鋼管については高温酸化を防止するために不活性雰囲気／または還元性雰囲気で焼鈍した後に不活性ガス／または還元性ガスで冷却する方法も知られている（特公平７−１０８４７２号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
小径ステンレス溶接鋼管は、通常、鋼管外径６ｍｍφ〜１１５ｍｍφ程度で肉厚０．３〜６ｍｍ程度のものが製管速度１．０〜８．０ｍ／ｍｉｎ程度で製造されている。このような、製管ラインにおいては、通常、連続的に進行する長尺鋼管と同心状に配置した複数のノズルからなる水冷ノズル装置によって鋼管外表面を冷却しているが、このような方法では、各ノズルの間に隙間があるために、鋼管の表面の冷却される部分に噴射された水が均一に当たらず、冷却ムラを避けがたく、また、いきなり水で急冷することから鋼管の円周方向の変形、長手方向の曲り等の不具合を発生していた。
【０００９】
そのため、下流の工程で手入れの工数が必要となり、作業効率が悪くなっていた。特に、ステンレス鋼管の小径薄肉管を製造するラインでは、材料の熱伝導が悪くて熱変形を起こしやすい。そこで、小径薄肉の鋼管を高速度で製管するラインにおいて、鋼管外表面を均一に急冷でき、鋼管の変形、曲り等を防止できる冷却装置および方法の開発が望まれていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、加熱処理工程後の長尺鋼管、特に小径薄肉長尺鋼管の冷却において、短時間に、段階的に温度を下げられるように、エアー（空冷）、ミスト（噴霧状の水）、及び水の三種類を組み合わせて使用することが、上記課題の解決に有効であることを見出したものであり、冷却しようとする長尺鋼管の長手進行方向に、冷却装置への長尺鋼管の進入側から、エアーノズル、ミストノズル、水ノズルの順番にノズルを配置することによって上記の課題を解決したものである。また、これらの三種類のノズルは、鋼管の円周方向に回転しながら鋼管の外周面にそれぞれの冷却剤を噴射する構造としたものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、直線状に進行する高温加熱された長尺鋼管の外表面にノズルから冷却剤を噴射して該鋼管を急冷する冷却装置において、該ノズルは鋼管の中心軸線と同心状に鋼管の外側円周を取り巻いて複数個設けれられており、鋼管の進入側からエアー噴射ノズル、ミスト噴射ノズル、水噴射ノズルの順番に配置され、それぞれのノズルは、該中心軸線の周りを回転するようにしたことを特徴とする長尺鋼管の均一冷却装置である。
【００１２】
また、本発明は、エアー噴射ノズルは円筒状部材の壁の内面に設けられており、水噴射ノズルはリング状水溜の内側表面に設けられており、ミスト噴射ノズルは円筒状部材と水溜の間に該鋼管と平行に複数本配置したパイプの該鋼管と対抗する面に設けられていることを特徴とする上記の長尺鋼管の均一冷却装置である。
【００１３】
また、本発明は、帯状の鋼板を管状に成形し、鋼板の縁の突き合わせ部を溶接する製管ラインの溶接工程の後段に設けた加熱工程の後段に上記の冷却装置を設けたことを特徴とする長尺鋼管の均一冷却装置である。
【００１４】
また、本発明は、上記の均一冷却装置を用いて、連続的に進行する高温加熱された長尺鋼管を冷却する方法において、該鋼管を段階的にエアー噴射によって８００〜９００℃まで冷却し、ミスト噴射によって５００〜６００℃まで冷却し、水噴射によって常温まで冷却することにより鋼管の円周方向の変形、長手方向の曲りを抑制することを特徴とする長尺鋼管の均一冷却方法である。
【００１５】
また、本発明は、帯状の鋼板を管状に成形し、鋼板の縁の突き合わせ部を溶接して形成した外径１１５ｍｍ以下で肉厚０．３〜６．０ｍｍの小径薄肉鋼管を製管速度０．５ｍ／ｍｉｎ〜８．０ｍ／ｍｉｎで製管するラインに適用することを特徴とする上記の長尺鋼管の均一冷却方法である。
【００１６】
本発明は、上記のようにエアー（空冷）、ミスト（噴霧状の水）、及び水の三種類を組み合わせて使用するので、水のみによる急冷と異なり、まず、冷却ムラの発生しにくい空冷により鋼管の温度をある程度、好ましくは、約８００〜９００℃程度まで下げ、さらに、水よりも冷却ムラの発生しにくいミストにより冷却速度を上げ、好ましくは、約５００〜６００℃程度まで下げ、最後に水冷により常温まで下げるものである。これらのそれぞれの冷却剤の噴射量、噴射圧力などは、鋼管の径、肉厚、製管速度などに応じて適宜設定できる。
【００１７】
本発明の冷却装置において、エアー噴射ノズルの円筒状部材、水噴射ノズルのリング状水溜、ミスト噴射ノズルのパイプを鋼管の中心軸線の周りに回転させるには、該円筒状部材を球軸受などで支承し、パイプをねじ込んで固着したスプロケットと該円筒状部材を接続してスプロケットを適宜の回転駆動装置により回転させればよい。しかし、他の回転手段を用いてももちろん構わない。
【００１８】
溶融溶接鋼管などの溶接鋼管のインラインにおける熱処理温度は、鋼の種類、肉厚、径、熱処理目的などにより異なるが、例えば、オーステナイトステンレス鋼では１０１０〜１２５０℃、フェライト系ステンレス鋼管では７００〜１１００℃程度である。
【００１９】
本発明の冷却装置は、特に、このような製管ラインにおいて好適に使用でき、帯状の鋼板を一定の速度で連続的に管状に成形し、鋼板の縁部の突き合わせ部を溶接された鋼管は、高温に加熱された後、円周方向にほぼ等間隔で複数設けられたそれぞれのノズルからの冷却剤の噴射によりそれぞれのノズルの配置された同一の位置で円周方向に均一に冷却されるために、冷却による鋼管の円周方向の温度差がなくなり、変形、曲り、蛇行が防止される結果、作業効率を著しく高めて高品質の鋼管を製造できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の溶接鋼管の製管ラインにおける熱処理工程後の冷却方法および冷却装置を説明する。図１は、本発明の冷却装置の部分断面図である。図２は、図１の装置の下半分を示し、エア供給溝の配置を示すために図１の円筒状部材を約３０度回転させたものである。図３は、図１のＡ−Ａ´断面図である。
【００２１】
本発明の冷却装置は、矢印で示す溶接鋼管１の進入側から順に、溶接鋼管１の表面に向けてエアー噴射ノズル６、ミスト（水噴霧）を噴出するノズル７、水を噴出するノズル８をそれぞれ鋼管の中心軸線と同心状に鋼管の外側円周を取り巻いて複数個設けている。溶接鋼管１の中心軸線２と同心状に配置されるエアノズル用の円筒状部材３は球軸受け４、４・・・で支持部材５に回転自在に支承されている。複数のエアー噴射ノズル６が円筒状部材３の壁の内側表面部に設けられている。
【００２２】
水噴射ノズル８は、リング状水溜１２内側表面に設けられている。ミスト噴射ノズル７は、図３に断面を示すように、円筒状部材３と水溜１２との間の区間（図２に示すＰの区間）に該鋼管と平行に複数本配置したパイプ１６の該鋼管１と対抗する面に設けられている。このように、ミスト噴射ノズル７を配管の途中のパイプ１６に設置して空間部を設けることにより飛散するミストは円筒状部材３内に流れ込まないのでミストとエアーの混入を防ぐことができる。これらのノズルは、それぞれ、冷却する鋼管のサイズ、肉厚、移動速度、ノズルの噴射能力等に応じて複数個を好ましくは円周方向に均一な間隔で配置する。
【００２３】
エアーは、支持部材５の側壁の外側に設けたエアー供給口９から円筒状部材３の壁内に設けた溝を介してエアー噴射ノズル６に連通している。同様に、水は、支持部材５の側壁の外側に設けた水供給口１０から円筒状部材３の壁内に設けた溝を通り、水溜１２を介して水噴出ノズル８に連通している。ミストは、支持部材５の側壁の外側に設けた水供給口１１から円筒状部材３の壁内に設けた溝を介して、ミスト噴射ノズル７に連通している。ミストは、ミスト噴射ノズル７より噴出するときに水圧調整によって噴霧が作られる。
【００２４】
エアーは、図１、図２に示すように、溶接鋼管１の進入方向と対向する方向に噴射し、ミストとエアーが混合しないようにする。ミストは、図示のように溶接鋼管に対して近距離から噴射されるようにする。溶接鋼管に付着した水はそのまま、次の水噴射の水と混合するので特に問題はない。水の噴射は、図示のように溶接鋼管１の長手方向に複数列配置したノズル孔から鋼管の進行方向にやや傾斜した方向へ噴射するようにするのが望ましいが、ノズル孔の配列は１列でもよく、また、噴射方向は、鋼管表面へ直角方向でもよい。
【００２５】
円筒状部材３の回転は、モーター１５により回転するホイール１４を介してチェーンまたはＶベルトで円筒状部材３に取り付けられたスプロケット１７に伝えられる駆動力によって行うことができる。円筒状部材３の回転数は、鋼管のサイズ、肉厚等の変化に応じて容易に適正回転数を得られるようにする。
【００２６】
【実施例】
外径３８ｍｍで、肉厚１．２ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼管１をＡｒガスシールドのもとで製管速度１．７ｍ／ｍｉｎでＴＩＧ製管した。溶接工程の後段に位置した高周波誘導加熱装置により鋼管を１２１０℃に加熱し、加熱装置の後段に配置した本発明の冷却装置で鋼管１を急冷した。
【００２７】
エアノズル６の先端と鋼管１の外表面との距離は３０ｍｍとし、エアノズル６からのエアの噴射角度の中心は、鋼管１の中心軸線２の方向に対して直角より約６０度だけ鋼管１の進入側に傾斜させた。エアの噴射流量は０．２〜０．３ｍ3 ／ｍｉｎとした。
【００２８】
ミストノズル７の先端と鋼管１の外表面との距離は５０ｍｍとし、ミストノズル７からのミストの噴射角度の中心は、鋼管１の中心軸線２の方向に対して９０度とした。ミストの噴射量は、水の量で０．００３〜０．００５ｍ3 ／ｍｉｎとした。
【００２９】
水ノズル８の先端と鋼管１の外表面との距離は５０ｍｍとし、水ノズル８からの水の噴射角度の中心は、鋼管１の中心軸線２の方向に対して直角より約３０度だけ鋼管１の進行方向に傾斜させた。水の噴射流量は０．０５〜０．１ｍ3 ／ｍｉｎとした。冷却装置の円筒状部材３は、中心軸線２の周りに約２３０回転／ｍｉｎの速度で回転させた。冷却装置の出口の位置における鋼管１の温度は約３７℃であった。
【００３０】
製管した鋼管は、長さ４ｍに切断し、変形および曲げを検査した。その結果、真円度０．２ｍｍ以内、曲がり０．５ｍｍ／１０００ｍｍであった。従来の固定式水冷ノズルのみを用いた装置では、真円度０．４５ｍｍ、曲がりは２ｍｍ／１０００ｍｍであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の冷却装置の部分断面図である。
【図２】図２は、エア供給溝を示すために図１の円筒状部材を約３０度回転させた部分断面図である。
【図３】図３は、図１のＡ−Ａ´矢視断面図である。
【符号の説明】
１  溶接鋼管
３  円筒状部材
４  球軸受け
５  支持部材
６  エアー噴射ノズル
７  ミスト噴射ノズル
８  水噴射ノズル
９  エアー供給口
１０  １１  水供給口
１２  水溜
１３  チェーンまたはＶベルト
１４  ホイール
１５  モーター
１６  パイプ
１７  スプロケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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