JP5394926B2 - 径方向−軸方向−リング圧延装置で継目なく製造されたリングの熱機械的処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文による径方向−軸方向−リング圧延装置で継目なく製造されたリングを熱機械的処理する方法、およびこの方法を実施するための熱間成形された高温のリングを冷却する装置に関する。

径方向−軸方向−リング圧延装置で継目無リングを製造するとき、通常、リングブランクを９００〜１２００℃の温度でリング圧延装置に装入し、好ましくは０．２〜１０ｍの外径に圧延する。圧延後、リングは通常、中間保管され、そのときたいてい室温に冷却される。その後の熱処理で、リングを再度オーステナイト化温度まで加熱し、微細粒の一様な組織を作り出すためにそこから冷却することが必要である。追加の熱処理には、高い費用が伴い、相当なエネルギーが必要である。

特許文献１には、熱機械的処理された鋼製圧延素材を製造する方法および装置が記載されており、ここで、圧延素材の成形は室温乃至９３０℃で実施され、材料特性を改善するために、その後の冷却装置で水、空気、又は水／空気混合物のような冷却媒体を用いた圧延素材の急冷が行われる。この方法は、平面状および長尺の製品並びに線材の製造しか意図していない。本特許には詳細な冷却方法は記載されていない。

韓国の文献である特許文献２には、更に、炉内で圧延されたリングを後で加熱し、浸漬浴でリングを冷却するリングの圧延方法が開示されており、ここで、リングの直径は４，５００〜９，３００ｍｍ、高さは３００〜２８０ｍｍでなければならない。ここでも、最終的な浸漬冷却の前に再度リングを加熱することが記載されているが、これはエネルギーを消費する。

特許文献３には、熱間成形した後で調質することによってばね特性が改善された継目無リングの製造方法が記載されている。このようなばね鋼は、非常に特殊な特性を有していなければならず、ある一定の多段階処理が施される。これは比較的複雑なプロセスである。

特許文献４には、更に、成形熱から直接、急冷して鋼を熱処理する方法が記載されており、ここでも、熱間成形された素材をまず８８０〜９５０℃の成形最終温度から毎秒５０℃〜２５℃の冷却速度で、Ａ１点より４０℃〜１０℃高い、即ち、約７１０℃〜７４０℃の温度に冷却する２段階冷却が行われる。その後、この温度に１〜２０分間維持されなければならない。続いて、マルテンサイト点未満まで、即ち、約３２０℃の温度未満まで急冷される。

欧州特許第４１３ １６３ Ｂ１号明細書 韓国特許第１００５６６１１１８ Ｂ１号明細書 独国特許出願公開第３３ １４ ８４７ Ａ１号明細書 独国特許第１ ９６４ ７９５ Ｂ号明細書

本発明の課題は、特に、微細粒の一様な組織を有する継目なく圧延されたリングを製造するときの費用およびエネルギー消費を減少させることである。

本発明による方法は、高温のリングを圧延後すぐに、中間加熱を行うことなく、好ましくは浸漬槽又は充填されていない冷却容器内で短時間、オーステナイト領域の変態温度よりかろうじて高い温度から、制御して所定の温度に冷却することを意図している。ここでは、追加の熱処理を行わず、組織変態のために圧延の熱を利用して、プロセス工程数の減少と、通常の熱処理に必要なエネルギーの相当量の節約が達成される。またこの追加の熱処理を行うことなく、ある一定の冷却パラメータを維持し、正確な所定の浸漬時間又は冷却時間を維持して、冷却又は焼入れ後に十分に一様な微細粒の組織が得られることが明らかになった。この正確なパラメータを維持することができるように、本発明によれば、リングの温度を冷却前および／又は冷却後に、好ましくは浸漬浴又は冷却容器の直前に放射高温計で測定し、浸漬時間又は冷却時間を、好ましくは、浸漬又は冷却の前に測定されたリングと冷却液の温度に応じて調整する。浸漬又は冷却プロセスの前のリングの温度を監視することによって、特に、リングが変態温度未満の低過ぎる温度まで浸漬又は冷却されることを防止することもできる。変態温度未満の低過ぎる温度となった場合、リングはまず再び必要な温度に加熱される。

浸漬槽又は冷却容器内でリングの十分に急速な冷却又は焼入れを達成するために、本発明によれば、更に、リングに、リングの周囲に沿って一様に分布したノズルで高圧の冷却液、好ましくは水を噴射することが提案される。そのとき、噴射される加圧冷却液の場所および／又は量を正確に調整することができるが、それは圧延されたリングの個々の寸法（直径、肉厚、および断面形状）に依存する。必要に応じて、複数の浸漬又は冷却プロセスを連続的に実施することもでき、ここで、浸漬又は冷却プロセス中に冷却されるリングを回転および上下させることによって動かすこともできる。

熱間成形された高温のリングを冷却する装置は、冷却液で充填された浸漬槽又は充填されていない冷却容器、昇降装置で下降可能なキャリヤ、および、本発明によりリングの環状の表面の少なくとも１つに冷却液を的確に噴射するために浸漬槽又は冷却容器内に１つ又は複数のリング配管に一様に分布した圧力ノズルからなる。例えば、スワールノズル（Ｄｒａｌｌｄｕｅｓｅｎ）として設計された圧力ノズルで、リングの表面の非常に意図的に冷却を達成することができ、その結果、微細粒のオーステナイト組織は後の部品機能ゾーンに所望される変態組織に変化する。冷却液の衝突速度が高いため、特に冷却液が水である場合、冷却の開始時にライデンフロスト現象によって形成し、熱伝達を激減させ得る断熱蒸気膜がほとんど完全に破壊される。それによって冷却速度は冷却プロセスの開始時に既に、即ち、まだリング温度が高い時に最大になる。一様に分布した圧力ノズルを有する複数の互いに同心状に配置されたリング配管を浸漬槽又は冷却容器の底部に配置する（ここで、リング配管の直径は本質的に各冷却されるリングの直径に対応する）ことが好都合であることが明らかになった。ここで、各リング配管を別々に制御することができ、その結果、様々な直径、肉厚、および高さを有するリングが的確に冷却される。体積流量も同様に制御でき、衝突速度もそれに対応して調整することができる。膜蒸気の段階が終わり、集中焼入れで（ａｂｓｃｈｒｅｃｋｕｎｇｓｉｎｔｅｎｓｉｖｅｎ）核沸騰段階が開始するまでリングの温度が低下するとすぐに、流量を減少させることができる。対流段階の温度領域では噴流（Ｂｅｄｕｅｓｕｎｇ）によって一方では対流熱伝達を促進することができ、他方では水浴温度に加えてリング表面の温度も均一化する。浸漬又は冷却プロセスのため、圧延されたリングを放射状に延びる枠縁又は格子からなるキャリヤに載せることができる。キャリヤ上にある高温のリングの温度を測定するため、好ましくは冷却液のすぐ上にキャリヤの高さに放射高温計を配置する。浸漬又は冷却槽は特に圧延されたリングの幾何学的形状に対応して円形および／又は環状に構成されていてもよい。

例として添付の図１〜図２を参照して本発明を更に詳細に説明する。

本発明による浸漬槽２の上面図である。 本発明による装置の配置を図示する図１の浸漬槽２の垂直断面図である。

１ リング
２ 浸漬槽
３ リング１のためのクレーン
４ キャリヤ５およびリング１のための昇降装置
５ リング１のための昇降装置４のキャリヤ
６ 放射温度計
７ 冷却液８のための温度測定器
８ 冷却液
９ 表示装置
１０ 制御装置
１１ 冷却液８を供給するためのリング配管
１２ リング配管１１への供給配管
１３ リング配管１１の圧力ノズル

図示されていない径方向−軸方向−リング圧延装置で製造された高温のリング１を、クレーン３を用いて昇降装置４のキャリヤ５に載せる。この載置位置で、キャリヤ５は浸漬槽２の冷却液８の表面のすぐ上にある。放射高温計６を用いて高温のリング１の温度を測定し、温度測定器７を用いて冷却液８の温度を測定した後、制御装置１０でリングの幾何学的形状と達成される変態温度とともにアルゴリズムにより予定浸漬時間を算出する。キャリヤ５に載せられる高温のリング１は、その後すぐ昇降装置４を用いて浸漬槽２に浸漬され、計算された予定浸漬時間に達するまで浸漬槽２内に維持される。その後、リング１を再び浸漬槽２から引き上げ、放射高温計６でリングの温度を再度測定する。必要に応じて、浸漬プロセスを繰り返すことができる。特に、合金含有量が比較的高く、従って熱伝導性が比較的不良であり、従って比較的変態が起こり難い鋼種からなるリング１の場合には、それが必要な可能性がある。そのとき、リング１の縁部と芯部の間の温度勾配が、リング芯部から移動する熱によって減少するように、各引き上げ後にリング１を浸漬槽２の外側に保持することが有効であることが分かった。そのとき、特に、表面温度を連続的に測定することができ、所定の最高温度に達した時、浸漬プロセスを繰り返す。この繰り返し操作法で、リング１の縁部領域と芯部との組織変態のときの時間的差、従って縁部と芯部の組織の違いが減少する。更に、それによって内部応力による亀裂の危険性がほとんど完全に回避される。

焼入れプロセスを改善するために、浸漬槽２の底部には、圧力ノズル１３が周囲に一様に分布した多数のリング配管１１が互いに同心状に配置されている。この圧力ノズル１３を用いて、浸漬プロセスの開始時に、できるだけ高い圧力でリング１の環状の表面に冷却液８を的確に噴射する。

特に、冷却液が水である場合、これによって冷却プロセスを加速することができるが、その理由は、リングの表面に、ある一定の断熱作用を生じさせる可能性があり、抜熱量を著しく減少させることに繋がる、いわゆる「ライデンフロスト効果」が起こらないからである。個々のリング配管１１は、それぞれ、それ自体の供給配管１２および遮断弁で、図示されていない外部のポンプ装置と連結している。それによって、載せられたリング１とほぼ同じ直径を有し、対応する圧力ノズル１３を有する各リング配管１１だけ噴射することが可能である。圧力ノズルはそれぞれ、各リング配管１１上に、一方ではリングの下面に、他方では少なくともリングの垂直な内面と外面の両方に冷却液を噴射するように配置されている。

図２には、更に表示装置９が図示されており、これは、一方では放射高温計６で測定されるリング１の温度、および他方では制御装置１０で設定された浸漬時間（単位：秒）を示す。更に、表示装置９は、それ自体既知の信号設備を有し、これは、緑のときには設備操作者に浸漬プロセスを開始する許可を与え、又は、赤のときには浸漬プロセスを禁止する（例えば、リングの温度が既に低すぎるか若しくは設備に故障があるため）。黄色の信号は操作者に設備の運転準備が整っていることを示す。

Claims (13)

1. 径方向−軸方向−リング圧延装置で継目なく製造された鋼製のリングの熱機械的処理方法であって、リングブランクが９００〜１１５０℃の温度でリング圧延装置に装入され、熱間成形法で０．２〜１０ｍの範囲内の外径に圧延される方法において、高温のリング（１）を圧延後すぐに、中間加熱を行うことなく短時間でオーステナイト領域の変態温度より高い温度から制御して４００℃未満の温度に水中浸漬プロセスによって冷却し、その浸漬プロセスの開始時に、浸漬槽（２）内で、前記リング（１）の周囲に沿って一様に分布したノズル（１３）で高圧の冷却水（８）をリング（１）に噴射してライデンフロスト効果を防止することを特徴とする方法。
2. 前記リング（１）をその後、空気中で周囲温度に冷却することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記冷却前および／又は前記冷却後に前記リング（１）の温度を放射高温計（６）で測定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 浸漬プロセス前に測定された前記リング（１）および冷却水（８）の温度に応じて冷却時間を調整することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 加圧下に噴射される冷却水（８）を場所および／又は量について調整することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 複数の浸漬プロセスを相前後して実施することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 浸漬プロセス中に前記冷却されるリング（１）を、垂直中心軸を中心に回転させておよび／又は振動させて上下に動かすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 浸漬槽（２）、および昇降装置（４）で下降可能であり、圧延されたリング（１）が載せられるキャリヤ（５）からなる、請求項１〜７に記載の方法を実施するための熱間成形された高温のリング（１）を冷却する装置において、前記リング（１）の環状の表面の少なくとも１つに前記冷却水（８）を的確に噴射するため、前記浸漬槽（２）内に１つ又は複数のリング配管（１１）に一様に分布した圧力ノズル（１３）が配置されていることを特徴とする装置。
9. 前記浸漬槽（２）が円形および／又は環状に構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 浸漬プロセスの直前に前記キャリヤ（５）上にあるリング（１）の温度を測定するために、放射高温計が存在することを特徴とする、請求項８に記載の装置。
11. 前記キャリヤ（５）が放射状に延びる枠縁又は格子からなることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
12. 前記浸漬槽（２）の底部に複数の互いに同心状に配置されたリング配管（１１）が配置されており、その直径が各冷却されるリング（１）の直径に対応することを特徴とする、請求項８に記載の装置。
13. 前記冷却されるリング（１）のリング表面の少なくとも２つに同時に噴射されるように、前記圧力ノズル（１３）が前記リング配管（１１）に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。

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