JP2020020038A - 金属の熱処理方法及びその熱処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず初めに、図19を参照しながら、シームレス鋼管等の金属管端部を誘導加熱を用いて熱処理する方法における課題について述べる。図19は、従来の金属管端部の誘導加熱方法における磁束分布を示す説明図である。
まず、図1及び図2を参照しながら、本発明の第1実施形態に係る金属の熱処理方法を説明する。図1は、本実施形態に係る金属の熱処理方法に用いる熱処理装置を模式的に示す側面図である。図2は、図1に示した金属の熱処理装置の変更例を模式的に示す側面図である。
次に、図3及び図4を参照しながら、本発明の第2実施形態に係る金属の熱処理方法を説明する。図3は、本実施形態に係る金属の熱処理方法に用いる熱処理装置を模式的に示す側面図である。図4は、図3に示した金属の熱処理装置をIV−IV線で切断した断面図である。
次に、図5及び図6を参照しながら、本発明の第3実施形態に係る金属の熱処理方法を説明する。図5は、本実施形態に係る金属の熱処理方法に用いる熱処理装置を模式的に示す側面図である。図6は、第1実施形態に係る熱処理方法及び第3実施形態に係る熱処理方法における温度履歴を示すグラフである。
次に、図7〜図9を参照しながら、本発明の第4実施形態に係る金属の熱処理方法を説明する。図7及び図8は、本発明の第4実施形態に係る金属の熱処理方法に用いる熱処理装置を模式的に示す側面図であり、図7では、連続的に搬送される被加熱金属管1の長手方向中央部を加熱する様子を示し、図8では、連続的に搬送される被加熱金属管1端部を加熱する様子を示している。図9は、図8に示した金属の熱処理装置を用いた熱処理方法の変更例を模式的に示す側面図である。
次に、図10及び図11を参照しながら、本発明の第5実施形態に係る金属の熱処理方法を説明する。図10は、本実施形態に係る金属の熱処理方法における被加熱鋼管の形状を模式的に示す断面図である。図11は、本実施形態に係る金属の熱処理方法における温度偏差を模式的に示す断面図である。
次に、図10、図12及び図13を参照しながら、本発明の第6実施形態に係る金属の熱処理方法を説明する。図12は、本実施形態に係る金属の熱処理方法における温度偏差を模式的に示す断面図である。図13は、本実施形態に係る金属の熱処理方法における第1誘導コイルの形状を模式的に示す断面図である。
次に、図14、図15及び図16を参照しながら、本発明の第7実施形態に係る金属の熱処理方法を説明する。図14は、本実施形態に係る金属の熱処理方法における被加熱金属管と第1誘導コイルとのギャップを示す模式図である。図15及び図16は、本実施形態に係る金属の処理方法に用いる熱処理装置を模式的に示す側面図である。
次に、図17及び図18を参照しながら、本発明の第8実施形態に係る金属の熱処理方法を説明する。図17は、拡管を誘導加熱した場合に生じる温度偏差を模式的に示す断面図である。図18は、本実施形態に係る金属の処理方法に用いる熱処理装置を模式的に示す側面図である。
被加熱金属管として、外径300mm、内径268mm、長さ1mのシームレス鋼管を用い、当該シームレス鋼管の端部からの管軸方向長さ200mmの範囲を加熱範囲とした。また、内径320mm、外径356mm、管軸方向長さ400mmの角銅管を円筒状に巻いて製作した誘導コイルを、当該誘導コイルの被加熱金属管側の端部が、被加熱金属管の端部から200mmの位置になるように被加熱金属管の外周を周回するように設置して、加熱周波数50Hz、電流600Aで、10分間、誘導加熱した。
実験例1と同じ被加熱金属管及び被加熱金属管の外周を周回する誘導コイルを用い、誘導コイルの外側に、磁性体コアとして積層厚み25mm、幅20mm、長さ50mmに成型した無方向性電磁鋼板積層コアを、金属管端部からの距離で150mmから200mmの範囲に配置した。磁性体コアを配置した以外は、実験例1と同じ条件で誘導加熱を行った。
実験例1と同じ被加熱金属管及び被加熱金属管の外周を周回する誘導コイルを用い、被加熱金属管の内面側に、外径240mm、内径220mm、管軸方向長さ300mmの銅管製誘導コイルをダミー金属管の端から挿入し、外周の誘導コイルと並列に配置した以外は、実験例1と同じ条件で誘導加熱を行った。
被加熱金属管として、外径80mm、内径74mm、長さ2mの電縫鋼管を用い、当該電縫鋼管を連続的に6mpmで搬送しながら誘導コイル内を通過させることで、電縫鋼管全体を加熱した。また、誘導コイルとしては、内径100mm、外径120mm、管軸方向長さ400mmの角銅管製誘導コイルを、搬送される被加熱金属管の外周を周回するように設置して、加熱周波数1kHz、電流600Aで、誘導加熱した。
実験例1と同じ被加熱金属管及び被加熱金属管の外周を周回する誘導コイルを用い、ダミー金属管の径を以下のように変更した以外は、実験例1と同じ条件で誘導加熱を行った。
本実験例では、被加熱金属管として、鋼管端面から130mmの位置から鋼管先端に向けてテーパ状に縮径し、先端の外径が282mmのシームレス鋼管(縮管)を用い、それ以外は実験例1と同じ誘導子イルおよびダミー金属管を用いて加熱を行った場合について、被加熱金属管の加熱範囲における外表面の温度分布を測定した(実施例14)。また、図13に示す直コイル部23およびテーパ部24を有する誘導コイルを用い、実験例1と同様に、誘導コイルと被加熱金属管とのギャップを、被加熱金属管の長手方向において、縮径部を含めて管端部まで10mmで均一のギャップとし、加熱を行った場合についても、被加熱金属管の加熱範囲における外表面の温度分布を測定した(実施例15)。なお、表6における温度偏差とは、被加熱金属管の加熱範囲(管端部から200mmの範囲)における最高温度と最低温度との差である。実施例2、実施例14および実施例15の温度分布の測定結果を表6に示す。
本実験例では、被加熱金属管として実験例6の条件と同じ縮管を用い、かつ、実験例6と同じダミー金属管を用い、縮管とダミー金属管の中心を誘導コイル中心軸から6mm下方にずらして加熱し、被加熱金属管の加熱範囲における外表面の温度分布を測定した(実施例16)。また、縮管およびダミー金属管を30rpmで回転させながら加熱を行った以外は、実施例16と同じ条件で加熱した場合の被加熱金属管の加熱範囲における外表面の温度分布を測定した(実施例17)。なお、表7における温度偏差とは、被加熱金属管の加熱範囲(管端部から200mmの範囲)における最高温度と最低温度との差である。実施例16および実施例17の温度分布の測定結果を表7に示す。
本実験例では、実験例1と同じ条件で被加熱金属管の加熱を8分間行った後、被加熱金属管とダミー金属管とを、鋼管長手方向に沿って100mmダミー金属管側へ移動させ、さらに2分間加熱を行い、被加熱金属管の加熱範囲における外表面の温度分布を測定した(実施例18)。なお、表7における温度偏差とは、被加熱金属管の加熱範囲(管端部から200mmの範囲)における最高温度と最低温度との差である。実施例1および実施例18の温度分布の測定結果を表8に示す。
2 他の金属管(第2被加熱金属管)
3、4 移送ローラ
5 誘導コイル
6 スタンド
7 昇降機構
8 回転ローラ
9 スライド機構
10 他の金属管(ダミー金属管)
11 拡管
12 縮管
13 直管部
14 縮径部
21 第1誘導コイル
22 第2誘導コイル
23 直コイル部
24 テーパ部
30 磁性体コア
40 絶縁部材
105 温度計測装置
107 金属管位置制御装置
109 加熱時間制御装置
111 加熱制御装置
121 第1誘導電流制御装置
122 第2誘導電流制御装置
r 金属管の外径
d 被加熱金属管と他の金属管との距離
C 管軸(金属管長手)方向
Claims (25)
- 円管状又は円柱状の金属の外周を周回する第1誘導コイルを用いて、被加熱材としての前記金属を、その位置を固定して又は連続的に搬送しながら加熱する加熱工程を含む金属の熱処理方法であって、
前記加熱工程では、
前記被加熱材の中心軸方向における、当該被加熱材の端部から所定距離離隔した位置に、円管状又は円柱状の金属である他の金属を配置し、
前記第1誘導コイルが、前記被加熱材の最先端部から所定長さの部分及び該最先端部と向かい合う前記他の金属の最先端部から所定長さの部分を覆うように位置する場合に、前記被加熱材の端部と前記他の金属の端部とを併せて誘導加熱することを特徴とする、金属の熱処理方法。 - 前記他の金属が、前記被加熱材としての前記金属である被加熱金属と同じ材質且つ同じ外径を有する金属であることを特徴とする、請求項1に記載の金属の熱処理方法。
- 前記他の金属の端部の外径が、前記被加熱材の端部の外径よりも小さいことを特徴とする、請求項1に記載の金属の熱処理方法。
- 前記被加熱材が、当該被加熱材の長手方向で外径が一定である直管部と、端部に向かうに従い外径が縮小する縮径部とを有する縮管であり、
前記第1誘導コイルが、当該第1誘導コイルの長手方向で直径が一定である直コイル部と、端部に向かうに従い直径が縮小するテーパ部とを有し、
前記直コイル部は、前記直管部の周囲を覆い、前記テーパ部は、前記縮径部の周囲を覆うことを特徴とする、請求項1に記載の金属の熱処理方法。 - 前記金属が、円管状又は円柱状の金属であり、
前記加熱工程では、前記被加熱材としての前記金属である被加熱金属の位置を固定して当該被加熱金属の端部を加熱し、
前記被加熱金属の中心軸方向における、当該被加熱金属の端部から所定距離離隔した位置に、前記他の金属として所定長さの他の金属を配置し、
前記被加熱金属の最先端部から所定長さの部分及び該最先端部と向かい合う前記他の金属の最先端部から所定長さの部分を覆うように、前記第1誘導コイルを配設して、前記被加熱金属の端部と前記他の金属の端部とを併せて誘導加熱することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の金属の熱処理方法。 - 前記被加熱金属の中心軸と前記他の金属の中心軸と前記第1誘導コイルの中心とが、略同一直線状に位置することを特徴とする、請求項5に記載の金属の熱処理方法。
- 前記被加熱金属および前記他の金属を前記被加熱金属の中心軸を回転軸として回転させながら、前記被加熱金属を誘導加熱することを特徴とする、請求項6に記載の金属の熱処理方法。
- 前記他の金属を、前記被加熱金属の中心軸方向に移動可能に配置し、
前記被加熱金属の端部から所定長さの部分の加熱温度分布を計測し、当該計測結果に基づき、前記他の金属の端部と前記被加熱金属の端部との距離、及び/又は、前記被加熱金属の加熱時間を制御することを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一項に記載の金属の熱処理方法。 - 前記他の金属と前記被加熱金属の一方又は両方を、前記被加熱金属の中心軸方向に移動可能に配置し、所定の時間又は所定の温度で前記他の金属の最先端部と前記被加熱金属の最先端部との距離を変えて複数回加熱を行うことを特徴とする、請求項5〜8のいずれか一項に記載の金属の熱処理方法。
- 前記被加熱金属の最先端部と前記他の金属の最先端部との距離を一定に保ったまま、前記被加熱金属および前記他の金属を前記第1誘導コイル内で前記被加熱金属の長手方向に移動させながら、前記被加熱金属を誘導加熱することを特徴とする、請求項6〜8のいずれか一項に記載の金属の熱処理方法。
- 前記第1誘導コイルの少なくとも一部の所定領域の外側に、磁性体コアを配置することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の金属の熱処理方法。
- 前記被加熱材及び前記他の金属が、金属管であり、
前記第1誘導コイルと同じ管軸方向の位置に、前記被加熱材としての前記金属管である被加熱金属管の内面を加熱する第2誘導コイルを配設し、前記被加熱金属管の外面側及び内面側から当該被加熱金属管を加熱することを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の金属の熱処理方法。 - 前記第1誘導コイルと前記第2誘導コイルとの相対位置に応じて前記第1誘導コイル及び前記第2誘導コイルに印加する電力を調整することにより、前記被加熱金属管の端部の加熱を制御することを特徴とする、請求項12に記載の金属の熱処理方法。
- 前記金属が、金属管であり、
前記加熱工程では、
前記被加熱材および前記他の金属をともに、前記被加熱材としての前記金属管である被加熱金属管とし、複数の前記被加熱金属管を連続的に搬送し、
複数の前記被加熱金属管を搬送する際に、隣り合う前記被加熱金属管の各々の端部間を管軸方向において所定距離離隔させ、複数の前記被加熱金属管同士を近接して配置した状態で、前記被加熱金属管を搬送し、
前記被加熱金属管が前記第1誘導コイルの内部を通過する際に、当該通過部分を誘導加熱することを特徴とする、請求項1に記載の金属の熱処理方法。 - 複数の前記被加熱金属管を搬送する際に、隣り合う前記被加熱金属管の各々の端部間に絶縁部材を配置した状態で、前記被加熱金属管を搬送することを特徴とする、請求項14に記載の金属の熱処理方法。
- 誘導コイルを用いて円管状又は円柱状の金属を加熱する金属の熱処理装置であって、
被加熱材としての前記金属である被加熱金属の外周を周回する第1誘導コイルと、
前記第1誘導コイルにより前記被加熱金属の外表面に発生する誘導電流を制御する第1誘導電流制御装置とを備え、
前記第1誘導コイルが、前記被加熱金属の最先端部から管軸方向の所定長さの部分を覆い、かつ、当該被加熱金属の最先端部から所定距離離隔した位置に、円管状又は円柱状の金属である他の金属の最先端部が配されることで、前記第1誘導コイルが、当該他の金属の最先端部から管軸方向の所定長さの部分を覆うように、当該第1誘導コイルが配設されることを特徴とする、金属の熱処理装置。 - 前記他の金属が、前記被加熱金属と同じ材質且つ同じ外径を有する金属管であることを特徴とする、請求項16に記載の金属の熱処理装置。
- 前記他の金属の端部の外径が、前記被加熱材の端部の外径よりも小さいことを特徴とする、請求項16に記載の金属の熱処理装置。
- 前記被加熱材が、当該被加熱材の長手方向で外径が一定である直管部と、端部に向かうに従い外径が縮小する縮径部とを有する縮管であり、
前記第1誘導コイルが、当該第1誘導コイルの長手方向で直径が一定である直コイル部と、端部に向かうに従い直径が縮小するテーパ部とを有し、
前記直コイル部は、前記直管部の周囲を覆い、前記テーパ部は、前記縮径部の周囲を覆うことを特徴とする、請求項16に記載の金属の熱処理装置。 - 前記他の金属と前記被加熱金属の一方又は両方を、前記被加熱金属の中心軸方向に移動させる移動機構と、
前記被加熱金属の端部から所定長さの部分の加熱温度分布を計測する温度計測装置と、
前記温度計測装置による計測結果に基づき、前記他の金属の端部と前記被加熱金属の端部との距離を調整するように前記他の金属の位置を制御する位置制御装置、及び/又は、前記被加熱金属の加熱時間を制御する加熱時間制御装置と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項16〜19のいずれか一項に記載の金属の熱処理装置。 - 前記被加熱金属および前記他の金属を前記第1誘導コイル内で昇降させる昇降機構と、
前記被加熱金属の中心軸と前記他の金属の中心軸と前記第1誘導コイルの中心とが略同一直線状に位置した状態で、前記被加熱金属および前記他の金属を前記被加熱金属の中心軸を回転軸として回転させる回転機構と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項16〜20のいずれか一項に記載の金属の熱処理装置。 - 前記被加熱金属の最先端部と前記他の金属の最先端部との距離を一定に保ったまま、前記被加熱金属および前記他の金属を前記第1誘導コイル内で前記被加熱金属の長手方向に移動させるコイル内移動機構をさらに備えることを特徴とする、請求項16〜21のいずれか一項に記載の金属の熱処理装置。
- 前記第1誘導コイルの少なくとも一部の所定領域の外側に配置される、磁性体コアをさらに備えることを特徴とする、請求項16〜22のいずれか一項に記載の金属の熱処理装置。
- 前記被加熱金属及び前記他の金属が、金属管であり、
前記第1誘導コイルと同じ中心軸方向の位置に配設され、前記被加熱金属としての金属管である被加熱金属管の内面を加熱する第2誘導コイルをさらに備えることを特徴とする、請求項16〜23のいずれか一項に記載の金属の熱処理装置。 - 前記第2誘導コイルにより前記被加熱金属管の内表面に発生する誘導電流を制御する第2誘導電流制御装置と、
前記第1誘導コイルと前記第2誘導コイルとの相対位置に応じて前記第1誘導コイル及び前記第2誘導コイルに印加する電力を調整することにより、前記被加熱金属管の端部の加熱を制御する加熱制御装置と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項24に記載の金属の熱処理装置。
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