JP5472802B2 - 連続式熱処理炉の設計方法及び連続式熱処理炉 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管等の被熱処理材の搬送方向上流側から下流側に向けて、加熱帯、均熱帯及び冷却帯が順に設けられる連続式熱処理炉の設計方法、及びこの設計方法によって設計される連続式熱処理炉に関する。特に、本発明は、均熱帯の構造や冷却帯に設置される冷却装置の構造に応じて不可避的に存在する均熱帯の終了位置と冷却帯の冷却開始位置との間の距離に基づき、加熱能力、均熱能力及び冷却能力が適正で、安定した品質の被熱処理材が得られる連続式熱処理炉を設計することが可能な設計方法、及びこの設計方法によって設計される連続式熱処理炉に関する。

各種の製造方法で製造された鋼管には、規格や客先の要求に応じてその品質を調整するために、熱処理が施される。鋼管の熱処理を行うための熱処理炉としては、バッチ式や連続式の熱処理炉が知られているが、オンライン化に適すると共に熱処理能力が高いという点で、連続式熱処理炉が多用されている。

連続式熱処理炉は、一般的に、被熱処理材の搬送方向上流側から下流側に向けて、加熱帯と均熱帯とに分割されている。各帯では、被熱処理材の品質規格や寸法等に応じて設定温度が決定され、被熱処理材の全長に亘って熱処理が施される。

一般的に、鋼管の連続式熱処理炉では、１０００℃を超える熱処理温度（均熱温度）が要求されるため、連続式熱処理炉における鋼管の搬送速度は、極めて遅く、数百ｍｍ／ｍｉｎ〜数ｍ／ｍｉｎであることが多い。

一方、連続式熱処理炉において、均熱帯の下流側に冷却帯が設けられ、この冷却帯で鋼管が水冷される場合がある。しかしながら、均熱帯に近接して冷却装置（水冷装置）を設置することは、均熱帯や冷却装置の外形や寸法に制約があるため、極めて困難である（例えば、冷却装置を均熱帯に近接して設置しようとしても、それぞれを構成する炉壁・外壁や断熱材が互いに干渉したり、冷却装置が被熱処理材を搬送するための搬送ロール等の付帯設備と干渉してしまう等）。また、冷却装置が具備する水冷ノズルを均熱帯側に向けると、水冷ノズルから噴出した冷却水が均熱帯に浸水するおそれがある。このため、水冷ノズルは、鋼管の搬送方向下流側に傾斜させて設置される。

上記のような均熱帯や冷却装置の構造（均熱帯や冷却装置の外形・寸法や、下流側に傾斜した水冷ノズルなど）に起因して、均熱帯の終了位置と冷却帯の冷却開始位置との間の距離をゼロにすることは困難である。このため、均熱帯から搬出された鋼管は、均熱帯の終了位置と冷却帯の冷却開始位置との間で、空冷（放冷）により抜熱され、順次温度が低下することになる。前述のように、連続式熱処理炉における鋼管の搬送速度は極めて遅いため、空冷（放冷）による抜熱量が多くなり、冷却帯での冷却開始時に必要とされる鋼管の冷却開始温度の下限値未満となるおそれがある。

冷却開始時における鋼管の温度が上記の冷却開始温度下限値未満となった場合、適正な品質の鋼管が得られないという問題がある。また、２相系ステンレス鋼等の特定の材質の鋼管については、冷却帯における水冷過程で、割れを生じる起点となる異常組織が生成するという問題もある。

鋼管等の被熱処理材の加熱、均熱、冷却に関する先行技術として、例えば、特許文献１〜７に記載の技術が提案されている。しかしながら、いずれの技術も、上記のように、均熱終了後から冷却開始までの間における被熱処理材の空冷・抜熱に伴って生じ得る被熱処理材の品質低下の問題を解決するものではない。

特開平４−１３６１２８号公報 特開昭６１−２１７５３０号公報 特開昭６３−１１８００８号公報 特開昭６３−１３４６３３号公報 特開２００７−９８４１４号公報 特開昭６１−２５２４８３号公報 特開昭６２−１９２５３５号公報

本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、均熱帯の構造や冷却帯に設置される冷却装置の構造に応じて不可避的に存在する均熱帯の終了位置と冷却帯の冷却開始位置との間の距離に基づき、加熱能力、均熱能力及び冷却能力が適正で、安定した品質の被熱処理材が得られる連続式熱処理炉を設計することが可能な設計方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、被熱処理材の搬送方向上流側から下流側に向けて
、加熱帯、均熱帯及び冷却帯が順に設けられる連続式熱処理炉の設計方法であって、以下
の第１〜第４ステップを含むことを特徴とする。
（１）第１ステップ
前記均熱帯の構造及び前記冷却帯に設置される冷却装置の構造に応じて、前記均熱帯の
終了位置と前記冷却帯の冷却開始位置との間の距離Ｌ（ｍｍ）を決定する。
（２）第２ステップ
前記均熱帯における均熱温度Ｔ１（℃）から前記冷却帯での冷却開始時に必要とされる被熱処理材の冷却開始温度の下限値Ｔ２（℃）を引いた温度差ΔＴ１（℃）と、前記均熱帯の終了位置と前記冷却帯の冷却開始位置との間における被熱処理材の温度低下定数ΔＴａ（℃／ｓｅｃ）と、前記距離Ｌ（ｍｍ）とに基づき、下記の式（１）を満足する被熱処理材の搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）を決定する。
Ｖ≧Ｌ×ΔＴａ／ΔＴ１ ・・・（１）
（３）第３ステップ
前記搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）と、前記均熱帯における均熱時間ｔ（ｓｅｃ）とに基
づき、下記の式（２）を満足する前記均熱帯の長さＬｈ１（ｍｍ）を決定する。
Ｌｈ１≧Ｖ×ｔ ・・・（２）
（４）第４ステップ
前記加熱帯において被熱処理材を前記均熱温度Ｔ１（℃）まで昇温するのに必要な昇温
量ΔＴ２（℃）と、前記加熱帯における被熱処理材の昇温定数ΔＴｂ（℃／ｓｅｃ）と、
前記搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）とに基づき、下記の式（３）を満足する前記加熱帯の長
さＬｈ２（ｍｍ）を決定する。
Ｌｈ２≧（ΔＴ２／ΔＴｂ）×Ｖ ・・・（３）

なお、本発明において、「温度低下定数」とは、単位時間当たりの温度低下量を意味する。「昇温定数」とは、単位時間当たりの昇温量を意味する。「均熱帯の長さ」とは、被熱処理材の搬送方向についての均熱帯の寸法を意味する。「加熱帯の長さ」とは、被熱処理材の搬送方向についての加熱帯の寸法を意味する。

また、本発明は、上記の設計方法によって設計されることを特徴とする連続式熱処理炉としても提供される。

本発明によれば、加熱能力、均熱能力及び冷却能力が適正で、安定した品質の被熱処理材が得られる連続式熱処理炉を設計することが可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る設計方法を示す説明図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る設計方法によって設計された連続式加熱炉の一例を示す模式図である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について、設計する連続式熱処理炉がいわゆるバレル炉（加熱帯及び均熱帯がそれぞれ複数のバレルの集合体で構成される）であり、被熱処理材がステンレス鋼管や高合金鋼管である場合を例に挙げて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る設計方法を示す説明図である。図１（ａ）は、連続式熱処理炉の概略構成を部分的に示す模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す連続式熱処理炉で熱処理を施される被熱処理材の温度変化を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係る設計方法は、被熱処理材Ｍの搬送方向（図１（ａ）に示す白抜き矢符の方向）上流側から下流側に向けて、加熱帯（図示せず）、均熱帯及び冷却帯が順に設けられる連続式熱処理炉の設計方法であり、以下に述べる第１〜第４ステップを含むことを特徴とする。

（１）第１ステップ
本ステップでは、均熱帯の構造及び冷却帯に設置される冷却装置１の構造（均熱帯や冷却装置１の外形・寸法や、下流側に傾斜した水冷ノズル１０など）に応じて、均熱帯の終了位置Ｅと冷却帯の冷却開始位置Ｓとの間の距離Ｌ（ｍｍ）を決定する。
図１に示す例では、均熱帯及び冷却装置１を構成する炉壁・外壁や断熱材が互いに干渉したり、冷却装置１が被熱処理材Ｍを搬送するための搬送ロールＲと干渉することを避けるために、均熱帯及び冷却装置１の外形・寸法に応じて、均熱帯の終了位置Ｅと冷却装置１の端面との間に４２０ｍｍの隙間を設けている。また、水冷ノズル１０の傾斜角度に応じて、冷却装置１の端面と冷却開始位置Ｓとの間の距離が２４０ｍｍとなる。従って、均熱帯の終了位置Ｅと冷却帯の冷却開始位置Ｓとの間の距離Ｌ＝４２０＋２４０＝６６０（ｍｍ）と決定される。

（２）第２ステップ
本ステップでは、まず、被熱処理材Ｍの品質規格や寸法等に応じて、均熱帯における均
熱温度Ｔ１（℃）と、冷却帯での冷却開始時に必要とされる被熱処理材Ｍの冷却開始温度
の下限値Ｔ２（℃）とが決定される。
図１に示す例では、Ｔ１＝１１１０（℃）、Ｔ２＝１０００（℃）と決定されている。
従って、均熱温度Ｔ１（℃）から冷却開始温度下限値Ｔ２（℃）を引いた温度差ΔＴ１（℃）は、
ΔＴ１＝Ｔ１−Ｔ２＝１１１０−１０００＝１１０（℃）となる。

また、本ステップでは、均熱帯の終了位置Ｅと冷却帯の冷却開始位置Ｓとの間における被熱処理材Ｍの温度低下定数ΔＴａ（℃／ｓｅｃ）が、実験により又は数値シミュレーションによって算出される。均熱帯の終了位置Ｅと冷却帯の冷却開始位置Ｓとの間においては自然放冷が行われ、被熱処理材Ｍが外径１７５ｍｍで肉厚７ｍｍのステンレス鋼管や高合金鋼管であるとすれば、例えば、温度低下定数ΔＴａ＝２．５（℃／ｓｅｃ）となる。

ここで、被熱処理材Ｍの搬送速度をＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とすると、第１ステップで決定した距離Ｌ（ｍｍ）だけ被熱処理材Ｍが搬送されるのに要する時間は、Ｌ／Ｖ（ｓｅｃ）となる。
従って、被熱処理材Ｍが距離Ｌ（ｍｍ）だけ搬送される間の温度低下量は、（Ｌ／Ｖ）×ΔＴａ（℃）となる。
この温度低下量（Ｌ／Ｖ）×ΔＴａ（℃）が前述した温度差ΔＴ１（℃）以下にならなければ、冷却開始時における被熱処理材Ｍの温度は、冷却開始時に必要とされる被熱処理材Ｍの冷却開始温度下限値Ｔ２（℃）未満となってしまう。
つまり、下記の式（１）’を満足する必要がある。
ΔＴ１≧（Ｌ／Ｖ）×ΔＴａ ・・・（１）’
この式（１）’を変形すると、下記の式（１）が成立する。
Ｖ≧Ｌ×ΔＴａ／ΔＴ１ ・・・（１）

そこで、本ステップでは、冷却開始時における被熱処理材Ｍの温度が、冷却開始時に必要とされる被熱処理材Ｍの冷却開始温度下限値Ｔ２（℃）以上となるように、温度差ΔＴ１（℃）と、温度低下定数ΔＴａ（℃／ｓｅｃ）と、距離Ｌ（ｍｍ）とに基づき、上記の式（１）を満足する被熱処理材Ｍの搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）を決定する。
図１に示す例では、Ｌ＝６６０（ｍｍ）、ΔＴａ＝２．５（℃／ｓｅｃ）、ΔＴ１＝１１０（℃）であるため、
Ｖ≧６６０×２．５／１１０＝１５（ｍｍ／ｓｅｃ）となる。
被熱処理材Ｍの搬送速度Ｖとしては、できるだけ遅い方が、均熱時間を長く確保できる点で有利であるため、本実施形態では、Ｖ＝１５（ｍｍ／ｓｅｃ）と決定する。

（３）第３ステップ
前述のように、被熱処理材Ｍの搬送速度はＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、被熱処理材Ｍの品質規格や寸法等に応じて決定される均熱帯における均熱時間をｔ（ｓｅｃ）とすると、この時間に被熱処理材Ｍが搬送される距離は、Ｖ×ｔ（ｍｍ）となる。
均熱帯の長さは、上記の搬送距離Ｖ×ｔ（ｍｍ）以上となる必要がある。

そこで、本ステップでは、搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）と、均熱時間ｔ（ｓｅｃ）とに基づき、下記の式（２）を満足する均熱帯の長さＬｈ１（ｍｍ）を決定する。
Ｌｈ１≧Ｖ×ｔ ・・・（２）
均熱時間ｔ＝２４０（ｓｅｃ）とすると、前述のように搬送速度Ｖ＝１５（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、
Ｌｈ１≧１５×２４０＝３６００（ｍｍ）となる。

ここで、基準バレル寸法（１バレルの長さ）Ｌｂ＝１２５０（ｍｍ）とすると、
Ｌｈ１／Ｌｂ≧３６００／１２５０＝２．８８となる。
従って、均熱帯は、３つ以上のバレルから構成する必要がある。

（４）第４ステップ
本ステップでは、まず、加熱帯において被熱処理材Ｍを均熱温度Ｔ１（℃）まで昇温するのに必要な昇温量ΔＴ２（℃）が決定される。
加熱帯入側での被熱処理材Ｍの温度を常温（２０℃）とすると、前述のように均熱温度Ｔ１＝１１１０（℃）であるため、
ΔＴ２＝１１１０−２０＝１０９０（℃）となる。

また、本ステップでは、加熱帯における被熱処理材Ｍの昇温定数ΔＴｂ（℃／ｓｅｃ）が、実験により又は数値シミュレーション（加熱帯の容積、バーナー容量、被熱処理材の条件等をパラメータとする数値シミュレーション）によって算出される。被熱処理材Ｍが外径１７５ｍｍで肉厚７ｍｍのステンレス鋼管や高合金鋼管であるとすれば、例えば、昇温定数ΔＴｂ＝１．９（℃／ｓｅｃ）となる。

ここで、前述した昇温量ΔＴ２（℃）を得るために要する時間は、ΔＴ２／ΔＴｂ（ｓｅｃ）となる。
前述のように、被熱処理材Ｍの搬送速度はＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、上記の時間に被熱処理材Ｍが搬送される距離は、（ΔＴ２／ΔＴｂ）×Ｖ（ｍｍ）となる。
加熱帯の長さは、上記の搬送距離（ΔＴ２／ΔＴｂ）×Ｖ（ｍｍ）以上となる必要がある。

そこで、本ステップでは、昇温量ΔＴ２（℃）と、昇温定数ΔＴｂ（℃／ｓｅｃ）と、
均熱時間ｔ（ｓｅｃ）と、搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）とに基づき、下記の式（３）を満
足する加熱帯の長さＬｈ２（ｍｍ）を決定する。
Ｌｈ２≧（ΔＴ２／ΔＴｂ）×Ｖ ・・・（３）
昇温量ΔＴ２＝１０９０（℃）、昇温定数ΔＴｂ＝１．９（℃／ｓｅｃ）、搬送速度Ｖ
＝１５（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、
Ｌｈ２≧（１０９０／１．９）×１５＝８６０５（ｍｍ）となる。

基準バレル寸法（１バレルの長さ）Ｌｂ＝１２５０（ｍｍ）とすると、
Ｌｈ２／Ｌｂ≧８６０５／１２５０＝６．８８となる。
従って、加熱帯は、７つ以上のバレルから構成する必要がある。

図２は、以上に説明した本実施形態に係る設計方法によって設計された連続式加熱炉１００の一例を示す模式図である。
図２に示す連続式加熱炉１００は、７つのバレルから構成された加熱帯と、３つのバレルから構成された均熱帯とを有し、冷却帯での冷却開始時（冷却開始位置Ｓ）における被熱処理材Ｍの温度が、冷却開始時に必要とされる被熱処理材Ｍの冷却開始温度下限値Ｔ２（℃）以上となる。しかも、被熱処理材Ｍの品質規格や寸法等に応じて決定される均熱温度Ｔ１（℃）や均熱時間ｔ（ｓｅｃ）も満足する。従って、安定した品質の被熱処理材Ｍを得ることが可能である。

なお、いったん設計された（機械的構造が決定された）連続式加熱炉１００において、均熱温度Ｔ１（℃）や、被熱処理材Ｍの冷却開始温度下限値Ｔ２（℃）などの条件が変更された場合には、均熱帯の長さＬｈ１＋加熱帯の長さＬｈ２＝一定（換言すれば、均熱帯及び加熱帯を構成するバレルの総数が一定）の条件の下で、本実施形態に係る設計方法を再び適用することにより、均熱帯の長さＬｈ１と加熱帯の長さＬｈ２とを振り分ける（均熱帯として使用するバレルの数と加熱帯として使用するバレルの数を変更する）ことも可能である。

１・・・冷却装置
１０・・・水冷ノズル
１００・・・連続式加熱炉
Ｂ・・・バレル
Ｒ・・・搬送ロール
Ｍ・・・被熱処理材
Ｅ・・・均熱帯の終了位置
Ｓ・・・冷却帯の冷却開始位置
Ｌ・・・均熱帯の終了位置と冷却帯の冷却開始位置との間の距離
Ｔ１・・・均熱温度
Ｔ２・・・冷却開始温度下限値

Claims (2)

1. 被熱処理材の搬送方向上流側から下流側に向けて、加熱帯、均熱帯及び冷却帯が順に設
   けられる連続式熱処理炉の設計方法であって、
   前記均熱帯の構造及び前記冷却帯に設置される冷却装置の構造に応じて、前記均熱帯の
   終了位置と前記冷却帯の冷却開始位置との間の距離Ｌ（ｍｍ）を決定する第１ステップと
   、
   前記均熱帯における均熱温度Ｔ１（℃）から前記冷却帯での冷却開始時に必要とされる被熱処理材の冷却開始温度の下限値Ｔ２（℃）を引いた温度差ΔＴ１（℃）と、前記均熱帯の終了位置と前記冷却帯の冷却開始位置との間における被熱処理材の温度低下定数ΔＴａ（℃／ｓｅｃ）と、前記距離Ｌ（ｍｍ）とに基づき、下記の式（１）を満足する被熱処理材の搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）を決定する第２ステップと、
   前記搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）と、前記均熱帯における均熱時間ｔ（ｓｅｃ）とに基
   づき、下記の式（２）を満足する前記均熱帯の長さＬｈ１（ｍｍ）を決定する第３ステッ
   プと、
   前記加熱帯において被熱処理材を前記均熱温度Ｔ１（℃）まで昇温するのに必要な昇温
   量ΔＴ２（℃）と、前記加熱帯における被熱処理材の昇温定数ΔＴｂ（℃／ｓｅｃ）と、
   前記搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）とに基づき、下記の式（３）を満足する前記加熱帯の長
   さＬｈ２（ｍｍ）を決定する第４ステップとを含むことを特徴とする連続式熱処理炉の設計方法。
   Ｖ≧Ｌ×ΔＴａ／ΔＴ１ ・・・（１）
   Ｌｈ１≧Ｖ×ｔ ・・・（２）
   Ｌｈ２≧（ΔＴ２／ΔＴｂ）×Ｖ ・・・（３）
2. 請求項１に記載の設計方法によって設計されることを特徴とする連続式熱処理炉。

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