JP4403566B2

JP4403566B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程用空冷設備

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Publication number: JP4403566B2
Application number: JP2009500641A
Authority: JP
Inventors: 伸行森; 明洋坂本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JPWO2009118962A1; US9181610B2; EP2264194A4; CN101981208B; BRPI0822427B1; BRPI0822427A2; EP2264194B1; CN101981208A; US20110120691A1; WO2009118962A1; EP2264194A1

Description

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程に用いられる空冷設備に関する。特に、本発明は、熱処理工程において鋼管内面を空冷する際の冷却効率を高めて、熱処理工程に要する時間を短縮可能な空冷設備に関する。

マルテンサイト系ステンレス鋼管はＣＯ_２に対する耐食性に優れるため、従来より油井用途等に広く使用されている。一方、マルテンサイト系ステンレス鋼管は、その材料の焼き入れ性が極めて高いため、熱処理工程における焼き入れのための冷却を全て水冷で行うと、焼き割れを生じ易い。このため、一般的には、マルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程における焼き入れは、自然放冷や、或いは、鋼管の外面に向けてエアーを噴射する空冷方法を採用しており、冷却に長時間を要するので、熱処理効率が低くなる。

上記の熱処理効率が低いという欠点を解消することを一の目的として、例えば、国際公開第２００５／０３５８１５号パンフレット（以下、特許文献１という）に記載の方法が提案されている。特許文献１に記載の方法は、Ｍｓ点（焼き入れ時の冷却に際し、鋼のマルテンサイト変態が始まる温度）近傍以外の温度範囲では水冷しても割れが生じ難いことを利用して、冷却速度の速い水冷と、空冷とを組み合わせる方法である。具体的には、特許文献１には、鋼管を加熱してオーステナイト化させた後、水冷、空冷、水冷の順で冷却する焼き入れ方法が開示されている。

上記の空冷に関して、特許文献１には、鋼管の外面全面を下方からファンまたはブロワーで冷却し、管端内面をエアーノズルにより冷却できるような構成を備えた空冷装置が開示されている（特許文献１の明細書段落００６２）。

一般的に、鋼管内面の空冷は、鋼管外面の空冷と比べて冷却効率が高い。これは、鋼管外面の空冷では、鋼管内面に高温空気が滞留するため、冷却され難い状態となるのに対し、鋼管内面の空冷では、上記高温空気の滞留が無くなって鋼管内面の抜熱が大きくなる上、鋼管外面の熱は周辺に放射されるため、冷却に要する時間を短縮できるからである。従って、鋼管の空冷における冷却効率を高めるには、主として鋼管内面の空冷を行うことが望ましい。

しかしながら、特許文献１には、鋼管内面の空冷に関し、前述のように、管端内面をエアーノズルにより冷却できるような構成を備えた空冷装置が開示されているに過ぎない。換言すれば、特許文献１には、鋼管内面をノズルを用いて空冷すること自体は開示されているものの、ノズルを用いて鋼管内面を空冷する際の冷却効率を高めるために、如何なる構成とするべきかについては、何ら開示されていない。

本発明は、斯かる従来技術に鑑みてなされたものであり、熱処理工程において鋼管内面を空冷する際の冷却効率を高めて、熱処理工程に要する時間を短縮可能なマルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程用空冷設備を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程に用いられる空冷設備であって、鋼管を長手方向に略直交する方向に間欠搬送する搬送装置と、前記搬送装置によって間欠搬送される鋼管の停止位置において、鋼管の端部に対して該鋼管の長手方向に沿って対向配置され、該鋼管の内面に向けてエアーを噴射するノズルを具備する空冷装置とを備え、前記ノズルは、内面温度が４００℃以下となる鋼管の停止位置（低温停止位置）と、内面温度が４００℃を超える鋼管の停止位置（高温停止位置）とに配置され、前記低温停止位置に配置されたノズルから噴射するエアーの流量が、前記高温停止位置に配置されたノズルから噴射するエアーの流量よりも大きいことを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程用空冷設備を提供する。

本発明に係る空冷設備によれば、搬送装置によって間欠搬送される鋼管の停止位置に、空冷装置のノズルが配置され、該ノズルから鋼管の内面に向けてエアーが噴射される。従って、間欠搬送される鋼管の停止時間中に、集中的に鋼管内面を空冷することができる。このため、例えば、ノズルの設置位置を通過するように鋼管を連続搬送する構成等に比べて、冷却効率を高めることが可能である。

ここで、鋼管内面の冷却効率をより一層高める観点からは、搬送装置によって間欠搬送される鋼管の全ての停止位置にノズルを配置することが好ましい。しかしながら、このような構成の空冷設備では、各ノズルにエアーを供給するための大型のブロワー又はコンプレッサーが必要となったり、熱処理工程に必要なエネルギーの原単位が上昇して、非経済的である。

本発明者が鋭意検討したところ、仮に空冷前の鋼管の内外面に温度差が無いと仮定すると、高温である鋼管の停止位置にノズルを配置した場合には、低温である鋼管の停止位置にノズルを配置した場合に比べて、鋼管の内面温度とノズルから噴射されるエアーの温度との差が大きいため、ノズルからエアーが噴射されている時の冷却効率は高まる（内面温度の低下量が大きくなる）。しかしながら、鋼管がノズル間を移動する際（すなわち、ノズルからのエアーが鋼管内面に噴射されていない時）には、鋼管の外面や内部の熱量が内面に向けて伝導することにより、鋼管の内面温度がエアーの噴射終了直後に比べて上昇する復熱現象が生じる。この復熱による内面温度の上昇量（復熱量）は、エアーの噴射終了直後の内外面の温度差が大きいほど、大きくなる。従って、鋼管が高温のときには、鋼管がノズル間を移動する際の復熱量は、鋼管が低温のときの復熱量に比べて大きくなる。そして、復熱量が大きいほど、エアー噴射による空冷で鋼管を所定温度まで冷却するのに必要な時間は長くなる。従って、高温である鋼管の停止位置にノズルを配置した空冷設備による冷却工程全体の冷却効率としては、低温である鋼管の停止位置にノズルを配置した空冷設備による冷却工程全体の冷却効率に比べて、低くなることが判明した。

従って、経済性の観点から、鋼管の全ての停止位置ではなく、その一部にノズルを限定して配置する場合には、できるだけ低温となる鋼管の停止位置にノズルを配置することが、冷却工程全体の冷却効率を高める上で好ましい。

また、鋼管内面の冷却効率をより一層高める観点からは、配置された全てのノズルから噴射するエアーの流量を大きくすることが好ましい。しかしながら、このような構成の空冷設備も、非経済的である。

従って、経済性の観点から、配置された全てのノズルから噴射するエアーの流量を大きくするのではなく、その一部のノズルから噴射するエアーの流量を大きくする場合には、低温となる鋼管の停止位置（すなわち、復熱量の小さい鋼管の停止位置）に配置したノズルから噴射するエアーの流量を大きくすることが、冷却工程全体の冷却効率を高める上で好ましい。

上記の観点より、本発明では、前記ノズルは、内面温度が４００℃以下となる鋼管の停止位置（低温停止位置）と、内面温度が４００℃を超える鋼管の停止位置（高温停止位置）とに配置され、前記低温停止位置に配置されたノズルから噴射するエアーの流量が、前記高温停止位置に配置されたノズルから噴射するエアーの流量よりも大きく設定される。

ここで、本発明者は、鋼管内面の冷却効率をより一層高める観点から、ノズルと鋼管の端部との最適な距離について鋭意検討し、以下の知見を得た。すなわち、ノズルと鋼管の端部との距離を短くすればするほど、ノズルから噴射された全エアーのうち鋼管内面に到達するエアーの流量は増加する。ノズルが円筒形である場合には、ノズルと鋼管の端部との距離をノズルの内径の８．０倍以下（好ましくは、２．０倍以下）にすると、ノズルから噴射された全エアーのうち鋼管内面に到達するエアーの流量が十分に大きくなることが判明した。しかしながら、ノズルから噴射されたエアーに巻き込まれ、ノズルから噴射されたエアーと共に鋼管内面に到達する雰囲気の流量（巻き込み流量、図３参照）は、ノズルと鋼管の端部との距離を短くすればするほど増加するわけではなく、ノズルが円筒形である場合には、ノズルの内径の１．５倍未満であれば、距離を短くすればするほど逆に低下し、ノズルの内径の１．０倍未満であれば、大きく低下する傾向となる。その結果、鋼管内面に到達して鋼管内面の冷却に供されるエアーの流量（すなわち、ノズルから噴射された全エアーのうち鋼管内面に到達するエアーの流量と、巻き込み流量との和）は、ノズルと鋼管の端部との距離が１．０〜８．０倍のときに大きくなり、１．５〜２．０倍のときに最も大きくなることが判明した。

従って、好ましくは、前記ノズルは、円筒形のノズルであり、対向する鋼管の端部からの距離が該ノズルの内径の１．０〜８．０倍（より好ましくは、１．５〜２．０倍）となる位置に配置される。

本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程用空冷設備によれば、鋼管内面を空冷する際の冷却効率が高まって、熱処理工程に要する時間が短縮され、ひいては、マルテンサイト系ステンレス鋼管を効率良く製造可能である。

図１は、本実施形態に係る空冷設備の概略構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図を、図１（ｂ）は正面図を示す。図２は、図１に示す空冷設備において、ノズル群Ａ〜Ｃから噴射するエアーの流量を同一にした場合（図２において破線で示すグラフ）と、ノズル群Ｃのうち搬送方向上流側の２個のノズルから噴射するエアーの流量のみを大きくした場合（図２において実線で示すグラフ）とについて、鋼管の内面温度の時間的変化を数値シミュレーションした結果の一例を示すグラフである。図３は、図１に示すノズルと鋼管の端部との距離と、鋼管の内面のエアー流量との関係を実験して調査した結果を示す図である。図３（ａ）は、実験の説明図を、図３（ｂ）はノズルと鋼管の端部との距離と、鋼管の内面のエアー流量との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程用空冷設備の一実施形態について説明する。

まず最初に、本発明に係る空冷設備を適用するマルテンサイト系ステンレス鋼管の材料について説明する。

（１）Ｃ：０．１５〜０．２０質量％（以下、単に「％」と記載）
Ｃは、適切な強度、硬度を有する鋼を得るために必要な元素である。Ｃの含有量が０．１５％未満では、所定の強度が得られない。一方、Ｃの含有量が０．２０％を超えると、強度が高くなり過ぎて、降伏比や硬度の調整が困難となる。また、有効固溶Ｃ量が増大することにより、遅れ破壊が生じ易くなる。従って、Ｃの含有量は、０．１５〜０．２１％とするのが好ましい。より好ましくは、０．１７〜０．２０％である。

（２）Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、鋼の脱酸剤として添加される。その効果を得るためには、Ｓｉの含有量を０．０５％以上とする必要がある。一方、Ｓｉの含有量が１．０％を超えると靱性が劣化する。従って、Ｓｉの含有量は、０．０５〜１．０％とするのが好ましい。より好ましい含有量の下限値は０．１６％であり、最も好ましい下限値は０．２０％である。また、より好ましい含有量の上限値は０．３５％である。

（３）Ｍｎ：０．３０〜１．０％
ＭｎもＳｉと同様に脱酸作用を有するが、含有量が０．３０％未満ではその効果が乏しい。また、含有量が１．０％を超えると靱性が劣化する。従って、Ｍｎの含有量は、０．３０〜１．０％とするのが好ましい。熱処理後の靱性を確保することも考慮すると、含有量の上限値を０．６％とすることがより好ましい。

（４）Ｃｒ：１０．５〜１４．０％
Ｃｒは、鋼の必要な耐食性を得るための基本成分である。Ｃｒの含有量を１０．５％以上とすることにより、孔食及び時間性腐食に対する耐食性が改善されると共に、ＣＯ_２環境下での耐食性が著しく向上する。一方、Ｃｒはフェライト生成元素であるため、含有量が１４．０％を超えると、高温での加工の際にδフェライトが生成され易くなり、熱間加工性が損なわれる。また、熱処理後の鋼の強度が低下する。従って、Ｃｒの含有量は、１０．５〜１４．０％とするのが好ましい。

（５）Ｐ：０．０２０％以下
Ｐの含有量が多いと、鋼の靱性が劣化する。従って、Ｐの含有量は、０．０２０％以下とするのが好ましい。

（６）Ｓ：０．００５０％以下
Ｓの含有量が多いと、鋼の靱性が劣化する。また、偏析を発生させるため、鋼管の内面品質が悪化する。従って、Ｓの含有量は、０．００５０％以下とするのが好ましい。

（７）Ａｌ：０．１０％以下
Ａｌは、不純物として鋼中に存在するが、その含有量が０．１０％を超えると、鋼の靱性が劣化する。従って、Ａｌの含有量は、０．１０％以下とするのが好ましい。より好ましくは、０．０５％以下である。

（８）Ｍｏ：２．０％以下
Ｍｏを鋼に添加すると、鋼の強度を高め、耐食性を向上させる効果が得られる。しかし、その含有量が２．０％を超えると、鋼のマルテンサイト変態が困難となる。従って、Ｍｏの含有量は、２．０％以下とするのが好ましい。なお、Ｍｏは高価な合金元素であるため、経済性の点からすれば、含有量はできるだけ少ない方が好ましい。

（９）Ｖ：０．５０％以下
Ｖを鋼に添加すると、鋼の降伏比を高める効果が得られる。しかし、その含有量が０．５０％を超えると、鋼の靱性が劣化する。従って、Ｖの含有量は、０．５０％以下とするのが好ましい。なお、Ｖは高価な合金元素であるため、経済性の点からすれば、含有量は０．３０％以下とすることが好ましい。

（１０）Ｎｂ：０．０２０％以下
Ｎｂを鋼に添加すると、鋼の強度を高める効果が得られる。しかし、その含有量が０．０２０％を超えると、鋼の靱性が劣化する。従って、Ｎｂの含有量は、０．０２０％以下とするのが好ましい。なお、Ｎｂは高価な合金元素であるため、経済性の点からすれば、含有量はできるだけ少ない方が好ましい。

（１１）Ｃａ：０．００５０％以下
Ｃａの含有量が０．００５０％を超えると、鋼中の介在物が増大し、鋼の靱性が劣化する。従って、Ｃａの含有量は、０．００５０％以下とするのが好ましい。

（１２）Ｎ：０．１０００％以下
Ｎの含有量が０．１０００％を超えると、鋼の靱性が劣化する。従って、Ｎの含有量は、０．１０００％以下とするのが好ましい。また、この範囲内において、Ｎの含有量が多い場合、有効固溶Ｎ量が増大することにより、遅れ破壊が生じ易くなる。一方、Ｎの含有量が少ない場合、脱窒素工程の効率が低下し、生産性を阻害する要因となる。従って、Ｎの含有量は、より好ましくは、０．０１００〜０．０５００％である。

（１３）Ｔｉ、Ｂ、Ｎｉ
Ｔｉ、Ｂ、Ｎｉは、少量の添加物として、又は、不純物として、鋼中に含有させることが可能である。ただし、Ｎｉの含有量が０．２％を超えると、鋼の耐食性が劣化するため、Ｎｉの含有量は、０．２％以下とするのが好ましい。

（１４）Ｆｅ及び不可避的不純物
本発明によって製造されるマルテンサイト系ステンレス鋼管の材料は、上記（１）〜（１３）の成分の他に、Ｆｅ及び不可避的不純物を含有する。

次に、以上に説明した成分を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程用空冷設備について説明する。

図１は、本実施形態に係る空冷設備の概略構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図を、図１（ｂ）は正面図を示す。
図１に示すように、本実施形態に係る空冷設備１００は、鋼管Ｐを長手方向に略直交する方向に間欠搬送する搬送装置１０と、搬送装置１０によって間欠搬送される鋼管Ｐの停止位置において、鋼管Ｐの端部に対して該鋼管Ｐの長手方向に沿って対向配置され、該鋼管Ｐの内面に向けてエアーＢｉを噴射するノズル２１を具備する空冷装置２０と、を備える。

搬送装置１０は、ベルト式やチェーン式の搬送装置であり、一定の時間間隔で移動・停止を繰り返しながら、鋼管Ｐを長手方向に略直交する方向に搬送するように構成されている。

空冷装置２０は、エアー源（図示せず）と、該エアー源からのエアーをノズル２１に供給するためのブロワー（図示せず）と、供給されたエアーを鋼管Ｐの内面に向けて噴射するノズル２１とを備える。本実施形態のノズル２１は、円筒形のノズルとされている。

本実施形態に係る空冷装置２０は、鋼管Ｐの内面全長について効果的に空冷するため、好ましい構成として、鋼管Ｐの長手方向一端側に配置されたノズル２１（ノズル群Ａ）と、鋼管Ｐの長手方向他端側に配置されたノズル２１（ノズル群Ｂ、Ｃ）とを備えている。

更に、本実施形態に係る空冷設備１００は、好ましい構成として、鋼管Ｐの外面にエアーＢｏを吹き付けて、鋼管Ｐの外面を冷却するためのファン又はブロワー（図示せず）を備えている。このファン又はブロワーによるエアーＢｏの吹き付けは、停止位置にある鋼管Ｐに限らず、移動中の鋼管Ｐに対しても行われる。斯かる好ましい構成により、ノズル２１から噴射されるエアーＢｉのみで空冷するよりも、鋼管Ｐの冷却効率をより一層高めることが可能である。

図２は、図１に示す空冷設備１００において、ノズル群Ａ〜Ｃから噴射するエアーＢｉの流量を同一にした場合（ケース１、図２において破線で示すグラフ）と、ノズル群Ｃのうち搬送方向上流側の２個のノズル２１から噴射するエアーＢｉの流量のみを大きくした場合（ケース２、図２において実線で示すグラフ）とについて、鋼管Ｐの内面温度の時間的変化を数値シミュレーションした結果の一例を示すグラフである。図２の横軸は、空冷開始からの経過時間を、縦軸は、鋼管Ｐの内面温度及び鋼管Ｐの内面からの抜熱の割合（＝鋼管Ｐの内面からの抜熱量／（鋼管Ｐの外面からの抜熱量＋鋼管Ｐの内面からの抜熱量））を示す。
本数値シミュレーションにおいて、鋼管Ｐの外径は１１４．３ｍｍ、内径は１００．５ｍｍ、長さは１２ｍとした。また、ケース１及びケース２の空冷開始時の鋼管Ｐの内面温度（及び外面温度）は６５０℃とし、内面温度が２２０℃になるまでの経過時間を比較した。なお、ケース１は３３秒周期（移動：１３秒、停止：２０秒）で間欠搬送し、ケース２は３０秒周期（移動：１３秒、停止：１７秒）で間欠搬送する条件とした。

図２に示すように、ケース２の方が鋼管Ｐの停止時間が短い（従って、鋼管Ｐの内面にエアーＢｉが噴射される時間が短い）にも関わらず、空冷設備１００での搬送を終えて、内面温度が約２２０℃になるまでの経過時間がケース１よりも短くなる（１０％低減）ことが分かる。
上記と同様の数値シミュレーションを、ノズル群Ａのうち搬送方向上流側の２個のノズル２１から噴射するエアーＢｉの流量のみを大きくした場合（ケース３）、ノズル群Ｂのうち搬送方向上流側の２個のノズル２１から噴射するエアーＢｉの流量のみを大きくした場合（ケース４）についても実施した結果、空冷設備１００での搬送を終えたときの鋼管Ｐの内面温度は、下記の表１に示すように、ケース２の場合が最も低くなった。

従って、経済性の観点から、空冷設備１００に配置された全てのノズル２１から噴射するエアーＢｉの流量を大きくするのではなく、その一部のノズル２１から噴射するエアーＢｉの流量を大きくする場合には、低温となる（具体的には、内面温度が４００℃以下となる）鋼管Ｐの停止位置に配置したノズル群Ｃから噴射するエアーＢｉの流量を大きくすることが、冷却工程全体の冷却効率を高める上で好ましい。

同様に、経済性の観点から、鋼管Ｐの全ての停止位置ではなく、その一部にノズル２１を限定して配置する場合には、低温となる（具体的には、内面温度が４００℃以下となる）鋼管Ｐの停止位置にノズル２１を配置する（すなわち、ノズル群Ｃのみを配置する）ことが、冷却工程全体の冷却効率を高める上で好ましい。

図３は、ノズル２１と鋼管Ｐの端部との距離と、鋼管Ｐの内面のエアー流量との関係を実験して調査した結果を示す図である。図３（ａ）は、実験の説明図を、図３（ｂ）はノズル２１と鋼管Ｐの端部との距離と、鋼管Ｐの内面のエアー流量との関係を示すグラフである。図３（ｂ）の横軸は、ノズル２１と鋼管Ｐの端部との距離Ｌと、ノズルの内径Ｄ_０との比を、縦軸は、鋼管Ｐの内面のエアー流量と、鋼管Ｐの内面の最大のエアー流量との比を示す。
本実験においては、内径５４．６ｍｍの鋼管Ｐと、内径Ｄ_０が１１．９８ｍｍ、９．７８ｍｍ、５．３５ｍｍの３種類のノズル２１とを用い、各ノズル２１と鋼管Ｐの端部（ノズル２１に対向する側の端部）との距離を変化させた。鋼管Ｐの内面のエアー流量は、鋼管Ｐの端部（ノズル２１に対向する側と反対側の端部）に配置した流量計を用いて測定した。

図３に示すように、いずれのノズル２１についても、Ｌ／Ｄ_０が１．０〜８．０の範囲で、鋼管Ｐの内面のエアー流量が最大エアー流量の９７％以上となり、１．５〜２．０の範囲で、鋼管Ｐの内面のエアー流量が最大となることが分かった。従って、鋼管Ｐの内面の冷却効率をより一層高める観点から、ノズル２１は、対向する鋼管Ｐの端部からの距離Ｌがノズル２１の内径Ｄ_０の１．０〜８．０倍となる位置に配置することが好ましく、１．５〜２．０倍となる位置に配置することがより好ましい。

Claims

マルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程に用いられる空冷設備であって、
鋼管を長手方向に略直交する方向に間欠搬送する搬送装置と、
前記搬送装置によって間欠搬送される鋼管の停止位置において、鋼管の端部に対して該鋼管の長手方向に沿って対向配置され、該鋼管の内面に向けてエアーを噴射するノズルを具備する空冷装置とを備え、
前記ノズルは、内面温度が４００℃以下となる鋼管の停止位置（低温停止位置）と、内面温度が４００℃を超える鋼管の停止位置（高温停止位置）とに配置され、
前記低温停止位置に配置されたノズルから噴射するエアーの流量が、前記高温停止位置に配置されたノズルから噴射するエアーの流量よりも大きいことを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程用空冷設備。
前記ノズルは、円筒形のノズルであり、対向する鋼管の端部からの距離が該ノズルの内径の１．０〜８．０倍となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼管の熱処理工程用空冷設備。