JP2017008372A - Hardening equipment and method for producing steel pipe - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a condition for hardening a steel pipe, the condition enabling a hardened steel pipe to combine prevention of quenching crack with ensuring of hardened structure.SOLUTION: Hardening equipment comprises a heating furnace, a transport device, cooling units 21(1), 21(2), ... 21(N) and a control device 22. The control device 22 sets: an amount of cooling medium sprayed by each of the cooling units 21(1) to 21(k) per unit time to be a first cooling medium amount W1; an amount of cooling medium sprayed by the cooling unit 21(k+1) per unit time to be a second cooling medium amount W2 which is less than the first cooling medium amount W1, which causes a surface temperature of a steel pipe P at a position of a final cooling ring 211 of the cooling unit 21(k+1) to be an Ms point or higher, and which causes a surface temperature of the steel pipe at a position of the first cooling ring 211 of the cooling unit 21(k+2) to be an Ms point or lower ; and an amount of cooling medium sprayed by the cooling units 21(k+2) to 21(N) sprays per unit time to be a third cooling medium amount W3 which is the second cooling medium amount W2 or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、焼入れ装置及び鋼管の製造方法に関する。   The present invention relates to a quenching apparatus and a method for manufacturing a steel pipe.

鋼管の焼入れは、焼入れ組織の確保と生産性向上の要請とから、設備仕様の最大冷却速度で急冷することで実施される。しかし、C含有量の高い鋼管は、焼割れ感受性が高いため、単純な冷却手段では冷却速度が大きすぎると焼割れが発生する。一方、冷却速度が小さすぎると焼入れ組織が得られず、所望の特性が得られない。   Quenching of steel pipes is carried out by quenching at the maximum cooling rate specified in the equipment specifications in order to secure a quenched structure and to improve productivity. However, since a steel pipe with a high C content has a high susceptibility to fire cracking, if a cooling rate is too high with a simple cooling means, fire cracking occurs. On the other hand, if the cooling rate is too low, a quenched structure cannot be obtained and desired characteristics cannot be obtained.

特開昭60−190524号公報には、連続的に配設した冷却媒体噴射ノズル列内を移動させることにより鋼管を焼入れする方法が記載されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-190524 describes a method of quenching a steel pipe by moving through continuously arranged cooling medium injection nozzle arrays.

特開昭61−281823号公報には、求心状に複数のミスティングジェットノズルを備え、鋼管の移送方向に複数縦列配置された冷却ヘッダ内を順次通過させて鋼管を冷却する方法が記載されている。同文献には、冷却後の鋼管に要求される金属組織及び機械的性質によって定まる冷却時の鋼管温度履歴に合致させるように、冷却ヘッダごとにその冷却水供給量及びエア供給量を設定し、かつ鋼管の移送速度を設定し冷却を行うことが記載されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 61-281823 describes a method of cooling a steel pipe by sequentially passing through cooling headers that are provided with a plurality of misting jet nozzles in a centripetal manner and arranged in tandem in the direction of steel pipe transfer. Yes. In this document, the cooling water supply amount and the air supply amount are set for each cooling header so as to match the steel pipe temperature history during cooling determined by the metal structure and mechanical properties required for the steel pipe after cooling, In addition, it is described that cooling is performed by setting a transfer rate of the steel pipe.

特開昭62−192535号公報には、水量と気水比とが調整可能なミスティングジェットノズルを用いて構成された冷却能が可変で、かつ速度可変ローラコンベア中に鋼管移動方向に複数個連設された環状冷却ヘッダ内に、所定温度に加熱した鋼管を挿通移動させて冷却するに際し、その鋼管の移動速度と各冷却ヘッダの冷却能とを、所定の冷却速度パターン及び温度差が得られるように各々設定し、冷却することを特徴とする鋼管の冷却方法が記載されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-192535 discloses a variable cooling capacity configured by using a misting jet nozzle capable of adjusting the water amount and the air / water ratio, and a plurality of speed change roller conveyors in the moving direction of the steel pipe. When a steel pipe heated to a predetermined temperature is inserted and moved into the annular cooling header provided continuously, the moving speed of the steel pipe and the cooling capacity of each cooling header are obtained by a predetermined cooling rate pattern and temperature difference. The steel pipe cooling method is characterized in that each is set and cooled as described above.

特開平9−104925号公報には、重量%で、0.2〜1.2%のCを含有する鋼管の焼割れを防止する焼入れ方法であって、焼入れにおいて冷却を鋼管の内面だけから行うことを特徴とする中・高炭素鋼の焼入れ方法が開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 9-104925 discloses a quenching method for preventing quench cracking of a steel pipe containing 0.2 to 1.2% C by weight, and cooling is performed only from the inner surface of the steel pipe. A method of quenching medium and high carbon steel characterized by the above is disclosed.

特開昭60−190524号公報JP-A-60-190524 特開昭61−281823号公報JP-A-61-281823 特開昭62−192535号公報Japanese Patent Laid-Open No. 62-192535 特開平9−104925号公報JP-A-9-104925

前掲の特開昭60−190524号公報には、冷却初期には冷却能力の大きい水噴射ノズルにより冷却し、外表面部分がマルテンサイト変態領域に入る直前に冷却能力の小さい気水冷却に切り換えることが記載されている。これを実現するための具体的手段として、鋼管の搬送速度を調整すること、及び水噴射による冷却ゾーンと気水による冷却ゾーンの長さを可変にすることが提案されている。後者を実現するためのさらに具体的な構成として、水噴射冷却を行う上流ゾーンと気水冷却を行う中流ゾーンとの間に、水噴射ノズルと気水ノズルとの両方を組み込んだ冷却ヘッダが複数列配置された境界ゾーンを設け、列ごとに水噴射ノズル及び気水ノズルへの冷却水及び気水の供給をオンオフすることが開示されている。   In JP-A-60-190524 described above, cooling is performed by a water jet nozzle having a large cooling capacity in the initial stage of cooling, and switching to air / water cooling having a small cooling capacity immediately before the outer surface portion enters the martensitic transformation region. Is described. As specific means for realizing this, it has been proposed to adjust the conveying speed of the steel pipe and to make the lengths of the cooling zone by water injection and the cooling zone by air water variable. As a more specific configuration for realizing the latter, there are a plurality of cooling headers in which both the water injection nozzle and the air-water nozzle are incorporated between the upstream zone that performs water-injection cooling and the midstream zone that performs air-water cooling. It is disclosed to provide a boundary zone arranged in a row, and to turn on / off the supply of cooling water and steam to the water jet nozzle and the steam nozzle for each row.

しかし、鋼管の搬送速度を調整する方法は、鋼管の軸方向の全体にわたって鋼管の冷却速度が変化し、冷却曲線が大きく変化するという問題がある。また、境界ゾーンを設けて水噴射による冷却ゾーンと気水による冷却ゾーンの長さを可変にする方法は、各ゾーンの長さをヘッダ列単位でしか変更できないという問題がある。   However, the method of adjusting the conveying speed of the steel pipe has a problem that the cooling speed of the steel pipe changes over the entire axial direction of the steel pipe and the cooling curve changes greatly. In addition, the method of providing a boundary zone and making the lengths of the cooling zone by water injection and the cooling zone by air water variable has a problem that the length of each zone can be changed only in units of header columns.

前掲の特開昭60−190524号公報及び特開昭62−192535号公報に記載された冷却方法では、まず目標とする鋼管の特性に合致させるように鋼管温度履歴(冷却曲線)を設定し、設定した鋼管温度履歴に合致させるように各冷却ヘッダの水量及び鋼管の移送速度等を設定する。しかし、目標とする鋼管の特性を得るための鋼管温度履歴は複数存在し、必ずしも最も効率的な冷却条件が得られるとは限らない。   In the cooling methods described in the above-mentioned JP-A-60-190524 and JP-A-62-192535, a steel pipe temperature history (cooling curve) is first set so as to match the target steel pipe characteristics, The amount of water in each cooling header and the transfer speed of the steel pipe are set so as to match the set steel pipe temperature history. However, there are a plurality of steel pipe temperature histories for obtaining target steel pipe characteristics, and the most efficient cooling conditions are not always obtained.

前掲の特開平9−104925号公報に開示された方法は、マルテンサイト変態開始温度を通過する際の温度制御については記載されていない。そのため、種々の組成の鋼管、あるいは種々のサイズの鋼管に対して安定した結果が得られるか不明である。   The method disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-104925 does not describe temperature control when passing the martensitic transformation start temperature. Therefore, it is unclear whether stable results can be obtained for steel pipes of various compositions or steel pipes of various sizes.

本発明の目的は、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立し、かつ効率よく鋼管を熱処理できる焼入れ装置及び鋼管の製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a quenching apparatus and a steel pipe manufacturing method capable of efficiently heat-treating a steel pipe while achieving both prevention of quench cracking and securing of a quenching structure.

本発明の一実施形態による焼入れ装置は、鋼管を加熱する加熱炉と、前記鋼管をその軸方向に一定の搬送速度で搬送する搬送装置と、前記鋼管の軸方向に沿って配置され、加熱された前記鋼管に冷媒を噴射する1個以上の冷却リングを各々が含むN個の冷却ユニットと、前記冷却ユニットの各々が噴射する冷媒の量を制御する制御装置とを備える。前記制御装置は、前記加熱炉側から1〜k番目の前記冷却ユニットの各々が単位時間に噴射する冷媒の量を第1冷媒量に設定し、前記加熱炉側から(k+1)番目の冷却ユニットが単位時間に噴射する冷媒の量を前記第1冷媒量未満であって、前記(k+1)番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記鋼管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以上になり、かつ、前記加熱炉から(k+2)番目の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における前記鋼管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる量である第2冷媒量に設定し、前記加熱炉側から(k+2)〜N番目の冷却ユニットの各々が単位時間に噴射する冷媒の量を前記第2冷媒量以下の量である第3冷媒量に設定する。
ただし、Nは3以上の整数であり、kは1以上N−2以下の整数である。
A quenching apparatus according to an embodiment of the present invention includes a heating furnace that heats a steel pipe, a transport apparatus that transports the steel pipe at a constant transport speed in an axial direction thereof, and is arranged and heated along the axial direction of the steel pipe. And N cooling units each including one or more cooling rings for injecting refrigerant into the steel pipe, and a control device for controlling the amount of refrigerant to be injected by each of the cooling units. The control device sets the amount of refrigerant that each of the first to kth cooling units from the heating furnace side injects per unit time as a first refrigerant amount, and the (k + 1) th cooling unit from the heating furnace side. The amount of refrigerant injected per unit time is less than the first refrigerant amount, and the surface temperature of the steel pipe at the position of the final cooling ring of the (k + 1) th cooling unit is equal to or higher than the martensitic transformation start temperature. And the amount of the second refrigerant that is the amount at which the surface temperature of the steel pipe at the position of the first cooling ring of the (k + 2) -th cooling unit from the heating furnace is equal to or lower than the martensitic transformation start temperature, The amount of refrigerant that each of the (k + 2) to Nth cooling units from the side injects per unit time is set to a third refrigerant amount that is equal to or less than the second refrigerant amount.
However, N is an integer greater than or equal to 3, and k is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to N-2.

本発明の一実施形態による鋼管の製造方法は、素管を焼入れして鋼管を製造する方法であって、加熱炉で前記素管を加熱する工程と、前記素管をその軸方向に一定の搬送速度で搬送する工程と、前記素管の軸方向に沿って配置され、加熱された前記素管に冷媒を噴射する1個以上の冷却リングを各々が含むN個の冷却ユニットによって前記素管を冷却する工程とを備え、前記冷却する工程では、前記加熱炉側から1〜k番目の前記冷却ユニットの各々が単位時間に噴射する冷媒の量を第1冷媒量に設定し、前記加熱炉側から(k+1)番目の冷却ユニットが単位時間に噴射する冷媒の量を前記第1冷媒量未満であって、前記(k+1)番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記素管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以上になり、かつ、前記加熱炉から(k+2)番目の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における前記素管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる量である第2冷媒量に設定し、前記加熱炉側から(k+2)〜N番目の冷却ユニットの各々が単位時間に噴射する冷媒の量を前記第2冷媒量以下の量である第3冷媒量に設定する。
ただし、Nは3以上の整数であり、kは1以上N−2以下の整数である。
A method of manufacturing a steel pipe according to an embodiment of the present invention is a method of manufacturing a steel pipe by quenching the raw pipe, the step of heating the raw pipe in a heating furnace, and the constant pipe in the axial direction thereof. The raw tube by the step of carrying at a carrying speed, and N cooling units each including one or more cooling rings arranged along the axial direction of the raw tube and injecting a refrigerant into the heated raw tube And in the cooling step, the first to kth cooling units each of the first to kth cooling units from the heating furnace side are set to a first refrigerant amount, and the heating furnace is set. The surface of the element tube at the position of the final cooling ring of the (k + 1) th cooling unit, wherein the amount of refrigerant that the (k + 1) th cooling unit from the side injects per unit time is less than the first refrigerant amount. Temperature is martensitic transformation start temperature The second refrigerant amount is set to be the amount at which the surface temperature of the raw tube at the position of the first cooling ring of the (k + 2) th cooling unit from the heating furnace is equal to or lower than the martensitic transformation start temperature. The amount of the refrigerant that each of the (k + 2) to Nth cooling units from the heating furnace side injects per unit time is set to the third refrigerant amount that is equal to or less than the second refrigerant amount.
However, N is an integer greater than or equal to 3, and k is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to N-2.

本発明によれば、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立し、かつ効率よく鋼管を熱処理できる焼入れ装置及び鋼管の製造方法が得られる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the quenching apparatus which can heat-process a steel pipe efficiently, and the manufacturing method of a steel pipe can be obtained which is compatible with prevention of a quenching crack and ensuring of a quenching structure | tissue.

図1は、本発明の一実施形態による熱処理ラインの機能的構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a heat treatment line according to an embodiment of the present invention. 図2は、冷却装置の模式的平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of the cooling device. 図3は、冷却装置の模式的正面図である。FIG. 3 is a schematic front view of the cooling device. 図4は、軸方向に沿った鋼管の表面温度の分布と、冷却ユニットの位置との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the distribution of the surface temperature of the steel pipe along the axial direction and the position of the cooling unit. 図5は、本計算例で用いる鋼管のシミュレーションモデルを説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a simulation model of a steel pipe used in this calculation example. 図6は、図5の矩形領域VIの拡大図である。FIG. 6 is an enlarged view of the rectangular area VI of FIG. 図7は、マルテンサイト変態を伴う鋼のCCT曲線を模式的に示す図である。FIG. 7 is a diagram schematically showing a CCT curve of steel with martensitic transformation.

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

[熱処理ラインの構成]
図1は、本発明の一実施形態による熱処理ライン100の機能的構成を示すブロック図である。熱処理ライン100は、焼入れ装置1、及び焼戻し炉40を備えている。焼入れ装置1は、加熱炉10、冷却装置20、及び浸漬槽30を備えている。各装置の間には、搬送ローラ60(搬送装置)が配置されている。
[Configuration of heat treatment line]
FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a heat treatment line 100 according to an embodiment of the present invention. The heat treatment line 100 includes a quenching apparatus 1 and a tempering furnace 40. The quenching apparatus 1 includes a heating furnace 10, a cooling apparatus 20, and an immersion tank 30. A transport roller 60 (transport device) is disposed between the devices.

搬送ローラ60は、加熱炉10から冷却装置20へ、冷却装置20から浸漬槽30へ、浸漬槽30から焼戻し炉40へ、鋼管を順次搬送する。鋼管は、加熱炉10で加熱され、冷却装置20及び/又は浸漬槽30によって冷却される。鋼管はその後、焼戻し炉40によって加熱される。   The conveyance roller 60 sequentially conveys the steel pipe from the heating furnace 10 to the cooling device 20, from the cooling device 20 to the immersion tank 30, and from the immersion tank 30 to the tempering furnace 40. The steel pipe is heated in the heating furnace 10 and cooled by the cooling device 20 and / or the immersion bath 30. The steel pipe is then heated by a tempering furnace 40.

熱処理ライン100の構成によれば、加熱炉10によって鋼管をAc点以上に加熱した後、冷却装置20及び/又は浸漬槽30によって鋼管を冷却することによって、鋼管を焼入れすることができる。さらに、焼戻し炉40によって鋼管を所定の温度に加熱することによって、鋼管を焼戻しすることができる。焼戻しされた鋼管は例えば、図示しない冷却装置によって冷却された後、探傷装置などに搬送される。 According to the configuration of the heat treatment line 100, the steel pipe can be quenched by cooling the steel pipe with the cooling device 20 and / or the immersion bath 30 after heating the steel pipe to Ac 3 or more by the heating furnace 10. Furthermore, the steel pipe can be tempered by heating the steel pipe to a predetermined temperature by the tempering furnace 40. For example, the tempered steel pipe is cooled by a cooling device (not shown) and then transferred to a flaw detection device or the like.

熱処理ライン100の構成によれば、鋼管に焼入れ焼戻しの熱処理を連続して実施することができる。ただし、焼入れ焼戻しは連続して実施されなくてもよく、焼戻し炉40は、熱処理ライン100に配置されていなくてもよい。   According to the configuration of the heat treatment line 100, the steel pipe can be continuously subjected to quenching and tempering heat treatment. However, quenching and tempering may not be performed continuously, and the tempering furnace 40 may not be disposed in the heat treatment line 100.

冷却装置20は、後述するように、冷媒を噴射して鋼管を冷却する。冷却装置20が噴射する冷媒の量は、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立できるように制御される。   The cooling device 20 cools the steel pipe by injecting a refrigerant, as will be described later. The amount of the refrigerant injected by the cooling device 20 is controlled so as to achieve both prevention of quench cracking and securing of a quenched structure.

浸漬槽30には、冷媒が充填されており、鋼管を浸漬させることで内外面から急冷することができる。熱処理対象の鋼管が焼割れ感受性の低い低中炭素鋼管(C含有量0.30%未満)の場合、冷却装置20を使用せず、浸漬槽30だけを使用して鋼管を冷却することもできる。この場合、処理速度を大きくすることができる。一方、熱処理対象の鋼管が焼割れ感受性の高い鋼管の場合でも、冷却装置20によって鋼管を十分に冷却しておけば、浸漬槽30に浸漬させても焼割れが発生することはない。   The immersion tank 30 is filled with a refrigerant, and can be rapidly cooled from the inner and outer surfaces by immersing the steel pipe. When the steel pipe to be heat-treated is a low-medium carbon steel pipe (C content less than 0.30%) with low susceptibility to fire cracking, the steel pipe can be cooled using only the immersion tank 30 without using the cooling device 20. . In this case, the processing speed can be increased. On the other hand, even when the steel pipe to be heat-treated is a steel pipe having high susceptibility to fire cracking, if the steel pipe is sufficiently cooled by the cooling device 20, the fire crack will not occur even if it is immersed in the immersion bath 30.

すなわち、焼入れ装置1の構成によれば、対象となる鋼管の性質に応じて、冷却装置20による焼入れと浸漬槽30による焼入れとを選択的に実施することができる。一方、焼割れ感受性の高い鋼管だけを対象とする場合、浸漬槽30は設置しなくてもよい。   That is, according to the structure of the quenching apparatus 1, quenching by the cooling device 20 and quenching by the immersion tank 30 can be selectively performed according to the properties of the target steel pipe. On the other hand, when only a steel pipe with high susceptibility to burning cracks is targeted, the immersion tank 30 may not be installed.

[冷却装置20の構成]
次に、冷却装置20の構成を説明する。図2は、冷却装置20の模式的平面図である。図3は、冷却装置20の模式的正面図である。
[Configuration of Cooling Device 20]
Next, the configuration of the cooling device 20 will be described. FIG. 2 is a schematic plan view of the cooling device 20. FIG. 3 is a schematic front view of the cooling device 20.

冷却装置20は、鋼管Pの軸方向に沿って配置されたN個の冷却ユニット21(1)、21(2)、…、21(N)を備えている。ここで、Nは3以上の整数である。冷却ユニット21(1)、21(2)、…、21(N)は、加熱炉10(図1)側から、この順番で配置されている。   The cooling device 20 includes N cooling units 21 (1), 21 (2),..., 21 (N) arranged along the axial direction of the steel pipe P. Here, N is an integer of 3 or more. The cooling units 21 (1), 21 (2),..., 21 (N) are arranged in this order from the heating furnace 10 (FIG. 1) side.

冷却ユニット21(1)、21(2)、…、21(N)の各々(以下、各冷却ユニット21と呼ぶ。)は、3個の冷却リング211を備えている。冷却リング211の各々は、鋼管Pの周りに配置された12本のノズル2111(図3)を備えている。冷却リング211は、ノズル2111から鋼管Pに冷媒を噴射する。   Each of the cooling units 21 (1), 21 (2),..., 21 (N) (hereinafter referred to as each cooling unit 21) includes three cooling rings 211. Each of the cooling rings 211 includes twelve nozzles 2111 (FIG. 3) arranged around the steel pipe P. The cooling ring 211 injects the refrigerant from the nozzle 2111 to the steel pipe P.

鋼管Pは、搬送ローラ60(図1)によって、管軸方向に一定の搬送速度vで搬送される。鋼管Pは、冷却装置20内を搬送速度vで通過する。このとき、各冷却ユニット21は、ノズル2111から鋼管Pの外面に冷媒を噴射することで、鋼管Pを冷却する。   The steel pipe P is transported at a constant transport speed v in the tube axis direction by the transport roller 60 (FIG. 1). The steel pipe P passes through the cooling device 20 at the conveyance speed v. At this time, each cooling unit 21 cools the steel pipe P by injecting a refrigerant from the nozzle 2111 to the outer surface of the steel pipe P.

各冷却ユニット21は、制御弁212をさらに備えている。制御弁212の各々は、制御装置22によって制御される。この構成によれば、制御装置22は、各冷却ユニット21から噴射される冷媒の量を独立して制御することができる。   Each cooling unit 21 further includes a control valve 212. Each of the control valves 212 is controlled by the control device 22. According to this configuration, the control device 22 can independently control the amount of refrigerant injected from each cooling unit 21.

冷媒は、例えば、水、油、ミストであり、好ましくはミストである。図2では、図の簡略化のため、各冷却ユニット21に1つの制御弁212が設けられているように図示している。しかし、各冷却ユニット21には、2つ以上の制御弁が設けられていてもよい。この場合、冷却ユニット21(1)、21(2)、…、21(N)の冷媒の混合比(例えば、ミストの気水比)を独立して制御することができる。   The refrigerant is, for example, water, oil, or mist, preferably mist. In FIG. 2, for the sake of simplification of the drawing, each cooling unit 21 is illustrated as having one control valve 212. However, each cooling unit 21 may be provided with two or more control valves. In this case, the refrigerant mixing ratio (for example, mist air-water ratio) of the cooling units 21 (1), 21 (2),..., 21 (N) can be controlled independently.

上記では、各冷却ユニット21が3個の冷却リング211を備えている構成を示したが、冷却リングの数は任意であり、1個であってもよい。各冷却ユニット21が備える冷却リング211の数は、好ましくは2〜4個である。   In the above description, the configuration in which each cooling unit 21 includes three cooling rings 211 is shown, but the number of cooling rings is arbitrary, and may be one. The number of cooling rings 211 provided in each cooling unit 21 is preferably 2 to 4.

上記では、各冷却リング211が12個のノズル2111を備えている構成を示したが、ノズル2111の数は任意である。各冷却リング211が備えるノズル2111の数は、好ましくは8〜18個である。   In the above description, the configuration in which each cooling ring 211 includes 12 nozzles 2111 is shown, but the number of nozzles 2111 is arbitrary. The number of nozzles 2111 provided in each cooling ring 211 is preferably 8 to 18.

上記では、鋼管Pの外面にだけ冷媒を噴射する構成を示したが、鋼管Pの内面にも冷媒を噴射する構成としてもよい。   In the above description, the configuration in which the refrigerant is injected only on the outer surface of the steel pipe P is shown. However, the configuration may be such that the refrigerant is also injected on the inner surface of the steel pipe P.

[制御装置22の動作]
次に、図2及び図4を参照して、制御装置22の動作を説明する。図4は、軸方向に沿った鋼管Pの表面温度(外面の表面温度)の分布と、冷却ユニット21(1)、21(2)・・・、21(N)の位置との関係を示す図である。
[Operation of Control Device 22]
Next, the operation of the control device 22 will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows the relationship between the distribution of the surface temperature (outer surface temperature) of the steel pipe P along the axial direction and the positions of the cooling units 21 (1), 21 (2)..., 21 (N). FIG.

制御装置22(図2)は、制御弁212を制御して、冷却ユニット21(1)〜22(k)に供給される冷媒の量をW1(第1冷媒量)に設定する。ここで、kは1以上(N−2)以下の整数である。図2は、k=2の場合を示している。制御装置22はさらに、冷却ユニット21(k+1)に供給される冷媒の量をW2(第2冷媒量)に設定し、冷却ユニット21(k+2)〜22(N)に供給される冷媒の量をW3(第3冷媒量)に設定する。   The control device 22 (FIG. 2) controls the control valve 212 to set the amount of refrigerant supplied to the cooling units 21 (1) to 22 (k) to W1 (first refrigerant amount). Here, k is an integer of 1 or more and (N−2) or less. FIG. 2 shows a case where k = 2. The control device 22 further sets the amount of refrigerant supplied to the cooling unit 21 (k + 1) to W2 (second refrigerant amount), and sets the amount of refrigerant supplied to the cooling units 21 (k + 2) to 22 (N). Set to W3 (third refrigerant amount).

冷媒量W2は、冷媒量W1未満である。冷媒量W3は、冷媒量W2以下である。冷媒量W3は、好ましくは冷媒量W2未満である。なお、図4には、仮にW2=W1とした場合の、鋼管の表面温度の分布を、二点鎖線で模式的に示す。   The refrigerant amount W2 is less than the refrigerant amount W1. The refrigerant amount W3 is equal to or less than the refrigerant amount W2. The refrigerant amount W3 is preferably less than the refrigerant amount W2. In FIG. 4, the distribution of the surface temperature of the steel pipe when W2 = W1 is schematically shown by a two-dot chain line.

冷媒量W2はさらに、冷却ユニット21(k+1)の最終の冷却リング211(加熱炉10(図1)から最も遠い冷却リング211)の位置における鋼管Pの表面温度がマルテンサイト変態開始温度(以下、Ms点という。)以上であり、かつ、冷却ユニット21(k+2)の最初の冷却リング211(加熱炉10(図1)に最も近い冷却リング211)の位置における鋼管Pの表面温度がMs点以下になるように設定される。換言すれば、冷媒量W2は、鋼管の表面温度がMs点を通過する位置が、冷却ユニット21(k+1)と冷却ユニット22(k+2)の間になるように設定される。   The refrigerant amount W2 further indicates that the surface temperature of the steel pipe P at the position of the final cooling ring 211 (the cooling ring 211 farthest from the heating furnace 10 (FIG. 1)) of the cooling unit 21 (k + 1) is the martensitic transformation start temperature (hereinafter, The surface temperature of the steel pipe P at the position of the first cooling ring 211 (the cooling ring 211 closest to the heating furnace 10 (FIG. 1)) of the cooling unit 21 (k + 2) is equal to or lower than the Ms point. Is set to be In other words, the refrigerant amount W2 is set so that the position at which the surface temperature of the steel pipe passes the Ms point is between the cooling unit 21 (k + 1) and the cooling unit 22 (k + 2).

冷媒量W2は、好ましくは、冷却ユニット21(k+1)の最終の冷却リング211の位置における鋼管Pの表面温度がMs点よりも高くなり、かつ、冷却ユニット21(k+2)の最初の冷却リング211の位置における鋼管Pの表面温度がMs点よりも低くなるように設定される。   The refrigerant amount W2 is preferably such that the surface temperature of the steel pipe P at the position of the final cooling ring 211 of the cooling unit 21 (k + 1) is higher than the Ms point, and the first cooling ring 211 of the cooling unit 21 (k + 2). The surface temperature of the steel pipe P at the position of is set so as to be lower than the Ms point.

冷媒量W3は、好ましくは、冷却ユニット21(N)の最終の冷却リング211の位置における鋼管Pの内面温度がマルテンサイト変態終了温度(以下、Mf点という。)以下になるように設定される。これは、冷却終了時の温度がMf点以下になっていないと、鋼管Pの組成によっては残留オーステナイト相が増加する場合があるためである。また、操業効率の面から速やかに変態を完了させるためでもある。   The refrigerant amount W3 is preferably set so that the inner surface temperature of the steel pipe P at the position of the final cooling ring 211 of the cooling unit 21 (N) is equal to or lower than the martensite transformation end temperature (hereinafter referred to as Mf point). . This is because the retained austenite phase may increase depending on the composition of the steel pipe P if the temperature at the end of cooling is not lower than the Mf point. Moreover, it is also for completing transformation quickly from the surface of operational efficiency.

冷媒量W3は、さらに好ましくは、冷却ユニット21(N)の最終の冷却リング211の位置における鋼管Pの肉厚内最高温度がMf点以下になるように設定される。なお、本実施形態では、鋼管Pの外面にだけ冷媒を噴射する。そのため、肉厚内最高温度は、鋼管Pの内面又は内面から少し内側の位置になる。   More preferably, the refrigerant amount W3 is set such that the maximum temperature in the thickness of the steel pipe P at the position of the final cooling ring 211 of the cooling unit 21 (N) is equal to or lower than the Mf point. In the present embodiment, the refrigerant is injected only on the outer surface of the steel pipe P. Therefore, the maximum temperature in the wall thickness is a position slightly inside from the inner surface of the steel pipe P or the inner surface.

[冷媒量の決定方法]
冷媒量W1、W2、W3は、鋼管の表面温度がMs点になる位置をシミュレーションによって予測して決定することができる。以下では、鋼管の温度分布を計算する方法の一例(以下、本計算例と呼ぶ。)を説明する。
[Method of determining the amount of refrigerant]
The refrigerant amounts W1, W2, and W3 can be determined by predicting the position at which the surface temperature of the steel pipe reaches the Ms point by simulation. Below, an example (henceforth this calculation example) of calculating the temperature distribution of a steel pipe is demonstrated.

本計算例は、有限要素法による数値解析である。本計算例では、計算の便宜のため、各ゾーンの冷媒量W1、W2、W3に代えて、鋼管表面と冷媒との界面の熱伝達率h1、h2、h3を用いる。冷媒量と熱伝達率との関係は、実測定から求めることができる。なお熱伝達率は、冷媒量の0.5〜0.8乗に比例する。したがって、冷媒量を最大値WMAXにして測定したときの熱伝達率をhMAXとすると、冷媒量Wと熱伝達率hの関係は、次式によって求めることもできる。指数部の0.65は、0.5〜0.8の中間値である。
(W/WMAX0.65=h/hMAX
This calculation example is a numerical analysis by the finite element method. In this calculation example, for the convenience of calculation, the heat transfer coefficients h1, h2, and h3 at the interface between the steel pipe surface and the refrigerant are used instead of the refrigerant amounts W1, W2, and W3 in each zone. The relationship between the refrigerant amount and the heat transfer coefficient can be obtained from actual measurement. The heat transfer coefficient is proportional to the amount of refrigerant 0.5 to 0.8. Therefore, if the heat transfer coefficient when the refrigerant quantity is measured at the maximum value W MAX is h MAX , the relationship between the refrigerant quantity W and the heat transfer coefficient h can also be obtained by the following equation. The exponent part 0.65 is an intermediate value of 0.5 to 0.8.
(W / W MAX ) 0.65 = h / h MAX

図5は、本計算例で用いる鋼管Pのシミュレーションモデルを説明するための図である。図6は、図5の矩形領域VIの拡大図である。本計算例では、鋼管Pを軸対称とみなし、肉厚方向に沿って整列した節点を持つモデルを用いる。モデル上面は平面を保持する(一様変位が起こる)ものとし、周方向の熱の移動はないものとする。   FIG. 5 is a diagram for explaining a simulation model of the steel pipe P used in this calculation example. FIG. 6 is an enlarged view of the rectangular area VI of FIG. In this calculation example, the steel pipe P is regarded as axially symmetric, and a model having nodes aligned along the thickness direction is used. It is assumed that the upper surface of the model holds a plane (uniform displacement occurs) and there is no circumferential heat transfer.

初期条件は、全節点で同一温度(加熱炉10(図1)の温度)、同一組織(オーステナイト組織)とする。冷却条件は、加熱炉10と冷却装置20との間では内外面ともに空冷、冷却装置20内では内面空冷、外面強制冷却、冷却装置20通過後は内外面空冷とする。強制冷却時における鋼管表面と冷媒との界面の熱伝達率として、上述の熱伝達率h1、h2、h3を用いる。空冷時における鋼管表面と空気との熱伝達率は例えば、5(W/(m・K))とする。 The initial conditions are the same temperature (temperature of the heating furnace 10 (FIG. 1)) and the same structure (austenite structure) at all nodes. The cooling conditions are air cooling on the inner and outer surfaces between the heating furnace 10 and the cooling device 20, air cooling on the inner surface in the cooling device 20, forced cooling on the outer surface, and air cooling on the inner and outer surfaces after passing through the cooling device 20. As the heat transfer coefficient at the interface between the steel pipe surface and the refrigerant during forced cooling, the above-described heat transfer coefficients h1, h2, and h3 are used. The heat transfer coefficient between the steel pipe surface and air during air cooling is, for example, 5 (W / (m 2 · K 2 )).

本計算例では、組織変態を考慮した温度−変位連成解析を行う。組織変態の予測モデルとして、拡散変態はLiの拡散型変態予測モデル(M.V.Li et al. Metall. Mater. Trans. B, 29(3) 661-672, 1998)を用いてモデル化し、無拡散変態はK−M式(D. P. Koistinen and R. E. Marburger, ActaMetall., 7, 59-60, 1959)を用いてモデル化する。熱膨張係数及び変態膨張係数は、Miettinenの密度式(J. Miettinen, Metall. Mater. Trans. B, vol. 28B, 281-297, 1997)を用いて、各相の密度差から予測する。   In this calculation example, a temperature-displacement coupled analysis is performed in consideration of the tissue transformation. As a prediction model for tissue transformation, diffusion transformation is modeled using a diffusion type transformation prediction model for Li (MVLi et al. Metall. Mater. Trans. B, 29 (3) 661-672, 1998). Is modeled using the KM equation (DP Koistinen and RE Marburger, Acta Metall., 7, 59-60, 1959). The thermal expansion coefficient and transformation expansion coefficient are predicted from the density difference of each phase using the Miettinen density formula (J. Miettinen, Metall. Mater. Trans. B, vol. 28B, 281-297, 1997).

混合相の材料特性は、線形混合則の成立を仮定して、下記の式(1)から求める。   The material properties of the mixed phase are obtained from the following equation (1) assuming that the linear mixing rule is established.

Figure 2017008372
Figure 2017008372

ここで、Pmixture、P、PF/P、P、及びPはそれぞれ、混合相、オーステナイト相、フェライト/パーライト相、ベイナイト相、及びマルテンサイト相の材料特性である。ξ、ξF/P、ξ、及びξはそれぞれ、オーステナイト相、フェライト/パーライト相、ベイナイト相、及びマルテンサイト相の体積分率である。 Here, P mixture, P A, P F / P, P B, and each P M may be a mixed phase, austenite phase, ferrite / pearlite phase, a material property of the bainite phase, and martensite phase. ξ A , ξ F / P , ξ B , and ξ M are the volume fractions of the austenite phase, ferrite / pearlite phase, bainite phase, and martensite phase, respectively.

Liの拡散型変態予測モデルによれば、オーステナイトから各拡散変態組織へ等温変態する場合の時間τは、変態率Xと温度Tの関数として、下記の式(2)のように表される。   According to the Li diffusion transformation prediction model, the time τ in the case of isothermal transformation from austenite to each diffusion transformation structure is expressed as the following equation (2) as a function of the transformation rate X and the temperature T.

Figure 2017008372
Figure 2017008372

ここで、Fは合金元素の含有量(C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、単位は質量%)及びASTMオーステナイト粒度番号Gの関数である。ΔTは過冷却度(=変態点−T)、nは実験的に決定された定数、Qは拡散変態の活性化エネルギー(27500(cal/mol))、Rは気体定数(1.987(cal/mol/K))である。また、S(X)は変態速度を表わす関数であり、下記の式(3)で与えられる。 Here, F is a function of alloy element content (C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, unit is mass%) and ASTM austenite grain size number G. ΔT is the degree of supercooling (= transformation point−T), n is an experimentally determined constant, Q is the activation energy for diffusion transformation (27500 (cal / mol)), and R is the gas constant (1.987 ( cal / mol / K)). S (X) is a function representing the transformation speed and is given by the following equation (3).

Figure 2017008372
Figure 2017008372

なお、フェライト、パーライト、及びベイナイトの各変態組織へ変態する場合の具体形τ、τ、及びτはそれぞれ、下記の式(4)〜式(6)で与えられる。 The specific forms τ F , τ P , and τ B in the case of transformation into ferrite, pearlite, and bainite transformation structures are respectively given by the following formulas (4) to (6).

Figure 2017008372
Figure 2017008372

Figure 2017008372
Figure 2017008372

Figure 2017008372
Figure 2017008372

ここで、Aeはフェライトの存在上限を定義する平衡温度、Aeはオーステナイトの存在下限を定義する平衡温度、Bsはベイナイト変態開始温度である。 Here, Ae 3 is the equilibrium temperature that defines the upper limit of the presence of ferrite, Ae 1 is the equilibrium temperature that defines the lower limit of the presence of austenite, and Bs is the bainite transformation start temperature.

上記の拡散型変態予測モデルから、連続冷却中の相変態予測を考える。ある微小時間dτの間温度が一定であると仮定すると、時刻τにおける変態速度式は式(2)を変態率Xで微分して逆数をとることで、下記の式(7)のように表される。   The phase transformation prediction during continuous cooling is considered from the above diffusion type transformation prediction model. Assuming that the temperature is constant for a certain minute time dτ, the transformation rate equation at the time τ is expressed as the following equation (7) by differentiating the equation (2) by the transformation rate X and taking the reciprocal. Is done.

Figure 2017008372
Figure 2017008372

時刻τにおける変態率Xが既知であれば、時刻τi+1=τ+dτにおける変態率Xi+1は、式(7)から求めることができる。これを時刻0からτ(i=1,2,3…)まで繰り返す。これは、加算則を用いて連続冷却変態を予測することに相当する。 If the transformation ratio X i is known at time tau i, the transformation rate X i + 1 at time τ i + 1 = τ i + dτ can be obtained from equation (7). This is repeated from time 0 to τ i (i = 1, 2, 3,...). This corresponds to predicting the continuous cooling transformation using the addition rule.

無拡散変態は、下記の式(8)によって表されるK−M式によって、温度のみの関数として取り扱う。   The non-diffusion transformation is treated as a function of temperature only by the KM equation represented by the following equation (8).

Figure 2017008372
Figure 2017008372

上記のモデルを用いて、搬送速度v、熱伝達率h1、h2、h3を所与の条件として鋼管の温度分布を計算し、鋼管の表面温度がMs点となる位置を求める。鋼管の表面温度がMs点となる位置が冷却ユニット21(k+1)と冷却ユニット21(k+2)との間となるように、熱伝達率h2を調整する。そして、得られた熱伝達率h2を冷媒量W2に換算する。   Using the above model, the temperature distribution of the steel pipe is calculated with the conveying speed v and the heat transfer coefficients h1, h2, and h3 as given conditions, and the position where the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point is obtained. The heat transfer coefficient h2 is adjusted so that the position where the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point is between the cooling unit 21 (k + 1) and the cooling unit 21 (k + 2). And the obtained heat transfer coefficient h2 is converted into the refrigerant | coolant amount W2.

同様に、冷却ユニット21(N)の最終の冷却リング211の位置における鋼管Pの表面温度をMf点以下にする場合は、当該温度を上記のモデルで計算し、当該温度がMf点以下になるように熱伝達率h3を調整する。そして、得られた熱伝達率h3を冷媒量W3に換算すればよい。   Similarly, when the surface temperature of the steel pipe P at the position of the final cooling ring 211 of the cooling unit 21 (N) is set to the Mf point or less, the temperature is calculated by the above model, and the temperature becomes the Mf point or less. Thus, the heat transfer coefficient h3 is adjusted. Then, the obtained heat transfer coefficient h3 may be converted into the refrigerant amount W3.

同様に、冷却ユニット21(N)の最終の冷却リング211の位置における鋼管Pの肉厚内最高温度をMf点以下にする場合は、当該温度を上記のモデルで計算し、当該温度がMf点以下になるように熱伝達率h3を調整する。そして、得られた熱伝達率h3を冷媒量W3に換算すればよい。   Similarly, when the maximum temperature in the thickness of the steel pipe P at the position of the final cooling ring 211 of the cooling unit 21 (N) is set to the Mf point or less, the temperature is calculated by the above model, and the temperature is calculated as the Mf point. The heat transfer coefficient h3 is adjusted to be as follows. Then, the obtained heat transfer coefficient h3 may be converted into the refrigerant amount W3.

[冷却装置1の効果]
以下、冷却装置1の効果を説明する。図7は、マルテンサイト変態を伴う鋼のCCT曲線を模式的に示す図である。
[Effect of cooling device 1]
Hereinafter, the effect of the cooling device 1 will be described. FIG. 7 is a diagram schematically showing a CCT curve of steel with martensitic transformation.

曲線C1のように冷却開始から終了まで一貫して急冷すると、変態応力によって割れが発生する場合がある。炭素含有量の高い鋼ほど変態膨張量が大きくなり、割れが発生しやすくなる。また、炭素含有量の高い鋼ほどMs点が低くなり、さらにMs点とMf点との間隔が狭くなるため、急激な変態膨張が起こり、割れが発生しやすくなる。   If the cooling is consistently quenched from the start to the end as shown by the curve C1, cracks may occur due to transformation stress. Steel with a higher carbon content has a higher transformation expansion and is more susceptible to cracking. Further, the steel having a higher carbon content has a lower Ms point and a narrower interval between the Ms point and the Mf point, so that rapid transformation expansion occurs and cracking is likely to occur.

一方、曲線C2のように冷却開始から終了まで一貫して緩冷すると、ベイナイト等の中間相が混入し、マルテンサイト体積率の高い組織が得られない場合がある。   On the other hand, when slowly cooling from the start to the end of cooling as shown by curve C2, an intermediate phase such as bainite is mixed, and a structure with a high martensite volume ratio may not be obtained.

そのため、曲線C3のように、Ms点の直上までを急冷し、Ms点以下を緩冷することが好ましい。これによって、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立できる。   Therefore, it is preferable to rapidly cool to just above the Ms point and slowly cool below the Ms point as shown by the curve C3. Thereby, both prevention of quench cracking and securing of a quenched structure can be achieved.

これを実現するためには、鋼管の表面温度がMs点になる位置を境界として、この位置よりも上流側(加熱炉10(図1)側)の冷却ユニットが噴射する冷媒の量を多くし、この位置よりも下流側(浸漬槽30(図1)側)の冷却ユニットが噴射する冷媒の量を少なくすればよい。   In order to achieve this, the amount of refrigerant injected from the cooling unit on the upstream side (heating furnace 10 (FIG. 1)) from the position where the surface temperature of the steel pipe reaches the Ms point is increased. The amount of refrigerant injected by the cooling unit on the downstream side (immersion tank 30 (FIG. 1) side) from this position may be reduced.

しかしながら、鋼管の表面温度がMs点となる位置が、必ずしも冷却ユニットと冷却ユニットとの間になるとは限らない。鋼管の表面温度がMs点となる位置が上流側にずれれば、マルテンサイト変態領域の一部を強冷することになり、焼割れが発生する可能性がある。一方、鋼管の表面温度がMs点となる位置が下流側にずれれば、Ms点よりも高い領域の一部を緩冷することになり、中間相が混入する可能性がある。また、生産効率の点でも好ましくない。   However, the position where the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point is not always between the cooling unit and the cooling unit. If the position at which the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point shifts to the upstream side, a part of the martensitic transformation region is strongly cooled, and there is a possibility that a burning crack occurs. On the other hand, if the position where the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point shifts to the downstream side, a part of the region higher than the Ms point is slowly cooled, and the intermediate phase may be mixed. Moreover, it is not preferable also in terms of production efficiency.

鋼管Pの搬送速度vを変更することで、鋼管の表面温度がMs点となる位置を調整することが考えられる。しかしながら、搬送速度vを変更すれば、鋼管Pの軸方向全体にわたって冷却速度が変化し、冷却曲線が大きく変化するという問題がある。   It is conceivable to adjust the position where the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point by changing the conveying speed v of the steel pipe P. However, if the conveyance speed v is changed, there is a problem that the cooling rate changes over the entire axial direction of the steel pipe P, and the cooling curve changes greatly.

冷却ユニットを細かく分割することで、鋼管の表面温度がMs点となる位置が冷却ユニットと冷却ユニットとの間になるように調整することも考えられる。しかしながら、最も細かく分割しても、冷却リング211の幅の単位でしか調整することができない。また、冷却ユニットの数を増やすと、装置の構成が複雑になる。   It can be considered that the position at which the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point is adjusted between the cooling unit and the cooling unit by dividing the cooling unit finely. However, even the finest division can be performed only in units of the width of the cooling ring 211. Further, when the number of cooling units is increased, the configuration of the apparatus becomes complicated.

本実施形態では、冷却ユニット21(k+1)の冷媒の量を冷媒量W2に設定する。本実施形態では、冷媒量W2を制御することで、鋼管の表面温度がMs点となる位置が、冷却ユニット21(k+1)と冷却ユニット21(k+2)との間になるように調整する。   In the present embodiment, the amount of refrigerant in the cooling unit 21 (k + 1) is set to the refrigerant amount W2. In the present embodiment, by adjusting the refrigerant amount W2, the position at which the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point is adjusted to be between the cooling unit 21 (k + 1) and the cooling unit 21 (k + 2).

この構成によれば、Ms点の直上までを急冷し、Ms以下の温度を緩冷することができる。これによって、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立し、かつ効率よく鋼管を熱処理することができる。   According to this configuration, it is possible to rapidly cool to a position immediately above the Ms point and to slowly cool the temperature below Ms. As a result, both the prevention of quench cracking and the securing of the quenched structure can be achieved, and the steel pipe can be heat treated efficiently.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。   While the embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。   Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated more concretely. In addition, this Example does not limit this invention.

有限要素法によるシミュレーションを実施し、鋼管の温度分布、及び冷却後の特性を計算した。より具体的には、組織変態を考慮した温度−変位連成解析を行い、冷却後の鋼管の周方向残留応力σθ(肉厚方向の最大値)、マルテンサイト相の体積率ξを計算した。σθが200MPa以下、ξが90%以上になることを目標とした。 The simulation by the finite element method was performed, and the temperature distribution of the steel pipe and the characteristics after cooling were calculated. More specifically, a temperature-displacement coupled analysis taking into account the structural transformation is performed, and the circumferential residual stress σ θ (maximum value in the thickness direction) of the steel pipe after cooling and the volume fraction ξ M of the martensite phase are calculated. did. σ θ was set to 200 MPa or less and ξ M was set to 90% or more.

焼入れ装置1(図1)で焼入れすることを想定してシミュレーションモデルを設定した。加熱炉10の温度は900℃、急冷する冷却ユニットの個数は2(k=2)、搬送速度vは17m/分、供給可能な最大総水量は5760L/分とした。   A simulation model was set assuming that quenching was performed with the quenching apparatus 1 (FIG. 1). The temperature of the heating furnace 10 was 900 ° C., the number of cooling units to be rapidly cooled was 2 (k = 2), the conveyance speed v was 17 m / min, and the maximum total amount of water that could be supplied was 5760 L / min.

鋼管のサイズは、外径244.48×肉厚8mmに設定した。鋼管の化学組成(単位は質量%)は、C:0.53%、Si:0.27%、Mn:0.43%、P:0.001%、S:0.001%、Cu:0.02%、Cr:0.52%、Ni:0.02%、Mo:0.68%、V:0.088%、残部Fe及び不純物とした。この鋼管のMs点は298℃、Mf点は100℃であった。   The size of the steel pipe was set to an outer diameter of 244.48 × wall thickness of 8 mm. The chemical composition of the steel pipe (unit:% by mass) is C: 0.53%, Si: 0.27%, Mn: 0.43%, P: 0.001%, S: 0.001%, Cu: 0 0.02%, Cr: 0.52%, Ni: 0.02%, Mo: 0.68%, V: 0.088%, the balance being Fe and impurities. The steel pipe had an Ms point of 298 ° C. and an Mf point of 100 ° C.

結果を表1に示す。表1において、T3は3番目(k+1番目)の冷却ユニット21の最終の冷却リングの位置における鋼管の表面温度であり、T4は4番目(k+2番目)の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における鋼管の表面温度である。   The results are shown in Table 1. In Table 1, T3 is the surface temperature of the steel pipe at the position of the last cooling ring of the third (k + 1) cooling unit 21, and T4 is at the position of the first cooling ring of the fourth (k + 2) cooling unit. It is the surface temperature of the steel pipe.

Figure 2017008372
Figure 2017008372

Case1は、T3≧Ms、かつMs≧T4であった。すなわち、鋼管の表面温度がMs点となる位置が、3番目の冷却ユニットと4番目の冷却ユニットとの間であった。Case1では、冷却後の鋼管の周方向残留応力σθが200MPa以下であり、マルテンサイト相の体積率ξが90%以上であった。 Case 1 was T3 ≧ Ms and Ms ≧ T4. That is, the position where the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point was between the third cooling unit and the fourth cooling unit. In Case 1, the circumferential residual stress σ θ of the steel pipe after cooling was 200 MPa or less, and the volume ratio ξ M of the martensite phase was 90% or more.

Case2は、T3<Msであった。すなわち、鋼管の表面温度がMs点となる位置が、3番目の冷却ユニットの内側であった。Case2では、冷却後の鋼管の周方向残留応力σθが200MPaを超えた。 Case2 was T3 <Ms. That is, the position where the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point was inside the third cooling unit. In Case 2, the circumferential residual stress σ θ of the steel pipe after cooling exceeded 200 MPa.

Case3は、Ms<T4であった。すなわち、鋼管の表面温度がMs点となる位置が、4番目の冷却ユニットの内側であった。Case3では、冷却後の鋼管のマルテンサイト相の体積率ξが90%未満であった。 Case 3 was Ms <T4. That is, the position where the surface temperature of the steel pipe becomes the Ms point was inside the fourth cooling unit. In Case 3, the martensite phase volume ratio ξ M of the steel pipe after cooling was less than 90%.

100 熱処理ライン
1 焼入れ装置
10 加熱炉
20 冷却装置
21(1)、21(2)、・・・、21(N) 冷却ユニット
211 冷却リング
2111 ノズル
212 制御弁
22 制御装置
30 冷却槽
40 焼戻し炉
60 搬送ローラ(搬送装置)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Heat processing line 1 Quenching apparatus 10 Heating furnace 20 Cooling apparatus 21 (1), 21 (2), ..., 21 (N) Cooling unit 211 Cooling ring 2111 Nozzle 212 Control valve 22 Control apparatus 30 Cooling tank 40 Tempering furnace 60 Conveying roller (conveying device)

Claims (4)

鋼管を加熱する加熱炉と、
前記鋼管をその軸方向に一定の搬送速度で搬送する搬送装置と、
前記鋼管の軸方向に沿って配置され、加熱された前記鋼管に冷媒を噴射する1個以上の冷却リングを各々が含むN個の冷却ユニットと、
前記冷却ユニットの各々が噴射する冷媒の量を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記加熱炉側から1〜k番目の前記冷却ユニットの各々が単位時間に噴射する冷媒の量を第1冷媒量に設定し、
前記加熱炉側から(k+1)番目の冷却ユニットが単位時間に噴射する冷媒の量を前記第1冷媒量未満であって、前記(k+1)番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記鋼管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度点以上になり、かつ、前記加熱炉から(k+2)番目の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における前記鋼管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる量である第2冷媒量に設定し、
前記加熱炉側から(k+2)〜N番目の冷却ユニットの各々が単位時間に噴射する冷媒の量を前記第2冷媒量以下の量である第3冷媒量に設定する、焼入れ装置。
ただし、Nは3以上の整数であり、kは1以上N−2以下の整数である。
A furnace for heating the steel pipe;
A transport device for transporting the steel pipe in its axial direction at a constant transport speed;
N cooling units that are arranged along the axial direction of the steel pipe and each include one or more cooling rings that inject refrigerant into the heated steel pipe;
A control device for controlling the amount of refrigerant injected by each of the cooling units;
The controller is
The amount of refrigerant that each of the first to kth cooling units from the heating furnace side injects per unit time is set as the first refrigerant amount,
The steel pipe at the position of the final cooling ring of the (k + 1) th cooling unit, wherein the amount of refrigerant injected by the (k + 1) th cooling unit from the heating furnace side per unit time is less than the first refrigerant amount. The surface temperature of the steel pipe is equal to or higher than the martensite transformation start temperature point, and the surface temperature of the steel pipe at the position of the first cooling ring of the (k + 2) th cooling unit from the heating furnace is equal to or lower than the martensite transformation start temperature. Is set to the second refrigerant amount,
A quenching apparatus that sets the amount of refrigerant that each of the (k + 2) to Nth cooling units from the heating furnace side injects per unit time to a third refrigerant amount that is equal to or less than the second refrigerant amount.
However, N is an integer greater than or equal to 3, and k is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to N-2.
請求項1に記載の焼入れ装置であって、
前記制御装置は、前記第3冷媒量を、前記加熱炉側からN番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記鋼管の肉厚内最高温度がマルテンサイト変態終了温度以下になる量に設定する、焼入れ装置。
The quenching device according to claim 1,
The control device sets the third refrigerant amount to an amount such that the maximum temperature in the thickness of the steel pipe at the position of the final cooling ring of the Nth cooling unit from the heating furnace side is equal to or lower than the martensite transformation end temperature. A quenching device.
素管を焼入れして鋼管を製造する方法であって、
加熱炉で前記素管を加熱する工程と、
前記素管をその軸方向に一定の搬送速度で搬送する工程と、
前記素管の軸方向に沿って配置され、加熱された前記素管に冷媒を噴射する1個以上の冷却リングを各々が含むN個の冷却ユニットによって前記素管を冷却する工程とを備え、
前記冷却する工程では、
前記加熱炉側から1〜k番目の前記冷却ユニットの各々が単位時間に噴射する冷媒の量を第1冷媒量に設定し、
前記加熱炉側から(k+1)番目の冷却ユニットが単位時間に噴射する冷媒の量を前記第1冷媒量未満であって、前記(k+1)番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記素管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以上になり、かつ、前記加熱炉から(k+2)番目の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における前記素管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる量である第2冷媒量に設定し、
前記加熱炉側から(k+2)〜N番目の冷却ユニットの各々が単位時間に噴射する冷媒の量を前記第2冷媒量以下の量である第3冷媒量に設定する、鋼管の製造方法。
ただし、Nは3以上の整数であり、kは1以上N−2以下の整数である。
A method of manufacturing a steel pipe by quenching a base pipe,
Heating the raw tube in a heating furnace;
Transporting the raw tube at a constant transport speed in its axial direction;
Cooling the element tube by N cooling units, each of which includes one or more cooling rings arranged along the axial direction of the element tube and injecting a refrigerant into the heated element tube,
In the cooling step,
The amount of refrigerant that each of the first to kth cooling units from the heating furnace side injects per unit time is set as the first refrigerant amount,
The amount of refrigerant injected by the (k + 1) th cooling unit from the heating furnace side per unit time is less than the first refrigerant amount, and the element at the position of the final cooling ring of the (k + 1) th cooling unit. The tube surface temperature is equal to or higher than the martensitic transformation start temperature, and the surface temperature of the raw tube at the position of the first cooling ring of the (k + 2) th cooling unit from the heating furnace is equal to or lower than the martensitic transformation start temperature. Set the amount of the second refrigerant,
A method of manufacturing a steel pipe, wherein the amount of refrigerant injected from each of the (k + 2) to Nth cooling units from the heating furnace side per unit time is set to a third refrigerant amount that is equal to or less than the second refrigerant amount.
However, N is an integer greater than or equal to 3, and k is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to N-2.
請求項3に記載の鋼管の製造方法であって、
前記冷却する工程では、前記第3冷媒量を、前記加熱炉側からN番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記素管の肉厚内最高温度がマルテンサイト変態終了温度以下になる量に設定する、鋼管の製造方法。
It is a manufacturing method of the steel pipe according to claim 3,
In the cooling step, the amount of the third refrigerant is determined so that the maximum temperature in the thickness of the raw tube at the position of the final cooling ring of the Nth cooling unit from the heating furnace side is equal to or lower than the martensite transformation end temperature. A method for manufacturing steel pipes.
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