JP6264274B2

JP6264274B2 - 鋼管の焼入れ方法および焼入れ装置

Info

Publication number: JP6264274B2
Application number: JP2014250558A
Authority: JP
Inventors: 雄太田村; 啓之福田; 木島　秀夫; 秀夫木島; 俊輔佐々木; 勝村　龍郎; 龍郎勝村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: JP2016113633A

Description

本発明は、加熱された鋼管を急冷して焼入れを行なう焼入れ方法および焼入れ装置に関するものである。

近年、各種の用途に使用される鋼管（たとえば継目無鋼管、電縫鋼管等）に要求される特性（たとえば強度、靭性等）が厳しさを増しており、良好な品質の鋼管を得るために、製造工程で焼入れが行なわれ、必要に応じて焼戻しも行なわれている。焼入れを行なう際には、鋼管を加熱炉等で加熱した後に急冷（たとえば冷却水槽に浸漬する等）する技術が広く普及している。また、熱間穿孔圧延で製造される継目無鋼管では、その穿孔圧延ラインから排出された高温の鋼管をそのまま急冷して焼入れを行なう技術も開発されている。

いずれの焼入れにおいても、加熱された鋼管を全体にわたって均一に急冷する必要がある。つまり、急冷における冷却速度が不均一になった場合、冷却速度が大きすぎた部位では鋼管の靭性が劣化し、冷却速度が小さすぎた部位では鋼管の強度が低下するので、鋼管の品質にバラツキが生じる。また冷却速度が不均一であれば、特性に関わる問題のみならず、鋼管の曲がり等の形状に関わる問題も発生する。そこで鋼管の焼入れを行なう際に、均一に急冷する技術が検討されている。

たとえば特許文献１には、加熱された鋼管を冷却水槽に浸漬し、さらに鋼管の内部に冷却水を流通させる技術が開示されている。しかしこの技術は、鋼管の内部を流通する冷却水が一方向に（すなわち片方の端面から他方の端面へ）流れるので、図３に示すように、鋼管１の内面上部が冷却水２と接触し難くなり、その結果、品質のバラツキが生じる。また、冷却水槽内で鋼管とノズル（図示せず）の軸芯を一致させる必要があるので、鋼管を把持して冷却水槽内の所定の位置に浸漬させるための機器（たとえばアーム等）を設置せざるを得ず、その結果、設備の構成が複雑になるのは避けられない。

特許文献２には、加熱された鋼管を回転させながら、鋼管の外面に冷却水をスプレーするとともに、鋼管の内部に冷却水を流通させる技術が開示されている。しかしこの技術は、鋼管を水中に浸漬せず、かつ鋼管の内部を流通する冷却水が一方向に流れるので、図４に示すように、鋼管１の内部に冷却水２を充満させることは困難であり、その結果、品質のバラツキが生じる。また、鋼管１とノズル３の軸芯を一致させる必要があるので、鋼管１を所定の位置に保持しつつ回転させるための機器（たとえばピンチロール等）を設置せざるを得ず、その結果、設備の構成が複雑になるのは避けられない。

つまり、鋼管の焼入れを行なう際に、簡便な手段で均一な急冷を行ない、良好かつ均一な品質の鋼管を得る技術は未だ確立されていない。

特許第5071537号公報特許第3624680号公報

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、簡便な手段で、鋼管の長手方向および円周方向に均一な急冷を行ない、良好かつ均一な品質の鋼管を得ることができる焼入れ方法および焼入れ装置を提供することを目的とする。

本発明者は、ノズルから鋼管の内部に冷却水を噴射して、その冷却水を充満させる技術について検討した。そして、冷却水の一部をノズルの方向へ逆流させることによって、冷却水が鋼管の内部で乱流となり、その結果、冷却水が鋼管の内部に充満して、内面全体に接触することが分かった。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、加熱された鋼管の片方の端面との間に空隙を設けて配設されたノズルから鋼管の内部に冷却水を噴射流量Ｖ₁（ｍ³／秒）で噴射し、鋼管の他方の端面との間に空隙を設けて配設された閉塞部材によって冷却水の一部をノズルの方向へ逆流させてノズルと鋼管との空隙から流出させるとともに、閉塞部材と鋼管との空隙から冷却水の残部を流出流量Ｖ₂（ｍ³／秒）で流出させることによってＶ₂＜Ｖ₁とする鋼管の焼入れ方法である。

本発明の焼入れ方法においては、鋼管の管端開口面積Ｓ_Pと閉塞部材の断面積Ｓ_Qから100×Ｓ_Q／Ｓ_Pで算出される閉塞面積率を20％以上とすることが好ましい。また、鋼管が熱間穿孔圧延で製造された継目無鋼管であることが好ましい。

また本発明は、加熱された鋼管の片方の端面との間に空隙を設けて配設されて鋼管の内部に冷却水を噴射するノズルと、鋼管の他方の端面との間に空隙を設けて配設されて冷却水の一部をノズルの方向へ逆流させる閉塞部材と、を有するとともに、ノズルから噴射される冷却水を噴射流量Ｖ₁（ｍ³／秒）と閉塞部材と鋼管との空隙から流出する冷却水の流出流量Ｖ₂（ｍ³／秒）とがＶ₂＜Ｖ₁を満足する鋼管の焼入れ装置である。

本発明の焼入れ装置においては、鋼管の管端開口面積Ｓ_Pと閉塞部材の断面積Ｓ_Qから100×Ｓ_Q／Ｓ_Pで算出される閉塞面積率を20％以上とすることが好ましい。また、鋼管が熱間穿孔圧延で製造された継目無鋼管であることが好ましい。さらに、閉塞部材の先端部を円錐形状とすることが好ましい。

本発明によれば、簡便な手段で、鋼管の長手方向および円周方向に均一な急冷を行ない、良好かつ均一な品質の鋼管を得ることができるので、産業上格段の効果を奏する。

本発明を適用する焼入れ装置の例を模式的に示す断面図である。本発明を適用する焼入れ装置の他の例を模式的に示す断面図である。鋼管の内部を流通する冷却水の従来の例を模式的に示す断面図である。鋼管の内部を流通する冷却水の従来の例を模式的に示す断面図である。鋼管の温度の推移を示すグラフであり、(a)は本発明を適用した例、(b)は従来の例である。

本発明を適用する焼入れ装置は、図１に示すように、加熱された鋼管１の片側に冷却水２を噴射するためのノズル３を有する。そして、鋼管１のノズル３側の端面５（以下、ノズル側端面という）とノズル３との間に空隙を設ける。なお図１には、ノズル３の先端がノズル側端面５の外側に位置する例を示すが、ノズル３の先端を鋼管１内部に挿入しても良い。

鋼管１の他方の端部には閉塞部材４を配設する。閉塞部材４は、ノズル３から噴射された冷却水２の流れを阻害して、冷却水２の一部をノズル３の方向へ逆流させるものであるから、閉塞部材４の先端を鋼管１の内部に挿入する。そして、鋼管１の閉塞部材４側の端面６（以下、閉塞部材側端面という）と閉塞部材４との間に空隙を設ける。

加熱された鋼管１の焼入れを行なう際には、鋼管１に対してノズル３と閉塞部材４をこのように配置して、ノズル３から冷却水２を鋼管１の内部に噴射する。ノズル３からの噴射水量をＶ₁（ｍ³／秒）とする。

ノズル３から噴射された冷却水２は閉塞部材４の方向へ流れていき、冷却水２の一部が閉塞部材４に衝突してノズル３の方向へ逆流する。冷却水２の残部は、閉塞部材４と閉塞部材側端面６との空隙、すなわち閉塞部材４と鋼管１内面との間から流出する。その空隙から流出する水量（以下、閉塞部材側流出量という）をＶ₂（ｍ³／秒）とする。一方で、ノズル３の方向へ逆流する冷却水２はノズル３とノズル側端面５との空隙から流出する。その空隙から流出する水量（以下、ノズル側流出量という）をＶ₃（ｍ³／秒）とする。

ここで、噴射水量Ｖ₁（ｍ³／秒）、閉塞部材側流出量Ｖ₂（ｍ³／秒）、および、ノズル側流出量Ｖ₃（ｍ³／秒）は下記の(1)式の関係を有するので、噴射水量Ｖ₁と閉塞部材側流出量Ｖ₂は(2)式の関係を満たす。
Ｖ₁＝Ｖ₂＋Ｖ₃ ・・・(1)
Ｖ₁＞Ｖ₂ ・・・(2)
噴射水量Ｖ₁と閉塞部材側流出量Ｖ₂が(2)式の関係を満たすことによって、冷却水２が鋼管１の内部に充満する。その結果、鋼管１の内面全体に冷却水２が接触して、長手方向および円周方向に均一な急冷が可能となる（図５(a)参照）。しかも、鋼管１を回転させたり、冷却水槽に浸漬する必要はなく、簡便な手段で焼入れを行なうことができる。

これに対してＶ₁＝Ｖ₂の場合は、図３、４に示すように鋼管１の上部が冷却され難くなる（図５(b)参照）。

つまり本発明は、閉塞部材４を用いてＶ₁＞Ｖ₂とすることによって、鋼管１の全体にわたって均一な急冷を可能とするものである。好ましくは、0.9×Ｖ₁＞Ｖ₂である。

閉塞部材４の先端は、効率良く急冷を行なう観点から、図２に示すように円錐形状とすることが好ましい。閉塞部材４の先端を円錐形状とすることによって、閉塞部材４と閉塞部材側端面６との空隙から流出する冷却水２の流速の減衰を抑制し、鋼管１が有する熱を効率良く排出することができる。また、閉塞部材４の先端を球面状の曲面（図示せず）としても同様の効果が得られる。

そして、本発明者が様々な寸法の鋼管１と閉塞部材４を組み合わせて実験を行なったところ、冷却水２を鋼管１の内部に充満させるためには、閉塞部材４の先端と閉塞部材側端面６との距離Ｌは150〜500mmの範囲内とする。また、Ｖ₁＞Ｖ₂を満たしつつ、下記の(4)式で算出される閉塞面積率を20％以上とすることで、より速やかに冷却水が充満し、より均一な冷却が実現できる。閉塞面積率は好ましくは40％以上である。なお(4)式では、鋼管１の管端開口面積をＳ_Pとし、閉塞部材４の断面積をＳ_Qとする。
閉塞面積率＝100×Ｓ_Q／Ｓ_P ・・・(4)
一方で、閉塞面積率が大きすぎると、閉塞部材側端面６の近辺に冷却水２が滞留して、鋼管１の熱を排出し難くなる。したがって、閉塞面積率は80％以下が好ましい。

加熱炉で加熱されたビレットに、熱間で穿孔圧延を施して継目無鋼管（内径130mm、管厚40mm、管長7000mm）とした。その継目無鋼管（温度1150℃）の内部に冷却水を噴射して850℃まで急冷した。その際に設定した条件は表１に示す通りである。なお、使用したノズルの噴射口の直径は、102mmと115mmである。閉塞部材４の先端と閉塞部材側端面６との距離Ｌは200mmとした。以下では、図１、２、４を参照して、継目無鋼管を鋼管１として説明する。

発明例１は、図１に示す焼入れ装置を用いた例である。表１に示す通り、Ｖ₁＞Ｖ₂であり、鋼管１の内部に冷却水２が100％充満した。また、温度偏差は円周方向に12℃、長手方向に18℃であった。

なお、表１に示す充満度は、急冷中に閉塞部材側端面６を撮影し、その画像から冷却水２が占める面積Ｓ_Wを求め、管端開口面積Ｓ_Pに対するＳ_Wの割合（％）として算出した値である。温度偏差は、焼入れ装置の出側で、非接触式の放射温度計を用いて鋼管１の温度を測定（円周方向８ケ所、長手方向４ケ所）し、その最大値と最小値の差である。

発明例２は、図１に示す焼入れ装置を用いた例であり、冷却水２の充満度は100％であった。また、0.9×Ｖ₁＞Ｖ₂であるから、温度偏差は円周方向に５℃、長手方向に10℃であり、発明例１よりも温度偏差が減少した。

発明例３は、図２に示す焼入れ装置を用いた例であり、Ｖ₁＞Ｖ₂であるから、冷却水２の充満度は100％であった。また、円錐形状の閉塞部材４を使用したので、温度偏差は円周方向に12℃、長手方向に12℃であり、は発明例１よりも温度偏差が減少した。

発明列４は、図２に示す焼入れ装置を用いた例であり、充満度は100％であった。また、0.9×Ｖ₁＞Ｖ₂であるから、温度偏差は円周方向に５℃、長手方向に８℃であり、発明例３よりも温度偏差が減少した。

発明列５は、図１に示す焼入れ装置を用いた例であり、閉塞面積率が15％とやや小さいが、Ｖ₁＞Ｖ₂であるから、充満度は100％であった。温度偏差は円周方向に18℃、長手方向に19℃であった。

発明列６は、図１に示す焼入れ装置を用いた例であり、Ｖ₁＞Ｖ₂であるから、充満度は100％であった。閉塞面積率は20％であり、発明例５よりも温度偏差が小さく、温度偏差は円周方向に15℃、長手方向に14℃であった。

比較例１は、図４に示すように、閉塞部材４を使用せずに急冷した例であり、Ｖ₁＝Ｖ₂となるので、冷却水２の充満度（＝68％）が発明例よりも大幅に減少した。そして、充満度の減少に伴って、温度偏差（円周方向250℃、長手方向150℃）が発明例１〜６よりも大幅に増大した。

比較例２は、図４に示すように、閉塞部材４を使用せずに急冷した例であり、Ｖ₁＝Ｖ₂となるので、冷却水２の充満度（＝68％）が発明例よりも大幅に減少した。また、急冷中に鋼管１を回転させたことによって、温度偏差（円周方向25℃、長手方向150℃）が比較例１よりも減少したが、発明例１〜６に比べて増大した。

比較例３は、図１に示す焼入れ装置を用いた例であるが、閉塞面積率（＝20％）が小さいのでＶ₁＝Ｖ₂となった例である。閉塞部材４を使用したことによって、冷却水２の充満度（＝90％）が比較例１よりも向上したが、Ｖ₁＝Ｖ₂となったために発明例１〜４に比べて減少した。また、温度偏差（円周方向200℃、長手方向150℃）は、比較例１よりも改善されたが、発明例１〜６に比べて大幅に増大した。

以上の通り、本発明を適用することによって、急冷中に鋼管を回転させずに、簡便な手段で鋼管の長手方向および円周方向に均一な急冷を行なうことができる。そして、均一な急冷が可能である故に、良好かつ均一な品質の鋼管を得ることができる。

１鋼管
２冷却水
３ノズル
４閉塞部材
５ノズル側端面
６閉塞部材側端面

Claims

加熱された鋼管の片方の端面との間に空隙を設けて配設されたノズルから前記鋼管の内部に冷却水を噴射流量Ｖ₁（ｍ³／秒）で噴射し、前記鋼管の他方の端面から先端を挿入されかつ前記鋼管の内面との間に空隙を設け、前記端面と前記先端との距離Ｌが150〜500mmを満たすように配設された閉塞部材によって前記冷却水の一部を前記ノズルの方向へ逆流させて前記ノズルと前記鋼管との空隙から流出させるとともに、前記閉塞部材と前記鋼管の内面との空隙から前記冷却水の残部を流出流量Ｖ₂（ｍ³／秒）で流出させることによってＶ₂＜Ｖ₁とすることを特徴とする鋼管の焼入れ方法。
前記鋼管の管端開口面積Ｓ_Pと前記閉塞部材の断面積Ｓ_Qから100×Ｓ_Q／Ｓ_Pで算出される閉塞面積率を20％以上とすることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の焼入れ方法。
前記鋼管が、熱間穿孔圧延で製造された継目無鋼管であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の焼入れ方法。
加熱された鋼管の片方の端面との間に空隙を設けて配設されて前記鋼管の内部に冷却水を噴射するノズルと、前記鋼管の他方の端面から先端を挿入されかつ前記鋼管の内面との間に空隙を設け、前記端面と前記先端との距離Ｌが150〜500mmを満たすように配設されて前記冷却水の一部を前記ノズルの方向へ逆流させる閉塞部材と、を有するとともに、前記ノズルから噴射される前記冷却水を噴射流量Ｖ₁（ｍ³／秒）と前記閉塞部材と前記鋼管の内面との空隙から流出する前記冷却水の流出流量Ｖ₂（ｍ³／秒）とがＶ₂＜Ｖ₁を満足することを特徴とする鋼管の焼入れ装置。
前記鋼管の管端開口面積Ｓ_Pと前記閉塞部材の断面積Ｓ_Qから100×Ｓ_Q／Ｓ_Pで算出される閉塞面積率を20％以上とすることを特徴とする請求項４に記載の鋼管の焼入れ装置。
前記鋼管が、熱間穿孔圧延で製造された継目無鋼管であることを特徴とする請求項４または５に記載の鋼管の焼入れ装置。
前記閉塞部材の先端部を円錐形状とすることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の鋼管の焼入れ装置。