JP2007321178A - Method for cooling steel tube - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄肉鋼管を焼入れする際に生じる曲がりを効果的に抑制することができる鋼管の冷却方法に関する。 The present invention relates to a method for cooling a steel pipe that can effectively suppress bending that occurs when quenching a thin-walled steel pipe.
周知のように、鋼管を焼入れする際には、その冷却むら等に起因して曲がり(鋼管の軸方向についての湾曲であり、本明細書では「焼曲がり」という)が発生することがある。特に、外径(D)に対する肉厚(t)の比(t/D)が、例えば0.07以下程度と小さい薄肉鋼管を焼入れする際には、品質不良と判断される大きな焼曲がりが生じ易い。このため、従来より、この焼曲がりを抑制することができる鋼管の冷却方法に係る発明が、多数提案されている。 As is well known, when a steel pipe is quenched, bending (curving in the axial direction of the steel pipe, referred to as “bending” in this specification) may occur due to uneven cooling. In particular, when a thin steel pipe having a small thickness (t / D) ratio (t / D) to the outer diameter (D) of, for example, about 0.07 or less is quenched, a large bending that is judged as a poor quality occurs. easy. For this reason, many inventions related to a method for cooling a steel pipe that can suppress this bending have been proposed.
例えば特許文献1には、管の外面冷却の初期段階では緩冷却を行うことにより管の表面各部の温度差を小さくしてから通常の強冷却を行うことによって焼曲がりを抑制する冷却方法(熱処理方法)に係る発明が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a cooling method (heat treatment) that suppresses bending by performing normal strong cooling after reducing the temperature difference of each part of the surface of the tube by performing gentle cooling at the initial stage of cooling the outer surface of the tube. Invention) is disclosed.
また、特許文献2には、管内へ噴流水をその一端から吹込むとともに、この管の外面側をそのほぼ全長にわたりノズルから噴射させる噴流水の衝突により冷却する方法において、内面噴流水の吐出端側ほど、外面冷却の噴射水量を大とするか、外面冷却の冷却開始時期を早めるか、あるいは外面冷却の冷却終了時期を遅らせることにより、管全体を均一に、かつ短時間で冷却する発明が開示されている。
しかしながら、特許文献1により開示された発明では、冷却の初期段階に緩冷却を行う必要があるとともに管の外面冷却のみを行うため、必然的に冷却時間が長くなり、管の製造効率が低下する。 However, in the invention disclosed in Patent Document 1, since it is necessary to perform slow cooling in the initial stage of cooling and only the outer surface of the pipe is cooled, the cooling time is inevitably increased, and the manufacturing efficiency of the pipe is reduced. .
また、特許文献2により開示された発明では、管の軸方向について外面冷却の噴射水の水量や噴射するタイミングを異ならせる必要があるため、装置の構成や制御が複雑化する。また、管全体を均一に冷却できることは開示されているものの、焼曲がりを抑制できるか否かについては具体的に開示されていない。特に、冷却対象として例示されている鋼管の比(t/D)は約0.075(=8.6/114)(特許文献2の2頁右欄13行参照)については、開示も示唆もされていない。
Further, in the invention disclosed in
本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、鋼管の内外面をともに冷却する冷却方法において、(a)鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を中心として略対称の2つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われ、鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水の流量以上とし、(b)冷却する鋼管の外径に対する肉厚の比は0.07以下であるとともに、さらに、(c)鋼管内面の冷却を鋼管外面の冷却よりも7秒以上先行して開始することにより、比(t/D)が0.07以下の薄肉鋼管であっても、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に焼曲がりを抑制できることを知見して、本発明を完成した。 As a result of intensive studies in order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have a cooling method in which both the inner and outer surfaces of the steel pipe are cooled. (A) The cooling of the outer surface of the steel pipe is substantially centered on the uppermost portion of the steel pipe. The flow rate of the cooling water is caused to flow down to the position on the upstream side in the rotation direction of the steel pipe, and the flow rate of the cooling water to flow down to the position on the downstream side in the rotation direction. (B) The ratio of the wall thickness to the outer diameter of the steel pipe to be cooled is 0.07 or less, and (c) the cooling of the inner surface of the steel pipe is started 7 seconds or more before the cooling of the outer surface of the steel pipe. As a result, even if it is a thin-walled steel pipe having a ratio (t / D) of 0.07 or less, it has been found that it is possible to effectively suppress the bending without reducing the manufacturing efficiency of the steel pipe, and the present invention has been completed.
本発明は、水平に配置される鋼管を周方向に回転させながら、鋼管内に冷却水を噴射することにより鋼管内面の冷却を行うとともに、鋼管の軸方向に沿って鋼管外面に平面状の冷却水を上方から流下させることにより鋼管外面の冷却を行う鋼管の冷却方法であって、鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を中心として略対称の2つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われ、鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水の流量以上とし、冷却する鋼管の外径に対する肉厚の比は0.07以下であるとともに、鋼管内面の冷却を鋼管外面の冷却よりも7秒以上先行して開始することを特徴とする鋼管の冷却方法である。 The present invention cools the inner surface of the steel pipe by injecting cooling water into the steel pipe while rotating the steel pipe arranged in the circumferential direction, and at the same time, cools the outer surface of the steel pipe along the axial direction of the steel pipe. A cooling method for a steel pipe that cools the outer surface of the steel pipe by flowing water from above, and the cooling of the outer surface of the steel pipe flows down to two substantially symmetrical positions around the uppermost portion of the steel pipe. The ratio of the wall thickness to the outer diameter of the steel pipe to be cooled is set so that the flow rate of the cooling water flowing down to the upstream position in the rotation direction of the steel pipe is equal to or higher than the flow rate of cooling water flowing down to the downstream position in the rotation direction. Is 0.07 or less, and the cooling of the inner surface of the steel pipe is started 7 seconds or more before the cooling of the outer surface of the steel pipe.
本発明に係る鋼管の冷却方法により、比(t/D)が例えば0.07以下の薄肉鋼管を焼入れする際に生じる焼曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に抑制することができるようになる。 By the steel pipe cooling method according to the present invention, the bending that occurs when quenching a thin steel pipe having a ratio (t / D) of, for example, 0.07 or less is effectively suppressed without reducing the manufacturing efficiency of the steel pipe. Will be able to.
本発明に係る鋼管の冷却方法を実施するための最良の形態を、添付図面を適宜参照しながら、詳細に説明する。
図1は、本実施の形態の鋼管の冷却方法を実施するための冷却装置1の構成を模式的に示す縦断面図である。
The best mode for carrying out the method for cooling a steel pipe according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings as appropriate.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a configuration of a cooling device 1 for carrying out the steel pipe cooling method of the present embodiment.
図1に示すように、本実施の形態に係る冷却装置1は、水平に配置された鋼管2を支持するとともに周方向へ回転させるための回転ローラ3、3と、鋼管2の一端側に配置され、鋼管2の内部に冷却水を噴射するための内面冷却用ノズル(図示せず)と、鋼管2の上方に配置され、鋼管2の軸方向に沿って鋼管2の外周面の最上部を中心として略対象となる2つの位置4a、4bにそれぞれ平面状の冷却水5a、5bを流下させるための吐出口6a、6bを有する外面冷却用ノズル7とを備える。
As shown in FIG. 1, the cooling device 1 according to the present embodiment supports a horizontally disposed
本実施の形態に係る冷却方法によって内外面を冷却される鋼管2は、品質上問題となるような大きな焼曲がりを生じ易い、外径Dに対する肉厚tの比(t/D)が0.07以下である薄肉の鋼管である。本実施の形態の冷却方法は、低強度で曲がりを生じ易い低炭素鋼からなるラインパイプの内外面の冷却や、あるいは、API規格のX60グレード(例えば、質量%で、(a)C:0.06%、Si:0.26%、Mn:1.24%、P:0.013%、S:0.001%、Cr:0.16%、V:0.06%、残部Fe及び不純物、Ceq:0.311%、又は、(b)C:0.06%、Si:0.40%、Mn:1.60%、P:0.020%、S:0.003%、Cu:0.30%、Ni:0.50%、Cr:0.28%、Mo:0.23%、V:0.08%、残部Fe及び不純物、Ceq:0.498%)以下のラインパイプの内外面の冷却に、特に好適に用いることができる。
In the
本実施の形態に係る冷却方法は、特に20m以上の長尺材の鋼管2に対して、焼曲がりの発生を効果的に抑制できるので、特に好適である。
本実施の形態に係る冷却装置1によって鋼管2を冷却するに際しては、はじめに、回転ローラ3、3を矢印方向へ回転させることにより鋼管2を周方向に回転させる。そして、図示しない内面冷却ノズルから冷却水を噴射することにより鋼管2の内面の冷却を開始してから、外面冷却用ノズル7の吐出口6a、6bからそれぞれ冷却水5a、5bを鋼管2の外周面へ向けて流下させることにより鋼管2の外面の冷却を開始する。
The cooling method according to the present embodiment is particularly suitable because it can effectively suppress the occurrence of bending, particularly for a
When the
この際、鋼管2の回転速度が30rpm未満であると、鋼管2の周方向への焼入れ状態が変動し易くなり、一方、鋼管2の回転速度を80rpm超とするには設備が大型化及び複雑化して設備コストが嵩むので、鋼管2の回転速度は30rpm以上80rpm以下であることが望ましい。
At this time, if the rotational speed of the
また、内面冷却ノズルから鋼管2の内面へ噴射する冷却水量が2000t/hr未満であると冷却能力が不足し、一方、6500t/hr超とするには設備が大型化・複雑化して設備コストが嵩むので、内面冷却ノズルから鋼管2の内面へ噴射する冷却水量は2000t/hr以上6500t/hr以下であることが望ましい。
Further, if the amount of cooling water injected from the inner surface cooling nozzle to the inner surface of the
また、本実施の形態の冷却方法では、鋼管2の内面の冷却を、鋼管2の外面の冷却よりも7秒以上先行して開始する。この理由を説明する。
図2は、鋼管2の内面及び外面を冷却した場合における鋼管2の表面温度、降伏応力YS及び軸方向応力szを数値計算によって算出した結果を示すグラフであり、図2(a)は鋼管2の内面及び外面の冷却を同時に開始した場合(内面先行0秒)の結果を示し、図2(b)は鋼管2の内面冷却のみを行った場合(内面先行∞秒)の結果を示す。なお、図2(a)及び図2(b)にグラフで示す結果は、鋼管2の外径:412.3mm、肉厚:8.30mm、長さ:30m、材質:低炭素鋼、内面冷却ノズルから鋼管2の内面へ噴射する冷却水量:5400m3/hr、外面冷却用ノズル7から鋼管2の外面へ噴射する冷却水量:2700m3/hr、及び、鋼管2の回転数:65rpmの条件で、求めた。
In the cooling method of the present embodiment, the cooling of the inner surface of the
FIG. 2 is a graph showing the results of numerical calculation of the surface temperature, yield stress YS and axial stress sz of the
図2(a)にグラフで示すように、鋼管Pの内外面の冷却を同時に開始すると、冷却開始後の初期段階、すなわち鋼管2の表面温度が550℃以上である段階における鋼管2の熱膨張及び収縮によって生じる軸方向応力(図2(a)のグラフにおいて記号Aで示す領域における軸方向応力)や、鋼管2の表面温度が550℃未満に低下してからのベイナイト変態やマルテンサイト変態等の影響も加わって生じる軸方向応力(図2(a)のグラフにおいて記号Bで示す領域における軸方向応力)について、その絶対値|sz|が降伏応力の絶対値|YS|よりも大きくなる点が存在する。
2A, when the cooling of the inner and outer surfaces of the steel pipe P is started simultaneously, the thermal expansion of the
これに対し、図2(b)にグラフで示すように、鋼管2の内面冷却のみを行うと、冷却開始から終了まで、すなわち鋼管2の表面温度が常温に低下するまでの間において、常に軸方向応力の絶対値|sz|<降伏応力の絶対値|YS|となる。
On the other hand, as shown in the graph of FIG. 2 (b), when only the inner surface cooling of the
この理由は、瞬時においては平面状の冷却水5a、5bが流下した部分しか冷却されない外面冷却に比較して、内面冷却では鋼管2の全周にわたって略均一に冷却可能であるので、鋼管2に温度むらを生じ難く、軸方向応力szのバラツキが小さくなるためと考えられる。
The reason for this is that, compared to the outer surface cooling in which only the portions where the
さらに、図2(a)及び図2(b)にグラフで示す結果を得るために設定した諸条件と同様の条件で、実際に鋼管2の冷却試験を行った結果、内面及び外面の同時冷却を行った場合には大きな焼曲がりが発生したのに対し、内面冷却のみを行った場合には問題となる大きな焼曲がりは発生しなかった。
Furthermore, as a result of actually performing a cooling test of the
以上説明した図2(a)及び図2(b)にグラフにより示す結果、及び冷却試験の結果から、鋼管2の焼曲がりは軸方向応力|sz|>降伏応力の絶対値|YS|となると発生すると考えられる。したがって、鋼管2の焼曲がりを抑制するには、常に|sz|<|YS|の関係が成り立つようにして、鋼管2を冷却すればよい。なお、図2(b)に示す内面冷却のみを行うことによっても|sz|<|YS|の関係は常に成り立つが、内面冷却のみでは鋼管2に対する単位時間当りの冷却能力が不足して冷却時間が長時間化し、これにより、鋼管2の製造効率が低下したり、あるいは鋼管2からの復熱の影響等を受けて鋼管2を十分に冷却できない。
From the results shown in the graphs of FIGS. 2A and 2B described above and the results of the cooling test, the bending of the
そこで、本実施の形態では、製造効率の低下防止等の観点から鋼管2の内面のみならず外面も冷却するが、少なくとも、鋼管2の表面温度が550℃以上である冷却の初期段階において|sz|<|YS|の関係を成立させるために、鋼管2の内面冷却を外面冷却に先行させることが有効である。具体的には、この先行時間を7秒以上とすることにより、鋼管2の冷却過程の略全てにおいて|sz|<|YS|の関係を維持することができる。
Therefore, in the present embodiment, not only the inner surface of the
以上説明した理由により、本実施の形態では、鋼管2の内面の冷却を、鋼管2の外面の冷却よりも7秒以上先行して開始すること、すなわち内面冷却用ノズルから冷却水を噴射し始めるタイミングを、外面冷却用ノズル6a、6bから冷却水5a、5bを流下させ始めるタイミングよりも7秒以上早めることによって、|sz|<|YS|の関係を冷却過程の略全てにおいて維持し、これにより、鋼管2の焼曲がりを効果的かつ確実に抑制することができるようになる。
For the reason described above, in the present embodiment, the cooling of the inner surface of the
なお、この先行時間を30秒超とすると、鋼管2の冷却に長時間を要し操業能率が低下するので、この先行時間は30秒以下とすることが望ましい。
ここで、鋼管2の外面の冷却効率を高めるためには、吐出口6a、6bからそれぞれ流下させる冷却水5a、5bの流量を双方とも大きくすることが考えられる。しかし、冷却水5a、5bの流量を双方とも大きくし過ぎると、鋼管2の外面であって冷却水5a、5bがそれぞれ流下する位置4a、4bの間の外面に溜まる水膜の厚みが必要以上に増加し、冷却水の有効利用率(鋼管2の冷却に真に寄与する冷却水の割合)が低下するとともに、鋼管2の回転方向への冷却水の流れがむしろ悪化する。
If the preceding time is more than 30 seconds, it takes a long time to cool the
Here, in order to increase the cooling efficiency of the outer surface of the
また、鋼管2の回転方向の上流側の位置4aに流下させる冷却水5a、すなわち吐出口6aから流下させる冷却水5aの大部分は、鋼管2の外面に沿って回転方向に流れるのに対し、回転方向の下流側の位置4bに流下させる冷却水5b、すなわち吐出口6bから流下させる冷却水5bは、鋼管2の回転方向に逆らって流れる部分もあるものの、その多くが流下した直後に下方に流れ落ちてしまう。つまり、鋼管2の外面の冷却能力に対する寄与度としては、冷却水5aのほうが冷却水5bよりも大きい。
Further, the cooling
そこで、本実施の形態では、流下させる冷却水全体としては、鋼管2の回転方向上流側の位置4aに流下させる冷却水5aの流量を、鋼管2の回転方向下流側の位置4bに流下させる冷却水5bの流量以上となるように設定する。
Therefore, in the present embodiment, as the entire cooling water to be flowed down, the cooling
これにより、鋼管2の外面に沿って回転方向へ流れる冷却水の量を多くすることができるとともに、鋼管2の外面であって冷却水5a、5bがそれぞれ流下する位置4a、4bの間に溜まる水膜を適切な厚みとすることができ、これにより、鋼管2の外面の冷却効率をより一層高めることができる。
As a result, the amount of cooling water flowing in the rotation direction along the outer surface of the
さらに、二列の冷却水5a、5bが鋼管2と衝突する位置4a,と、鋼管2の中心とがなす角度θが12度未満であると、鋼管2の表面に水膜を形成される領域が極端に狭まり、一方、角度θが95度超となるには鋼管2の外径が極端に大きいことを意味し現実的でなくなるので、この角度θは12°以上95度以下であることが望ましい
このようにして、本実施の形態により、比(t/D)が例えば7.0%以下の薄肉鋼管Pを焼入れする際に生じる焼曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく、同一ロット中での最大全長曲がりを、例えば21mm/10m以下と効果的に抑制することができるようになる。
Further, when the angle θ formed by the position 4a where the two rows of cooling
さらに、本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。
図1に示す冷却装置1を用いて、表1に示す外径D、肉厚t、比(t/D)及び長さを有する、API規格のX60グレード(質量%で、C:0.06%、Si:0.26%、Mn:1.24%、P:0.013%、S:0.001%、Cr:0.16%、V:0.06%、残部Fe及び不純物、Ceq:0.311%)の鋼管2を、60rpmの回転速度で回転させながら、同じく表1に示す内面流量、外面総流量、内面先行時間、外面冷却水の間隔及び角度θで、冷却した。
Furthermore, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Using the cooling device 1 shown in FIG. 1, the API standard X60 grade (mass%, C: 0.06) having the outer diameter D, the wall thickness t, the ratio (t / D) and the length shown in Table 1. %, Si: 0.26%, Mn: 1.24%, P: 0.013%, S: 0.001%, Cr: 0.16%, V: 0.06%, balance Fe and impurities, Ceq The
また、これとは別に、鋼管2の外面に流下させる冷却水を一列として、鋼管2の冷却を行った。
そして、冷却後の鋼管2に生じる焼曲がり量(mm/10m,同一熱処理ロット中、曲りが最大であったパイプについて、全長糸張りで曲り量(mm)を測定し、それを10m当たりの曲り量に換算した値)と、シャルピー衝撃試験における最高遷移温度vts(鋼管の周方向4箇所で測定した最高値)とを測定した。
Separately from this, the
And the amount of bending (mm / 10m, the bending amount in the same heat treatment lot in the same heat treatment lot was measured in the
そして、曲がり量が10mm以下であるものを◎とし、曲がり量が10mm超20mm以下であるものを○とし、曲がり量が20mm超30mm以下であるものを△とし、曲がり量が30mm超であるものを×とした。一方、最高遷移温度vtsが−40℃以下であるものを○とし、最高遷移温度vtsが−40℃超0℃以下であるものを△とし、最高遷移温度vtsが0℃超であるものを×とした。そして、総合評価は、これら二種の評価のうちで悪いものの評価に合わせた。 And, when the bending amount is 10 mm or less, ◎, when the bending amount is more than 10 mm and less than 20 mm, ○, when the bending amount is more than 20 mm and less than 30 mm, Δ, and when the bending amount is more than 30 mm Was marked with x. On the other hand, the case where the maximum transition temperature vts is −40 ° C. or lower is marked as “◯”, the case where the maximum transition temperature vts is above −40 ° C. and below 0 ° C. is marked as Δ, and the case where the maximum transition temperature vts is above 0 ° C. It was. And comprehensive evaluation matched the evaluation of a bad thing among these two types of evaluation.
結果を表1にあわせて示す。 The results are shown in Table 1.
表1における実施例1〜7は、本発明が規定する条件を全て満足する本発明例である。これらの総合評価は○又は◎となっており、比(t/D)が例えば0.07以下の薄肉鋼管を焼入れする際に生じる焼曲がりを、鋼管の製造効率を低下させることなく効果的に抑制することができることがわかる。 Examples 1 to 7 in Table 1 are examples of the present invention that satisfy all of the conditions defined by the present invention. These comprehensive evaluations are ○ or ◎, and the bending that occurs when quenching a thin steel pipe having a ratio (t / D) of, for example, 0.07 or less can be effectively performed without reducing the manufacturing efficiency of the steel pipe. It turns out that it can suppress.
これに対し、比較例1は、一列の冷却水を流下させることにより外面冷却を行うとともに内面冷却と外面冷却とを同時に開始するために、焼曲がり量が過大であるとともに遷移温度が−30℃と不芳であった。 On the other hand, Comparative Example 1 performs outer surface cooling by flowing a row of cooling water and simultaneously starts inner surface cooling and outer surface cooling. Therefore, the amount of bending is excessive and the transition temperature is −30 ° C. It was unsatisfactory.
比較例2、3、5、7は、一列の冷却水を流下させることにより外面冷却を行うために、遷移温度が−30℃と不芳であった。
比較例4は、二列の冷却水を流下させることにより外面冷却を行うが、内面冷却と外面冷却とを同時に開始するために、焼曲がり量が過大である。
In Comparative Examples 2, 3, 5, and 7, since the outer surface was cooled by flowing down a row of cooling water, the transition temperature was unsatisfactory at −30 ° C.
Although the comparative example 4 performs outer surface cooling by flowing down two rows of cooling water, since the inner surface cooling and the outer surface cooling are started at the same time, the amount of bending is excessive.
比較例6、8は、内面冷却を外面冷却よりも先行させる時間が5秒、4秒と短いので、遷移温度が−30℃と不芳であった。 In Comparative Examples 6 and 8, the transition time was unsatisfactory at −30 ° C. because the time for the inner surface cooling to precede the outer surface cooling was as short as 5 seconds and 4 seconds.
Claims (1)
前記鋼管外面の冷却は、鋼管の最上部を中心として略対称の2つの位置にそれぞれ平面状の冷却水を流下させることにより行われ、鋼管の回転方向上流側の位置に流下させる冷却水の流量を、回転方向下流側の位置に流下させる冷却水の流量以上とし、
冷却する鋼管の外径に対する肉厚の比は0.07以下であるとともに、
前記鋼管内面の冷却を前記鋼管外面の冷却よりも7秒以上先行して開始すること
を特徴とする鋼管の冷却方法。 While rotating the steel pipe arranged horizontally in the circumferential direction, the cooling water is injected into the steel pipe to cool the inner surface of the steel pipe, and the planar cooling water is applied to the outer surface of the steel pipe along the axial direction of the steel pipe from above. A cooling method of a steel pipe that cools the outer surface of the steel pipe by flowing down,
The cooling of the outer surface of the steel pipe is performed by flowing down the planar cooling water at two substantially symmetrical positions around the uppermost part of the steel pipe, and the flow rate of the cooling water flowing down to the upstream position in the rotation direction of the steel pipe. Is greater than or equal to the flow rate of the cooling water flowing down to the position downstream in the rotational direction,
The ratio of the wall thickness to the outer diameter of the steel pipe to be cooled is 0.07 or less,
The method for cooling a steel pipe, wherein the cooling of the inner surface of the steel pipe is started at least 7 seconds before the cooling of the outer surface of the steel pipe.
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