JP2011190472A - 長尺鋼材の焼戻し後の連続冷却方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 長尺鋼材の熱処理の焼戻し後に焼戻し温度から冷却する際、冷却による長尺鋼材の曲がりを防止し靱性などに優れた長尺鋼材を製造する方法および装置を提供する。
【解決手段】 棒鋼又は鋼管からなる長尺鋼材の熱処理の焼戻し処理後の冷却において、冷却ゾーン４の長尺鋼材２の上下に複数の水冷ノズル６を配置し、水冷ノズル６の向きを長尺鋼材２に対して２０°以上４５°以下の角度とし、水冷ノズル６は熱処理の水冷開始温度から２５０℃（好ましくは１００℃）まで長尺鋼材２の赤熱部３の表面を冷却し得る水量を備え、冷却速度を４００℃／秒以上としている。この装置により長尺鋼材２の冷却ゾーン４の上下に切れ目なく配置の水冷ノズル６から水流角度２０°以上４５°以下で長尺鋼材２に噴射し、鋼材表面の冷却速度を４００℃／秒以上として長尺鋼材２を熱処理温度から２５０℃（好ましくは１００℃）まで冷却する。
【選択図】 図１
【解決手段】 棒鋼又は鋼管からなる長尺鋼材の熱処理の焼戻し処理後の冷却において、冷却ゾーン４の長尺鋼材２の上下に複数の水冷ノズル６を配置し、水冷ノズル６の向きを長尺鋼材２に対して２０°以上４５°以下の角度とし、水冷ノズル６は熱処理の水冷開始温度から２５０℃（好ましくは１００℃）まで長尺鋼材２の赤熱部３の表面を冷却し得る水量を備え、冷却速度を４００℃／秒以上としている。この装置により長尺鋼材２の冷却ゾーン４の上下に切れ目なく配置の水冷ノズル６から水流角度２０°以上４５°以下で長尺鋼材２に噴射し、鋼材表面の冷却速度を４００℃／秒以上として長尺鋼材２を熱処理温度から２５０℃（好ましくは１００℃）まで冷却する。
【選択図】 図１
Description
棒鋼あるいは鋼管などの長尺鋼材の熱処理における焼戻し後の連続的に冷却する冷却方法およびその冷却装置に関する。
従来、長尺鋼材を熱処理における焼戻し後の焼戻し温度から連続冷却する際に、長尺鋼材を水冷などにより急冷すると、長尺鋼材の靱性が向上し、より高い品質が得られる。しかし、水冷により急冷すると長尺鋼材に曲がりが発生するので、水冷後にその曲がりを矯正する必要があり、このために製造コストが高くなるとともに、焼戻しのための連続水冷設備に高額な設備設置費用や保守費用を必要とした。
一方、鋼管などの棒状ワークを水平に支持して軸芯線を中心にして回転させながら、棒状ワークの外周面のみを支持して軸芯線の方向に移動させながら、棒状ワークの外周面をその周囲の高周波コイルによって加熱し、加熱した棒状ワークの周囲にリング状に配置の焼入れ噴射用ジャケットから焼入れ液を噴射して冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法で、棒状ワークに歪を生じることなく焼入れおよび冷却できるが、このための装置は極めて複雑である。さらに、棒鋼の矯正冷却能を有し、簡潔接触方式より、自在に冷却調節可能とした常温冷却床による制御冷却方法が、提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この方法は、棒鋼の種々の冷却パターンは意図されているが、冷却による曲がりの矯正については意図されていない。
本発明が解決しようとする課題は、棒鋼あるいは鋼管などの長尺鋼材の熱処理における焼戻し後に焼戻し温度から連続的に冷却する際に、冷却による長尺鋼材の曲がりを防止して靱性などに優れた長尺鋼材を製造する方法およびその装置を提供することである。
本発明は、棒鋼あるいは鋼管などの長尺鋼材を熱処理における焼戻し後に焼戻し温度から連続冷却する方法において、棒鋼あるいは鋼管などの長尺鋼材の焼戻し後の冷却ゾーンに水冷ノズルを切れ目なく長尺鋼材の上下に配置すると共に、水冷ノズルから噴射される水流が長尺鋼材に当たる角度を２０°以上４５°以下とし、かつ、焼戻し温度から水冷を開始し、その水冷開始温度から２５０℃（好ましくは１００℃）までの長尺鋼材の表面の冷却速度を４００℃／秒とすることにより、曲がりがなく、靱性などの特性の良好な長尺鋼材を製造する方法およびその方法を実施するための装置である。
すなわち、上記の課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、棒鋼あるいは鋼管からなる長尺鋼材の熱処理における焼戻し処理後の焼戻し温度からの冷却方法における手段である。この手段では、長尺鋼材の冷却ゾーンの上下に、切れ目なく配置した水冷ノズルから水流を２０°以上４５°以下の角度として長尺鋼材に向けて噴射する。この噴射した水流により焼戻し温度から水冷を開始し、その水冷開始温度から２５０℃（好ましくは１００℃）までの鋼材表面の冷却速度を４００℃／秒以上として長尺鋼材を冷却することからなる棒鋼あるいは鋼管からなる長尺鋼材の焼戻し時の冷却方法である。
第２の手段は、棒鋼あるいは鋼管からなる長尺鋼材の焼戻し処理後の焼戻し温度からの冷却装置における手段である。この手段では、長尺鋼材の冷却ゾーンに切れ目なく上下に水冷ノズルを配置し、この長尺鋼材の冷却ゾーンの上下に配置した水冷ノズルの向きを、長尺鋼材に対して２０°以上４５°以下の角度としている。さらに、この冷却ノズルは、長尺鋼材に噴出する冷却水量を長尺鋼材の焼戻し温度、すなわち、水冷開始温度から２５０℃（好ましくは１００℃）までの鋼材表面の冷却速度を４００℃／秒以上とし得る水量を備えたノズルからなる棒鋼あるいは鋼管からなる長尺鋼材の焼戻し処理後の冷却装置である。
本発明の上記の手段において、焼戻し後の焼戻し温度からの長尺鋼材の冷却を水冷とする効果について説明する。長尺鋼材を焼入焼戻し処理する際に、焼戻し温度から空冷により冷却すると、鋼材の脆化温度である２５０〜３００℃に保持される時間が水冷よりも長い時間生じる。このように脆化温度に保持されると、例えば、−２０℃や−４０℃の低温におけるシャルピー衝撃値が低下するか、あるいはシャルピー衝撃値の遷移温度が上がる。すなわち、空冷に代えて、水冷により急冷をすることにより、鋼材の脆化温度に保持される時間を少なくして回避することにより、例えば、−２０℃や−４０℃におけるシャルピー衝撃値が上がり、かつシャルピー衝撃値の遷移温度が下る効果が得られる。
次いで、水冷ノズルから噴射される水流が長尺鋼材に当たる角度を２０°以上４５°以下とする効果について説明する。長尺鋼材に当たる水流の角度が４５°を超えると、水流が鋼材表面を走って流れず、フッ素樹脂加工の表面に水流が当たったときのように、水流が鋼材表面で跳ねたり、あるいは熱処理炉に逆流してしまう恐れがある。熱処理炉に水が入ると水蒸気爆発を起こす恐れが生じる。一方、所定以上の流速で水流が鋼材に４５°以下の角度で当たれば、水流が鋼材表面を均一に覆うことにより、鋼材表面に蒸気膜を生成する。そこで生成された蒸気膜によって鋼材表面における冷却の不均一が防止される結果、長尺鋼材の全周が均一に冷却される。また、水冷ノズルから噴射される水流が長尺鋼材に当たる角度を２０°以上とする理由について、角度を２０°より小さくすると、下からの水が鋼材に到達する距離が長くなり届かなくなる現象が生じる。この結果上下の水たる位置がずれて焼入れにむらが生じる。なお水圧を上げれば幾分改善するが高圧仕様にする必要がある。これらを考慮し下限を２０゜とした。
さらに、焼戻し温度、すなわち、水冷開始温度から２５０℃（好ましくは１００℃）までの表面の冷却速度が４００℃／秒以上とする水冷ノズルの使用並びに冷却水量とする効果について説明する。水冷ノズルから噴射される水流が弱いと、すなわち、すなわち水冷開始温度から２５０℃までの表面の冷却速度が４００℃／秒未満であると、鋼材表面に蒸気膜が生成し、蒸気膜の消滅するタイミングにずれが生じて、鋼材の冷却に不均一が発生する。一方、従来から、焼戻し後に水冷することにより、衝撃値などの機械的特性が改善されることは知られていたが、量産レベルでの処理では、鋼材に曲がりが発生するために、矯正工程の追加が必要となりコストがかかるために採用できなかった。しかし、水冷開始温度から２５０℃までの表面の冷却速度が４００℃／秒以上とする水冷ノズルの使用並びに冷却水量とすることで、鋼材に曲がりを発生することなく冷却できる。理想的には、冷却開始温度から１００℃まで、表面の冷却速度が４００℃／秒以上となるように冷却を行うべきであるが、最低限２５０℃までの表面の冷却速度を４００℃／秒以上とすることが必要である。
このように、焼戻し後に水冷することにより、冷却速度が上り、シャルピー衝撃値が向上し、例えば、従来、Ｎｉなどの希少金属を使用する必要があったが、ＪＩＳ規定のクロムモリブデン鋼であるＳＣＭなどのＮｉを含まない合金鋼が使えるようになる。また、焼戻し後に水冷しても曲がりが発生しないので、矯正工程の追加の必要がなくなる結果、コストが掛かることによる量産できない心配がなく、コストメリットはきわめて大きい。
本発明を実施するための形態において、先ず、冷却装置について説明し、続いてその冷却装置を用いて冷却する冷却方法について実施例により説明する。
棒鋼２ａあるいは鋼管２ｂからなる長尺鋼材２を焼戻し処理後の焼戻し温度から冷却するための冷却装置１は、長尺鋼材２を水冷により冷却する冷却ゾーン４を有し、この冷却ゾーン４において長尺鋼材２を水冷するための水冷ノズル６を、長尺鋼材２の上下に切れ目なく配置している。この長尺鋼材２の冷却ゾーン４には、上下に複数の水冷用のヘッダー５を配置し、これらのヘッダー５には、向きを長尺鋼材２に対して２０°以上４５°以下の水流の角度８となるようにした複数の水冷ノズル６が設けられている。すなわち、長尺鋼材２の赤熱部３の表面に対して、４００℃／秒以上の冷却速度で長尺鋼材２の焼戻し温度から２５０℃まで冷却することができるように、長尺鋼材２に対して２０°以上４５°以下の角度として向けた水冷ノズル６が形成されて冷却装置１とされている。
本発明の冷却装置１による冷却方法の第１の実施例について説明する。先ず、ＳＣＭ４４０からなるφ２５ｍｍの径で７０００ｍｍの長さからなる棒鋼２ａの９本を、それぞれ棒鋼２ａの軸芯の周りに回転させながら一括して熱処理炉に装入して焼入れし、さらに６７０℃に加熱して焼戻した。次いで、図１に模式的に示すように、ヘッダー５に有する水冷ノズル６を棒鋼２ａの長さ１０００ｍｍの上下にわたって切れ目なく配置した冷却ゾーン４において、水冷ノズル６から噴射する水流の棒鋼２ａの赤熱部３に対する水流の角度７を上下からそれぞれ４５°として焼戻した棒鋼２ａの赤熱部３を進行方向９の方向に移動させながら水冷した。この場合、６７０℃の焼戻し温度から冷却を開始し、その冷却開始温度から２００℃までの棒鋼２ａの冷却ゾーン４の水流面８の部分の冷却速度が４００℃／秒となる水流で棒鋼２ａを冷却した。その結果、棒鋼２ａには曲がりが発生することなく、したがって矯正工程を追加する必要はなかった。得られた棒鋼２ａの中心部の２０℃におけるシャルピー衝撃値の吸収エネルギーは１８５Ｊ／ｃｍ2で、空冷の場合の２０℃におけるシャルピー衝撃値の吸収エネルギーの１６７Ｊ／ｃｍ2と比較して向上し、靱性に優れた棒鋼２ａが得られた。
次に、本発明の冷却装置１による冷却方法の第２の実施例について説明する。先ず、ＳＣＭ４４０からなるφ４５ｍｍの径で７０００ｍｍの長さからなる棒鋼２ａの５本を、それぞれ棒鋼２ａの軸芯の周りに回転させながら一括して熱処理炉に装入して焼入れし、さらに６２０℃に加熱して焼戻した。次いで、図１に模式的に示すように、ヘッダー５に有する水冷ノズル６を棒鋼２ａの長さ１０００ｍｍの上下にわたって切れ目なく配置した冷却ゾーン４において、水冷ノズル６から噴射する水流の棒鋼２ａの赤熱部３に対する水流の角度７を上下からそれぞれ４５°として焼戻した棒鋼２ａの赤熱部３を進行方向９の方向に移動させながら水冷した。この場合、６２０℃の焼戻し温度から冷却を開始し、その冷却開始温度から１００℃までの棒鋼２ａの冷却ゾーン４の水流面８の部分の冷却速度が４００℃／秒となる水流で棒鋼２ａを冷却した。その結果、棒鋼２ａには曲がりが発生することなく、したがって矯正工程を追加する必要はなかった。得られた棒鋼２ａの中心部の−４０℃におけるシャルピー衝撃値の吸収エネルギーは４１Ｊ／ｃｍ2で、空冷の場合の−４０℃におけるシャルピー衝撃値の吸収エネルギーの３３Ｊ／ｃｍ2と比較して向上し、靱性に優れた棒鋼２ａが得られた。
さらに、本発明の冷却装置１による冷却方法の第３の実施例について説明する。先ず、ＳＣＭ４３５からなるφ７５ｍｍの径で７０００ｍｍの長さからなる棒鋼２ａの３本を、それぞれ棒鋼２ａの軸芯の周りに回転させながら一括して熱処理炉に装入して焼入れし、さらに５８０℃に加熱して焼戻した。次いで、図１に模式的に示すように、ヘッダー５に有する水冷ノズル６を棒鋼２ａの長さ１０００ｍｍの上下にわたって切れ目なく配置した冷却ゾーン４において、水冷ノズル６から噴射する水流の棒鋼２ａの赤熱部３に対する水流の角度７を上下からそれぞれ４５°として焼戻した棒鋼２ａの赤熱部３を進行方向９の方向に移動させながら水冷した。この場合、５８０℃の焼戻し温度から冷却を開始し、その冷却開始温度から２５０℃までの棒鋼２ａの冷却ゾーン４の水流面８の部分の冷却速度が４００℃／秒となる水流で棒鋼２ａを冷却した。その結果、棒鋼２ａには曲がりが発生することなく、したがって矯正工程を追加する必要はなかった。得られた棒鋼２ａの中心部の−４０℃におけるシャルピー衝撃値の吸収エネルギーは３６Ｊ／ｃｍ2で、空冷の場合の−４０℃におけるシャルピー衝撃値の吸収エネルギーの２９Ｊ／ｃｍ2と比較して向上し、靱性に優れた棒鋼２ａが得られた。
さらに、本発明の冷却装置１による冷却方法の第４の実施例について説明する。先ず、ＳＣＭ４３５からなるφ７０ｍｍの径で７０００ｍｍの長さからなる棒鋼２ａの３本を、それぞれ棒鋼２ａの軸芯の周りに回転させながら一括して熱処理炉に装入して焼入れし、さらに５９０℃に加熱して焼戻した。次いで、図１に模式的に示すように、ヘッダー５に有する水冷ノズル６を棒鋼２ａの長さ１０００ｍｍの上下にわたって切れ目なく配置した冷却ゾーン４において、水冷ノズル６から噴射する水流の棒鋼２ａの赤熱部３に対する水流の角度７を上下からそれぞれ４０°として焼戻した棒鋼２ａの赤熱部３を進行方向９の方向に移動させながら水冷した。この場合、５９０℃の焼戻し温度から冷却を開始し、その冷却開始温度から１５０℃までの棒鋼２ａの冷却ゾーン４の水流面８の部分の冷却速度が４００℃／秒となる水流で棒鋼２ａを冷却した。その結果、棒鋼２ａには曲がりが発生することなく、したがって矯正工程を追加する必要はなかった。得られた棒鋼２ａの中心部の−４０℃におけるシャルピー衝撃値の吸収エネルギーは３８Ｊ／ｃｍ2で、空冷の場合の−４０℃におけるシャルピー衝撃値の吸収エネルギーの３０Ｊ／ｃｍ2と比較して向上し、靱性に優れた棒鋼２ａが得られた。
１ 冷却装置
２ 長尺鋼材
２ａ 棒鋼
２ｂ 鋼管
３ 赤熱部
４ 冷却ゾーン
５ ヘッダー
６ 水冷ノズル
７ 水流の角度
８ 水流面
９ 進行方向
２ 長尺鋼材
２ａ 棒鋼
２ｂ 鋼管
３ 赤熱部
４ 冷却ゾーン
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７ 水流の角度
８ 水流面
９ 進行方向
Claims (2)
- 棒鋼あるいは鋼管からなる長尺鋼材の熱処理の焼戻し処理後の冷却方法において、長尺鋼材の冷却ゾーンの上下に切れ目なく配置した水冷ノズルから噴射する水流を４５°以下の角度として長尺鋼材に噴射し、熱処理での水冷開始温度から２５０℃（好ましくは１００℃）までの鋼材表面の冷却速度を４００℃／秒以上として長尺鋼材を冷却することを特徴とする棒鋼あるいは鋼管からなる長尺鋼材の焼戻し処理後の冷却方法。
- 棒鋼あるいは鋼管からなる長尺鋼材の焼戻し処理後の冷却装置において、長尺鋼材の冷却ゾーンに切れ目なく上下に水冷ノズルを配置し、長尺鋼材の冷却ゾーンの上下に配置した水冷ノズルの向きを長尺鋼材に対して２０°以上４５°以下の角度とし、かつ、この水冷ノズルは長尺鋼材に噴出する冷却水量を長尺鋼材の熱処理での水冷開始温度から２５０℃（好ましくは１００℃）までの長尺鋼材の赤熱部の表面の冷却速度を４００℃／秒以上とし得る水量を備えていることを特徴とする棒鋼あるいは鋼管からなる長尺鋼材の焼戻し処理後の冷却装置。
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