JP2005298861A - 鋼管の冷却方法および冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋼管を冷却する場合に、鋼管の外径サイズの変更に応じて、ヘッダーを移動することなく冷却条件を切り換え可能で、機械的特性（硬度、強度、靭性など）、組織などの特性に優れた鋼管が得られる、適正冷却が可能な鋼管の冷却装置および冷却方法を提供すること。
【解決手段】 冷却位置の鋼管に対して冷媒を噴射する多数のノズル噴射孔を鋼管軸方向に有し冷媒噴射のオン／オフおよび冷媒量調整機能を備えたヘッダーを、外径サイズの異なる複数種の鋼管の冷却が可能なように、冷却位置の鋼管を囲むように、その円周方向に複数列固定配置し、冷却対象の鋼管の外径サイズに応じて適正な冷却条件を得るための所定のヘッダーを複数列選択し、選択した各ヘッダーのノズル噴射孔から鋼管に対し設定冷媒量で冷媒を噴射するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば油井管やガス井管、機械構造用鋼管などとして用いられる、鋼管（シームレス鋼管、電縫鋼管など）を熱間加工で製造する場合や、熱処理する場合の鋼管の冷却に関し、より詳しくは鋼管の外径サイズの変更に対応して、特に円周方向の冷却能力を容易に可変で、形状特性が良好で材質が均一な鋼管を得るための鋼管の冷却装置および冷却方法に関するものである。

例えば、油井管やガス井管として用いられる、鋼管に対しては、要求される機械的特性（硬度、強度、靭性など）、組織などの特性を確保するために、例えば焼入れなどの熱処理を施す場合があり、７００〜９００℃の温度域にある鋼管を、冷却温度分布が一様となるように室温〜７００℃の温度域まで制御冷却する必要がある。
このような制御冷却には、複数の冷媒ノズルを備えた複数のヘッダーを鋼管軸方向に平行に配置した冷却装置が用いられ、各冷媒ノズルから鋼管に冷媒を噴射・衝突させる冷却方法が一般に用いられている。鋼管の外径サイズは複数種あり、冷却装置を各サイズ単位で配置することは経済的でないため、冷却装置としては一台で各外径サイズに応じて適正な冷却条件を容易に選択できる構造を備えていることが好ましい。

このような構造を備えた冷却装置を用いた鋼管の冷却方法として、例えば、特許文献１には、鋼管の外径の変更に対応して適正な冷却条件を選択可能なように、冷却対象の鋼管の軸方向に延在するとともに、周方向に間隔をおいて配置された冷却媒体噴射ノズルを、鋼管の外径に応じて該鋼管軸に対し垂直あるいはほぼ垂直方向に自在に移動し面間距離を調整する鋼管の冷却方法が提案されている。
しかし、この冷却方法では、鋼管の外径サイズに対応して、冷却媒体噴射ノズルと鋼管軸間の距離を調整する必要があり、そのために、このノズルを接続している各ヘッダーを鋼管軸に対して同心的に移動可能な構造を有する冷却装置を必要とするため、設備費負担が大きいという問題がある。
特開平５−２９５４４５号公報

本発明は、例えば、鋼管を急速冷却する場合に、鋼管の外径サイズの変更に応じて、ヘッダーを移動することなく冷却条件を切り換え可能で、形状特性、材質の均一性に優れた鋼管が得られる、適正冷却が可能な鋼管の冷却装置および冷却方法を提供するものである。

本発明の鋼管の冷却装置および冷却方法は、鋼管の特に円周方向の均一冷却を低コストで実現するために、以下の（１）〜（９）の構成を要旨とする。
（１） 冷却位置にある鋼管に対して冷媒を噴射する多数のノズル噴射孔を鋼管軸方向に有し冷媒噴射のオン／オフおよび冷媒量調整機能を備えたヘッダーを、外径サイズの異なる複数種の鋼管の冷却が可能なように、冷却位置にある鋼管を囲むように、その円周方向に複数列固定配置し、冷却対象の鋼管の外径サイズに応じて適正な冷却条件を得るヘッダーを複数列選択して該ヘッダーのノズル噴射孔から冷媒を噴射可能に構成したことを特徴とする鋼管の冷却装置。
（２） （１）において、鋼管の円周方向に、２種類以上のノズルを配置したことを特徴とする鋼管の冷却装置。
（３） （１）または（２）において、ヘッダーが鋼管の軸方向で分割され、鋼管の軸方向で冷媒量調整が可能になっていることを特徴とする鋼管の冷却装置。
（４） （１）〜（３）のいずれかにおいて、ヘッダーが、液状冷媒と気体の混合機能を有し、液状冷媒噴射のオン／オフ機能および混合気体量調整機能を有することを特徴とする鋼管の冷却装置。

（５） 冷却位置の鋼管に対して冷媒を噴射する多数のノズル噴射孔を鋼管軸方向に有し冷媒噴射のオン／オフおよび冷媒量調整機能を備えたヘッダーを、外径サイズの異なる複数種の鋼管の冷却が可能なように、冷却位置の鋼管を囲むように、その円周方向に複数列固定配置し、冷却対象の鋼管の外径サイズに応じて適正な冷却条件を得るための所定のヘッダーを複数列選択し、選択した各ヘッダーのノズル噴射孔から鋼管に対し設定冷媒量で冷媒を噴射することを特徴とする鋼管の冷却方法。
（６） （５）において、鋼管の円周方向に２種類以上のノズルを配置して、冷却対象の鋼管に応じて選択使用することを特徴とする鋼管の冷却方法。
（７） （５）または（６）において、ヘッダーを鋼管の軸方向で分割して、各分割ヘッダーごとに冷媒量を調整可能にすることを特徴とする鋼管の冷却方法。
（８） （５）〜（７）のいずれかにおいて、冷媒として液状冷媒または液状冷媒と気体の混合冷媒あるいは気体を噴射することを特徴とする鋼管の冷却方法。
（９） （５）〜（８）のいずれかにおいて、冷媒として液状冷媒と気体の混合冷媒を用いる場合において、円周方向および鋼管軸方向に分割された各ヘッダーごとに気体混合量を調整可能にすることを特徴とする鋼管の冷却方法。

本発明においては、異なる外径サイズを有する複数種の鋼管を冷却対象とする場合において、冷却対象の複数種の鋼管を冷却可能とするように、複数列のヘッダー（冷媒噴射ノズル）を固定配置して、冷却対象の鋼管の外径サイズに応じて冷媒を噴射するヘッダーを複数列選択し、冷媒量を調整して冷媒を噴射して所望の冷却条件を確保するので、ヘッダー（冷媒噴射ノズル列）を鋼管軸に垂直な方向に移動する必要がないことから、ヘッダーの複雑な移動機構を省略でき設備費を軽減することができ、また、鋼管の円周方向で所望の冷却分布の制御精度を安定確保し、安定した機械的特性、材質特性を有する鋼管を得ることができる。

本発明は、例えば、油井管として用いられる鋼管に、例えば機械的特性（硬度、強度、靭性など）、組織などを付与するための熱処理工程において適用され、７００〜９００℃に加熱された搬送状態または停止状態の鋼管を、冷媒（水、水と空気の混合体などの流体であり、以下「冷媒」と呼称する。）の噴射流によって急速冷却するために適用するものである。
本発明の鋼管の冷却装置１は、例えば、図１に示すように、冷媒供給装置（図示省略）から中間ヘッダー３経由で供給される冷媒を噴射するノズル噴射孔（以下「噴射ノズル」という。）２を軸方向に複数有し冷媒噴射のオン／オフおよび冷媒量調整機能を備えた、複数列のヘッダー４を、外径サイズの最も小さい小径鋼管５と外径サイズの最も大きい大径鋼管６までの幅広い外径サイズ（含む中間外径サイズ）の鋼管の冷却が可能なように、冷却位置の小径鋼管５、大径鋼管６の軸と同心に取り囲み、この各ヘッダー４の噴射ノズル２からの冷媒噴射方向が鋼管軸に向くように円周方向に固定配置してなるものであり、基本的には、この複数列（図１の例ではＮｏ．１〜１６の１６列）のヘッダー４を、小径鋼管５用と大径鋼管６用に選択して使い分けるようにしたものである。
なお、ヘッダー４の数は、冷却対象の鋼管のサイズに応じて冷却を効率的に行えるように増減するものである。この場合、ヘッダー４は全て同じ噴射ノズルを有することは必須条件ではなく、異なる噴射ノズルを有するヘッダーを、例えば円周方向に交互に配置することも有効である。なお、異なる噴射ノズルとは、スプレー形状、スプレーの広がり角度（α）、吐出水量の項目のうち、一つ以上の項目が異なったものを示す。（請求項１、２、５、６の実施形態例に相当）。

冷却対象の鋼管条件、熱処理の種類で決まる温度、冷却速度などによっては、ヘッダー４の選択だけでは、要求される冷却条件を確保できない場合があるので、ヘッダー４の選択と各ヘッダー４での冷媒量調整を併用して要求される冷却条件を確保することが有効である。この冷却条件は、冷却対象の鋼管のサイズ、材質、熱処理の種類や、製造条件などで決まる温度、冷却速度、冷却温度に応じて予め設定しておき自動制御するものであり、各ヘッダー４の冷媒噴射のオン／オフおよび冷媒量の調整によって確保することができる。冷媒量調整は、ここでは各ヘッダー４単位で行うことができる。
なお、ヘッダー４が長すぎる場合には、鋼管軸方向で冷却条件が不均一になる懸念があること、また、鋼管軸方向で冷却条件を変える必要あることから、図７に示すように、ヘッダー４を鋼管軸方向で分割して、各分割ヘッダー４ａ、４ｂごとに冷媒量を調整可能にし、鋼管軸方向での所望の冷却条件が確保できるようにすることが望ましい。（請求項３、７の実施形態例に相当）。

また、冷媒量を一定にして冷却能力を下げる場合、あるいは、鋼管表面に対する噴射冷媒の分散性を高め冷却効率を向上させる場合、冷媒として液状冷媒と気体の混合冷媒を噴射することを考慮するものであり、この場合、図８に示すように、各ヘッダー４（鋼管軸方向に分割しヘッダーを含む）ごとに、気体ヘッダー１０から混合量を調整可能な気体を混合装置１１を介して混合する。（請求項４、８、９の実施形態例に相当）。

小径鋼管５を冷却する場合には、図１〜図２に示すように、ヘッダー４のＮｏ．１、３、５、７、９、１１、１３、１５の８列を選択し、選択した各ヘッダー４の噴射ノズル２から設定冷媒量で冷媒を噴射し、噴射流２ａによって小径鋼管５を冷却する。（図２では、選択されたヘッダー列のうち、中間のヘッダー、例えばヘッダー４のＮｏ．１とＮｏ．５の間に配置されるヘッダーＮｏ．３、ヘッダーＮｏ．５とヘッダーＮｏ．９の間に配置されるヘッダーＮｏ．７、ヘッダーＮｏ．９とヘッダーＮｏ．１の間に配置されるヘッダーＮｏ．１１、ヘッダーＮｏ．１３とヘッダーＮｏ．１５は図示を省略している。）。
また、大径鋼管６を冷却する場合には、図３〜図４に示すように、ヘッダー４のＮｏ．１〜１６の１６列のヘッダーを選択し、選択した各ヘッダー４の噴射ノズル２から大径鋼管６に対し設定冷媒量で冷媒を噴射し、噴射流２ａによって冷却するように構成したものである。（図４では、選択されたヘッダー列のうち、中間のヘッダー、例えばヘッダーＮｏ．１とヘッダーＮｏ．５の間に配置されるヘッダーＮｏ．２、３、４、ヘッダーＮｏ．５とヘッダーＮｏ．９の間に配置されるヘッダーＮｏ．６、７、８とヘッダーＮｏ．９とヘッダーＮｏ．１の間に配置されるヘッダーＮｏ．１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６は図示を省略している。）。

ここで、ヘッダー４に設けている噴射ノズル２は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように水平断面が円形である、円錐形の噴射流２ａを形成し小径鋼管５、大径鋼管６の外周面に沿った曲面の円形の冷媒衝突面２ｆを形成するものであり、冷媒を、広がり角度αで分散・噴射できるフルコーン型スプレーノズルであるが、このフルコーン型スプレーノズルに代えて、図６（ａ）、（ｂ）に示すように水平断面が長方形である、角錐の噴射流２ａを形成し、冷媒を広がり角度αで分散・噴射できるフラット型スプレーノズル２1 、図７（ａ）、（ｂ）に示すように水平断面が長円形であり、異形円錐形の噴射流２ａを形成し、広がり角度αで分散・噴射できる曲面の長円形の冷媒衝突面２ｆを形成する長円形スプレーノズル２2 、図８（ａ）、（ｂ）に示すように水平断面が楕円形であり、異形円錐形の噴射流２ａを形成し、広がり角度αで分散・噴射できる曲面の楕円形の冷媒衝突面２ｆを形成する楕円形スプレーノズル２3 を用いることもでき、また、これらのスプレーノズル２1 、２2 、２3 （以下では「噴射ノズル２」と称する。）を併用することもできる。
フラット型スプレーノズルを使用する場合には、その向きは鋼管軸方向または鋼管軸と直交方向と平行にすることは不可欠ではなく、これらの方向に対して斜め向きにしてもよく、また異なる向きを混在させた向きにすることも考慮できる。

噴射ノズル２は、固定配置されているので、外径の異なる小径鋼管５と大径鋼管６の外周面に形成される冷媒衝突面２ｆの径が異なることを考慮して、冷媒噴射流２ａを小径鋼管５、大径鋼管６の外周面に無駄なく衝突させ効率的な冷却ができるように配置するものであり、冷却装置１の長さに応じて、ヘッダー４に所要数設けられるものである。
この噴射ノズル２の広がり角度α、衝突面２ｆまでの冷媒噴射長さＬなどのノズル特性は、冷媒を分散性を適度にして冷却能力を安定確保するためには、鋼管５６のサイズに応じて選択使用されるヘッダー４の列数によって幅はあるが、広がり角度αは２０〜５０度の範囲で選択し、冷媒噴射長さＬは、径が７０〜１５０ｍｍの場合で、径が１５０ｍｍの時に３０〜２００ｍｍの範囲で選択することが望ましい。

複数の噴射ノズル２を有するヘッダー４の列数は、図１〜図４に記載の例では、鋼管５６の円周方向に１６列（Ｎｏ．１〜１６）配置して、小径鋼管５を冷却する場合には、８列のヘッダー４（Ｎｏ．１、３、５、７、９、１１、１３、１５）から冷媒を噴射して冷却し、大径鋼管６を１６列のヘッダー（Ｎｏ．１〜１６）から冷媒を噴射して冷却するようにしているが、例えば、ヘッダー４を２６列程度配置し、径が７０ｍｍ程度の小径鋼管５の場合では、ヘッダー４を８列程選択し、１５０ｍｍ程度の大径鋼管６を冷却する場合には、ヘッダー４を２６列程度選択するものである。

上記のように構成した本発明の鋼管の冷却装置１を、例えば図９に示すような鋼管の熱処理ラインに配置し、加熱炉１２で加熱された鋼管５６を搬送ローラー１３で搬送して、本発明の鋼管の冷却装置１に導入して、搬送中の冷却対象の鋼管５６の外径サイズに応じて、例えば図１〜図４のように、ヘッダーＮｏ．１〜１６のヘッダーの中から所要のヘッダー４を選択し、選択された各ヘッダー４から予め設定された冷媒量の冷媒を噴射ノズル２から噴射し、鋼管５６を搬送状態で急速冷却することができる。
ここで、本発明の鋼管の冷却装置１は、鋼管５６の外径サイズに応じて、例えば昇降装置１４で昇降して調芯可能な構造にし、冷却装置１の入側と出側にガイド１５を配置し、鋼管５６が冷却装置１の中心部に円滑に導入できるようにもできる。なお、本発明の鋼管の冷却装置１は、熱処理ラインではなく、鋼管の熱間製造ラインに設けてもよい。

このように、本発明の鋼管の冷却装置１を鋼管の熱処理ラインに配置して、鋼管５６を冷却する場合には、鋼管５６の外径サイズの変更に応じて、各ヘッダーを移動することなく、ヘッダーの選択と冷媒量の調整の併用によって冷却条件を切り換え可能で、設備費負担を軽減することができ、また冷却条件の制御精度を安定確保でき、形状特性、機械的特性、材質特性に優れた鋼管を得ることができる。
なお、図９の例では、軸方向に搬送状態の鋼管５６を冷却するようにしているが、停止状態の鋼管５６を、その全長（または必要な領域）にわたって同時に冷却を行うこともできる。この場合、冷却装置１は、鋼管５６の全長（または必要な領域）にわたって同時冷却できるような長さにして、または複数並べて配置するものである。鋼管を、搬送状態で冷却する場合、停止状態で冷却する場合のいずれの場合も、冷却の均一性をより高めるために、鋼管を回転させながら冷却することも考慮するものである。

なお、本発明は、上記の内容に限定されるものではない。例えば、各ヘッダーの構造条件、配置条件、噴射ノズルの構造条件、配置条件、冷媒条件などは、冷却対象の鋼管条件（材質、サイズ、温度）、冷却部位、冷却姿勢（搬送状態・停止状態）、鋼管に要求される機械的特性、材質特性などを考慮して設定される冷却条件などに応じて、上記請求項を満足する範囲内で変更のあるものである。

本発明の冷却装置の構造例と、小径鋼管を冷却する場合のヘッダー選択例を示す正面概念説明図。 図１の側面概念説明図（中間のヘッダー列は図示省略）。 図１の本発明の冷却装置の構造例において、大径鋼管を冷却する場合のヘッダー選択例を示す正面概念説明図。 図３の側面概念説明図（中間のヘッダー列は図示省略）。 （ａ）図は、本発明で用いるフルコーン型スプレーノズルの冷媒噴射流の形状例を示す立体概念説明図、（ｂ）図は、（ａ）図のスプレーノズルから噴射した冷媒噴射流の鋼管表面との冷媒衝突面の形状例を平面図で示す概念説明図。 （ａ）図は、本発明で他の噴射ノズルとして用いるフラット型スプレーノズルの冷媒噴射流の形状例を示す立体概念説明図、（ｂ）図は、（ａ）図のスプレーノズルから噴射した冷媒噴射流の鋼管表面との冷媒衝突面の形状例を平面図で示す概念説明図。 （ａ）図は、本発明で他の噴射ノズルとして用いる長円型スプレーノズルの冷媒噴射流の形状例を示す立体概念説明図、（ｂ）図は、（ａ）図のスプレーノズルから噴射した冷媒噴射流の鋼管表面との冷媒衝突面の形状例を平面図で示す概念説明図。 （ａ）図は、本発明で他の噴射ノズルとして用いる楕円型スプレーノズルの冷媒噴射流の形状例を示す立体概念説明図、（ｂ）図は、（ａ）図のスプレーノズルから噴射した冷媒噴射流の鋼管表面との冷媒衝突面の形状例を平面図で示す概念説明図。 発明の鋼管の冷却装置例でのヘッダーの分割例を示す側面概念説明図。 本発明の鋼管の冷却装置例での液状冷媒と気体の混合構造例を示す側面概念説明図。 本発明の鋼管の冷却装置例を、例えば鋼管の熱処理ラインに配置した場合の設備配置例を示す側面概念説明図。

符号の説明

１ 鋼管の冷却装置
２ 噴射ノズル（フルコーン型スプレーノズル）
２1 フラット型スプレーノズル
２2 長円型スプレーノズル
２3 楕円型スプレーノズル
２ａ 冷媒噴射流
２ｆ 冷媒衝突面（形状）
３ 中間ヘッダー
４ ヘッダー
４ａ、４ｂ 分割ヘッダー
５ 小径鋼管
６ 大径鋼管
５６ 鋼管
１０ 気体ヘッダー
１１ 混合装置
１２ 加熱炉
１３ 搬送ローラー
１４ 昇降装置
１５ ガイド

Claims (9)

1. 冷却位置にある鋼管に対して冷媒を噴射する多数のノズル噴射孔を鋼管軸方向に有し冷媒噴射のオン／オフおよび冷媒量調整機能を備えたヘッダーを、外径サイズの異なる複数種の鋼管の冷却が可能なように、冷却位置にある鋼管を囲むように、その円周方向に複数列固定配置し、冷却対象の鋼管の外径サイズに応じて適正な冷却条件を得るヘッダーを複数列選択して該ヘッダーのノズル噴射孔から冷媒を噴射可能に構成したことを特徴とする鋼管の冷却装置。
2. 鋼管の円周方向に、２種類以上のノズルを配置したことを特徴とする請求項１に記載の鋼管の冷却装置。
3. ヘッダーが鋼管の軸方向で分割され、鋼管の軸方向で冷媒量調整が可能になっていることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の冷却装置。
4. ヘッダーが、液状冷媒と気体の混合機能を有し、液状冷媒噴射のオン／オフ機能および混合気体量調整機能を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼管の冷却装置。
5. 冷却位置の鋼管に対して冷媒を噴射する多数のノズル噴射孔を鋼管軸方向に有し冷媒噴射のオン／オフおよび冷媒量調整機能を備えたヘッダーを、外径サイズの異なる複数種の鋼管の冷却が可能なように、冷却位置の鋼管を囲むように、その円周方向に複数列固定配置し、冷却対象の鋼管の外径サイズに応じて適正な冷却条件を得るための所定のヘッダーを複数列選択し、選択した各ヘッダーのノズル噴射孔から鋼管に対し設定冷媒量で冷媒を噴射することを特徴とする鋼管の冷却方法。
6. 鋼管の円周方向に、２種類以上のノズルを配置して、冷却対象の鋼管に応じて選択使用することを特徴とする請求項５に記載の鋼管の冷却方法。
7. ヘッダーを鋼管の軸方向で分割して、各分割ヘッダーごとに冷媒量を調整可能にすることを特徴とする請求項５または６に記載の鋼管の冷却方法。
8. 冷媒として液状冷媒または液状冷媒と気体の混合冷媒あるいは気体を噴射することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の鋼管の冷却方法。
9. 冷媒として液状冷媒と気体の混合冷媒を用いる場合において、円周方向および鋼管軸方向に分割された各ヘッダーごとに気体混合量を調整可能にすることを特徴とする請求項８に記載の鋼管の冷却方法。

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