JP4455274B2 - 薄肉鋼管の熱処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、長尺薄肉鋼管の熱処理方法であって、真円度に優れた長尺薄肉鋼管を得るための熱処理方法に関する。
一般に、鋼管の製造工程においては、所定の外径および肉厚に冷間加工した後、硬さ調整および残留歪除去を目的に熱処理を行うことが多く、この場合、工場のレイアウト上の制約やスペース効率の観点から、加熱炉抽出後に鋼管の外表面上側から冷却水を噴射する冷却が行われるが、不均一な冷却がなされると、冷間加工により蓄積し、焼鈍により開放された歪みが鋼管の断面変形を発生させ、鋼管の真円度を悪化させる。特に鋼管の外径と肉厚の比(以下「D/T」と呼ぶ。)が大きい場合、その断面変形が大きくなり真円度が極度に悪化するという問題がある。このため、鋼管の熱処理のための水冷処理においては、鋼管の外表面および内表面に冷却水を噴射する冷却装置により周方向で均一な冷却を行う方法や矯正装置を用いる方法が適用されている。
下記の特開昭51−103011号公報には、鋼管の外表面円周方向に配置された複数の冷却ノズルと加熱装置の中間位置に鋼管の曲がりを検出する検出機構を設け、その複数の冷却ノズルを、鋼管の曲がりに応じた移動制御を行って、常に鋼管の軸方向において円周上の各位置で均一かつ同時に冷却する方法が示されている。また特開昭61−106723号公報には、鋼管の外周下面を支持具で支承すると共に、鋼管の内周上面を支持具で支承した状態で熱処理する方法が示されている。また特開昭62−161918号公報には、本来の熱処理を行う前に鋼管を回転させながら加熱し自重による矯正および冷却を行って、真円度を改善した後に、焼き戻し処理や溶体化処理等の本来の熱処理を行う方法が示されている。
特開昭51−103011号公報 特開昭61−106723号公報 特開昭62−161918号公報
しかしながら、上記特許文献1乃至3に記載の熱処理方法では、設備や工程が複雑化し、処理時間も長くなり、また一度に多くの鋼管を処理することが困難となってコスト高になるという問題があった。
本発明は上記課題を達成するためになされたものであり、種々検討の結果、鋼管表面の冷却開始前の温度、冷却速度、鋼管表面の冷却速度の不均一性に着眼してなされた鋼管の真円度を悪化させない、硬さ調整および残留歪除去のための薄肉鋼管の熱処理方法を提供することである。
上記課題を達成するための第1の発明は、冷間加工で得られた外径と肉厚との比が10以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、冷却水による冷却工程を設け、その水冷開始後から10秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を15℃/秒以下とすることを特徴とする長尺薄肉鋼管の熱処理方法である。
第2の発明は、冷間加工で得られた外径と肉厚との比が10以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、冷却水による冷却工程を設け、その水冷開始後から10秒間の該長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を10℃/秒以下とすることを特徴とする長尺薄肉鋼管の熱処理方法である。
また、上記第1の発明の水冷開始後から10秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を15℃/秒以下とする要件と、第2の発明の冷却開始後から10秒間の該長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を10℃/秒以下とする要件の双方を満足させて、熱処理後の真円度をより良くした長尺薄肉鋼管を得ることができる。
第3の発明は、第1または第2の発明において前記加熱処理後の長尺薄肉鋼管の表面温度であって、前記冷却水による冷却直前の表面温度が300乃至400℃であることを特徴とする請求項1または2に記載の長尺薄肉鋼管の熱処理方法である。
また、上記第1乃至第3の発明のすべての冷却要件を満足させて、熱処理後の真円度がさらに優れた長尺薄肉鋼管を得ることができる。
本発明は、設備が単純で設備費の上昇を招くことがなく、製造工程が短くてスペース効率がよく、一度に大量の熱処理が可能で経済性に優れた真円度の高い長尺薄肉鋼管を得ることのできる熱処理方法を提供するものである。特にD/Tの大きい薄肉鋼管ではその効果が顕著であり、真円度の高い長尺薄肉鋼管を得ることが可能となる。
図1は本発明の実施の形態に係る熱処理工程の説明図である。以下図1に基づいて説明する。
図1において、10は冷間加工された鋼管、20は搬送ロール、30は加熱炉、40は冷却装置である。鋼管10は搬送ロール20の右端部の全幅一杯に搬送方向に平行に整列して載置され、加熱炉30内に搬送される。
加熱炉30内で鋼管10は焼鈍に必要な温度まで加熱され所定時間維持される。そして加熱炉30を通過した後、冷却床の長さを短縮するために、冷却装置40によって鋼管表面から冷却水を噴射して冷却を行う。
冷却装置40と加熱炉30との間には所定の間隔を設けて、鋼管の表面温度を、焼鈍温度より低温となってから冷却水を噴射する。加熱炉30を通過直後の鋼管表面の温度は一般的には700℃程度であるため、この温度からただちに冷却装置40により冷却水を噴射すると、鋼管の平均冷却速度および鋼管の上下面における冷却速度の差が大きく、鋼管の断面変形が大きくなって真円度の悪化につながる。冷却装置40の冷却水圧が大きい場合にも、鋼管の平均冷却速度および鋼管の上下面における平均冷却速度の差が大きくなり、真円度の悪化につながる。
冷却装置40における水冷開始後から10秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を15℃/秒以下とすることで、薄肉鋼管の真円度の悪化を防止し真円度の良好は薄肉鋼管を得ることができる。
また、冷却装置40における冷却開始後から10秒間の長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を10℃/秒以下とすることにより長尺薄肉鋼管の真円度の悪化を防止することができる。
さらに、冷却装置40加熱ゾーンより約5m以上離れた位置に設けることにより、鋼管の表面温度300〜400℃まで低下させ冷却装置40における却水による冷却直前の表面温度を300乃至400℃とした後、水冷開始後から10秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を15℃/秒以下とすることにより一層真円度の悪化を防止することができる。
また、冷却装置40における冷却水による冷却直前の表面温度を300乃至400℃とし、冷却開始後から10秒間の該長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を10℃/秒以下とすれば、上記と同様に一層真円度の悪化を防止することができる。
しかし、鋼管表面温度を300℃よりさらに低下させてから冷却をしてもそれ以上の真円度の悪化を防止することはできず、冷却装置40による水冷開始までの冷却床の長さを長くする必要が生じ、工場のスペース上の制約のある場合には実施不能であり、スペース効率が低下し、設備費用の増加を招くことにもなる。
一方、水冷を行わず空冷のみにすると、搬送ロール20に接触している部分の、冷却速度が他の部分に比較して高く、偏熱が生じ断面変形を生じる恐れがある。
なお、冷却水を噴射する前に鋼管表面の温度を300乃至400℃に空冷した上で、冷却装置40による冷却開始後10秒間の鋼管表面の平均冷却速度を15℃/秒以下とし、かつ鋼管上下面での平均冷却速度の差を10℃/秒以下とすることで冷却中の鋼管断面の変形が抑制され、真円度のさらに一層の悪化を防止できる。
本実施の形態においては、冷却水の噴射の方向を上下方向としたが、冷却水の噴射の方向は上下方向に限定されるものではなく、上下方向としなくても、冷却開始後10秒間の鋼管表面の平均冷却速度を15℃/秒以下とするか、鋼管上下面の平均冷却速度の最大値と最小値の差が10℃/秒以下となるようにすればよい。
温度差を小さくするには、鋼管の表面温度を300〜400℃に下げてから、上下の両方から、冷却水の量と噴射圧を制御して噴射するのが有効である。
また、本実施の形態においては、冷却中の鋼管の断面変形が抑制され真円度の悪化が防止できると同時に、鋼管の真直度も向上して熱処理後に行う矯正による負荷が低減することによって残留応力も低減し、その結果矯正後の真円度も向上するという効果も期待することができる。
なお、真円度が悪化する原因は高温からの急速冷却に従って鋼管断面内で大きな偏熱による熱応力が発生し、この熱応力によって断面変形が生じるためであることがCAE解析によって判明した。
なお、上記の長尺薄肉鋼管はこれをリング状に切断して旋盤等によりベアリングレース等に加工して使用されることと、リング状に加工する際に、切断加工時の残留応力の変化による真円度の悪化が生じる場合があることを考慮して、真円度の測定は切断してリング状とした切断リングを測定対象とするのが好ましい。
本実施例は図1に示す熱処理工程において、加熱炉30は全長50m、幅2mの大型大気炉とし、冷却装置40は冷却水を噴射する水冷方式とし、熱処理は720℃で1.3Hr加熱し、加熱炉30の実加熱ゾーンから冷却装置40までの冷却床の長さを10mとした。
表1は、鋼種、鋼管寸法、水冷却開始直前の鋼管表面の温度、水冷却開始後10秒間の鋼管の上下面の平均冷却速度および平均冷却温度差をパラメータとして熱処理後の真円度を一覧表に表示したものである。
表1において、実施例1は、外径52.7mm、肉厚3.15mm、D/T(外径/肉厚)16.7、長さ6.0mの軸受鋼SUJ2を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度を310℃、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度をそれぞれ10.9℃/秒、5.9℃/秒、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差5.0℃/秒として冷却したものであり真円度の最大値(n=100)が47μmと良好であり検査合格である。
実施例2、3は実施例1と同一の鋼種、同一の寸法の鋼管を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度をそれぞれ355℃、390℃、水冷却開始後10秒間の鋼管上面の平均冷却温度をそれぞれ12.6℃/秒、14.2℃/秒、水冷却開始後10秒間の鋼管下面の平均冷却温度をそれぞれ6.2℃/秒、7.5℃/秒、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差がそれぞれ6.4℃/秒、6.7℃/秒として、実施例1に対して冷却条件を若干厳しくしているが、真円度の最大値がそれぞれ53μm、59μmと良好でありいずれも検査合格である。
実施例4は、実施例1乃至と同一の鋼種、同一の寸法の鋼管について、水冷却開始直前の鋼管表面の温度、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差を実施例1乃至の条件より厳しくして冷却しているが、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差が7.3℃/秒で10℃/秒を切っており真円度の最大値が64μmで検査合格である。
実施例5は、外径80.75mm、肉厚5.95mm、D/T(外径/肉厚)13.6であるクロム鋼SCR420を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度を350℃、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度をそれぞれ13.3℃/秒、7.2℃/秒、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差を6.1℃/秒として冷却したものであるが、真円度の最大値が62μmであり検査合格である。鋼種がクロム鋼であっても、所定の冷却条件を満たせば真円度が悪化しないことが判る。
実施例6は、外径62.7mm、肉厚3.95mm、D/T(外径/肉厚)15.9である軸受鋼SUJ2を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度を420℃、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度をそれぞれ14.5℃/秒、4.4℃/秒、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差を10.1℃/秒として冷却したものであるが、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度がいずれも15℃/秒を切っており、真円度の最大値が65μmで検査合格である。
実施例7は、実施例6と同一の鋼種、同一の寸法の鋼管を、水冷却開始直前の鋼管表面の温度を同一の420℃、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度をそれぞれ18.5℃/秒、11.9℃/秒、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差を6.6℃/秒として冷却したものであるが、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差が10℃/秒を切っており真円度の最大値が65μmで検査合格である。
比較例1は実施例1と同一の鋼種、同一寸法の鋼管を水冷却したものである。水冷却開始直前の鋼管表面の温度は400℃以下であるが、水冷却開始後10秒間の鋼管上面の平均冷却温度が15℃/秒超え、水冷却開始後10秒間の鋼管上下面の平均冷却温度の差も10℃/秒を超えており、比較例2はさらに水冷却開始直前の鋼管表面の温度が550℃で、400℃を超えており、真円度の最大値がそれぞれ92μm、110μmで基準値の70μmを超え、検査不合格である。
比較例3、4は実施例と同一鋼種のSUJ2であるが、直径が55.5mm、肉厚が7.2mm、D/Tが7.7の厚肉鋼管を試料とするものであり、この厚肉鋼管に実施例より厳しい冷却条件で冷却したものであるが、厚肉鋼管であるため真円度の最大値は、それぞれ57μm、65μmで、真円度は良好である。
比較例5は実施例5と同一の鋼種、同一の寸法の鋼管を、厳しい冷却条件で冷却したものであるが、真円度の最大値は120μmと悪く、鋼種がクロム鋼SCR420であっても、冷却条件が厳しくなれば真円度が悪化することが判る。
なお、真円度の測定は切断リングを用い、真円度測定装置は英国のテーラホブソン社製のタリロンドを使用した。
Figure 0004455274
本発明の実施の形態に係る熱処理工程の説明図である。
符号の説明
10・・・鋼管
20・・・搬送ロール
30・・・加熱炉
40・・・冷却装置

Claims (3)

  1. 冷間加工で得られた外径と肉厚との比が10以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留歪除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、冷却水による冷却工程を設け、その水冷開始後から10秒間の前記長尺薄肉鋼管表面の平均冷却速度を15℃/秒以下とすることを特徴とする長尺薄肉鋼管の熱処理方法。
  2. 冷間加工で得られた外径と肉厚との比が10以上の長尺薄肉鋼管の硬さ調整および残留除去のための熱処理工程において、加熱処理後所定の温度まで空冷し、冷却水による冷却工程を設け、その水冷開始後から10秒間の該長尺薄肉鋼管の軸に直角な周方向表面の平均冷却速度の最大値と最小値の差を10℃/秒以下とすることを特徴とする長尺薄肉鋼管の熱処理方法。
  3. 前記加熱処理後の長尺薄肉鋼管の表面温度であって、前記冷却水による冷却直前の表面温度が300乃至400℃であることを特徴とする請求項1または2に記載の長尺薄肉鋼管の熱処理方法。
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