JP6583327B2 - 鋼管の焼入れ装置および焼入れ方法、ならびに、鋼管の製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の焼入れを行なうための焼入れ装置および焼入れ方法、ならびに、鋼管の製造装置および製造方法に関するものである。

従来から、鋼管の高張力化、高靭性化を図るために、鋼管を製造する工程で焼入れ、焼戻しを行なう技術が開発されている。その焼入れ技術は、高温の鋼管に冷却媒体（たとえば水、油等）を噴射して冷却する焼入れ技術（いわゆるスプレー法）と、高温の鋼管を所定の容器に収容された冷却媒体に投入して冷却する焼入れ技術（いわゆる浸漬法）に大別される。

とくに浸漬法は、簡便な装置で焼入れを行なうことが可能であり、しかも冷却能が大きいという利点を持つ。また浸漬法は、室温の鋼管を高温に加熱して焼入れを行なう場合のみならず、熱間で圧延した直後の鋼管に焼入れ（いわゆる直接焼入れ）を行なう場合にも適用できる。そのため、浸漬法の様々な技術が開発されている。

たとえば特許文献１には、浸漬法の一つとして、内外面浸漬軸流焼入方式が開示されている。この技術は、鋼管を冷却媒体が満たされた浸漬槽に投入し、さらに浸漬槽内の所定の位置で鋼管を支持してカバーで覆った後に、鋼管の内外面にその軸方向に沿う冷却媒体の流れ（以下、軸流という）を直線状に与えて焼入れを行なう技術である。しかし、その内外面浸漬軸流焼入方式は、均一な焼入れを行なうのが難しいという問題がある。

つまり特許文献１に開示された内外面浸漬軸流焼入方式の焼入れ技術は、浸漬槽に鋼管を投入した時に作用する浮力の影響によって、浸漬槽内の所定の位置で支持されるまでの間に、鋼管の一端が冷却媒体の浴面上に露出し、その部分の冷却速度が著しく低下する。この現象は、鋼管の軸方向の温度変動を引き起こす。その後、鋼管は浸漬槽内の所定の位置で支持され、さらにカバーで覆われる。しかし、鋼管を所定の位置で支持する部材（以下、鋼管支持板という）がカバーの内部に配設されるので、鋼管支持板が軸流の障害になり、冷却媒体の淀みが生じる。この現象は、鋼管の周方向の温度変動を引き起こす。このような軸方向および周方向の温度変動によって、不均一な焼入れが生じる。

特許文献２には、カバーの内部に配設される鋼管支持板の役割として、鋼管を所定の位置で支持する機能に加えて、鋼管の外面における冷却媒体の流れを旋回しつつ前進する螺旋状の流れとする部材（以下、整流板という）としての機能を付与することによって、冷却媒体の淀みを防止しながら焼入れを行なう技術が開示されている。この技術では、カバーの内部に残留する空気が冷却媒体の螺旋状の流れによって攪拌されて気泡となり、鋼管の外面に付着するという問題が生じる。鋼管の外面に気泡が付着すると、その部位の冷却速度が低下するので、不均一な焼入れが生じる原因となる。

特許文献３には、鋼管を回転させながら冷却媒体に浸漬する技術が開示されている。この技術は、鋼管を回転させ、かつ昇降するための複雑な機器を設計、製作するのに多大な初期費用が必要となり、さらに機器の操業やメンテナンスにも多大な維持費用が必要である。

特開平8-41544号公報 特開2010-84172号公報 特許第5896036号公報

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、鋼管を焼入れするにあたって、鋼管全体（すなわち軸方向および周方向）に均一な焼入れを行なうことが可能で、しかも簡便な手段を用いて安価に焼入れを行なうことができる焼入れ装置および焼入れ方法を提供することを目的とし、さらに、その焼入れ装置を備えた鋼管の製造装置、およびその焼入れ方法により鋼管の焼入れを行なう工程を含む鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

なお本発明は、冷間で成形した鋼管（たとえば電縫鋼管、スパイラル鋼管等）および熱間で圧延した鋼管（たとえば継目無鋼管等）いずれにも適用する。

本発明者は、上記の課題を解決するために、浸漬槽内で鋼管を覆うカバーの構造を様々に工夫して実験を行なった。その結果、
(a)冷却媒体を収容した浸漬槽内で、鋼管を覆う円筒状のカバーを開閉式の２分割（すなわち上部カバー、下部カバー）とする、
(b)下部カバーの内側に半螺旋状の板材である下部整流板を複数配設し、これらの下部整流板に鋼管支持板の機能を付与する、
(c)上部カバーの内側に半螺旋状の板材である上部整流板を複数配設する、
(d)上部カバーを開閉することによって巻き込まれる空気を排出するための空気排出孔を上部カバーの頂部に設ける
ことによって、鋼管全体に均一な焼入れを行なうことが可能であることを見出した。しかも、複雑な構成の機器を使用する必要はなく、簡便な手段を用いて安価に焼入れを行なうことができるという効果が得られることが分かった。

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、冷却媒体を収容した浸漬槽に高温の鋼管を浸漬して冷却する焼入れ装置であって、浸漬槽内に投入された鋼管の下部を覆うために浸漬槽の内部に固定される半円筒形状の下部カバーと、鋼管が投入された後に鋼管の上部を覆うために開閉する半円筒形状の上部カバーと、上部カバーが閉じて下部カバーと当接することによって形成される円筒形カバーの内部へ冷却媒体を流入させるノズルと、下部カバーに半螺旋状に配設されて円筒形カバーの内部へ流入した冷却媒体を鋼管の外面で螺旋状に流通させるとともに鋼管を載置して支持する下部整流板と、上部カバーに半螺旋状に配設されて円筒形カバーの内部へ流入した冷却媒体を鋼管の外面で螺旋状に流通させる上部整流板と、上部カバーの頂部に設けられて上部カバー内の空気を排出する空気排出孔と、を有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、空気排出孔が上部カバーの互いに隣り合う上部整流板の間に設けられることが好ましい。さらに、空気排出孔から排出された空気を浸漬槽に収容された冷却媒体の浴面より上方へ誘導して放散する空気誘導管と、空気誘導管の開放または閉塞を制御するバルブと、を有することが好ましい。

また本発明は、冷却媒体を収容した浸漬槽に高温の鋼管を浸漬して冷却する焼入れ方法において、浸漬槽の内部に固定された半円筒形状の下部カバーに鋼管を投入して鋼管の下部を覆うとともに、下部カバーに半螺旋状に配設された下部整流板に鋼管を載置して支持し、次いで、半円筒形状の上部カバーを閉じて鋼管の上部を覆うとともに、上部カバーの頂部に設けられた空気排出孔から上部カバー内の空気を排出し、さらに上部カバーを下部カバーに当接させて円筒形カバーを形成し、円筒形カバーの内部へノズルから冷却媒体を流入させ、鋼管の外面においては、上部カバーに半螺旋状に配設された上部整流板および上記の下部整流板を用いて冷却媒体を螺旋状に流通させ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、空気排出孔を上部カバーの互いに隣り合う上部整流板の間に設けることが好ましい。さらに、空気排出孔から排出された空気を浸漬槽に収容された冷却媒体の浴面より上方へ空気誘導管を介して誘導して放散し、バルブを用いて空気誘導管の開放または閉塞を制御することが好ましい。
また本発明は、前述の鋼管の焼入れ装置を備えた鋼管の製造装置である。
また本発明は、前述の鋼管の焼入れ方法により鋼管の焼入れを行なう工程を含む鋼管の製造方法である。

本発明によれば、均一に焼入れされた鋼管を、安価に得ることができ、しかも簡便な手段を用いて安価に焼入れを行なうことが可能となり、産業上格段の効果を奏する。

本発明に係る焼入れ装置の浸漬槽内部の例を模式的に示す図であり、(a)は正面図、(b)は斜視図である。 図１に示す焼入れ装置を用いて焼入れを行なう手順を模式的に示す正面図である。 図１に示す上部カバーに空気誘導管ならびにバルブを配設した例を模式的に示す正面図である。

図１は、本発明に係る焼入れ装置の浸漬槽内部の例を模式的に示す図であり、(a)は正面図、(b)は斜視図である。なお図１(a)(b)では、浸漬槽は図示を省略する。また図１(b)では、上部カバー２および下部カバー３の内部を透視図として示す。

ここで図１を参照して、本発明に係る焼入れ装置について説明する。
半円筒形状を呈する下部カバー３は、浸漬槽（図示せず）内にて、その半円筒形の中心軸（以下、カバー軸という）がノズル７の中心軸（以下、ノズル軸という）に一致する位置に固定される。下部カバー３の内部には、螺旋形を２分割した形状（以下、半螺旋状という）の板材である下部整流板５が複数配設され、その下部整流板５の中心部に半円形の空間が設けられる。

一方、半円筒形状を呈する上部カバー２は、駆動用機器（図示せず）を用いて開閉できるように配設される。上部カバー２の内部には、半螺旋状の板材である上部整流板４が複数配設され、その上部整流板４の中心部に半円形の空間が設けられる。

そして、上部カバー２を下部カバー３に被せた状態（以下、閉姿勢という）で上部カバー２と下部カバー３とが当接して円筒形を呈するカバーを形成する（図１(a)参照）。閉姿勢にて、上部整流板４と下部整流板５は、それぞれ当接する部位が円滑な螺旋形を形成するように配列しておくことが好ましい。ただし、上部整流板４と下部整流板５の配列がカバー軸方向にずれても、支障なく焼入れを行なうことができる。

また閉姿勢で、上部カバー２と下部カバー３とが形成する円筒形のカバー（以下、円筒形カバーという）の中心部に円形の空間が形成される（図１(a)参照）。焼入れを行なう際には、その空間で鋼管１を支持して、ノズル７から冷却媒体（たとえば水、油等）を噴射して円筒形カバーの内部に流入させることによって、鋼管１の外面および内面から冷却する。

次に図２を参照して、鋼管１を投入し、さらに焼入れを行なう手順について説明する。
まず、鋼管１を投入するに先立って、駆動用機器を操作して、上部カバー２を回動させて下部カバー３から退避させた状態（以下、開姿勢という）にする。上部カバー２を開姿勢に退避させる際には、たとえば、図２(a)に示すように上部カバー２を矢印Ａの方向へ回動させて下部カバー３から退避させる等の手段を用いることができる。

次いで、図２(a)の矢印Ｂの方向に（すなわち浸漬槽内に収容した冷却媒体８の浴面の上方から）鋼管１を下部カバー３内の下部整流板５中心部の半円形の空間に投入する。その鋼管１の種類は特に限定せず、継目無鋼管、電縫鋼管、スパイラル鋼管等の様々な種類の鋼管の焼入れを行なうことができる。また、室温の鋼管１を焼入れ可能な高温に加熱する手段も限定しない。とりわけ、熱間で圧延して製造する継目無鋼管については、圧延した直後に冷却媒体へ投入して焼入れ（いわゆる直接焼入れ）を行なう場合にも、本発明を適用できる。

鋼管１を投入することによって、下部整流板５上に鋼管１が載置されて支持され、鋼管１の下部が下部カバー３で覆われる。引き続き上部カバー２を閉姿勢とするために、図２(b)の矢印Ｃの方向に上部カバー２を回動させる。この時、上部カバー２の内部（すなわち冷却媒体８浴面の上方）に空気９が残留するが、上部カバー２の互いに隣り合う上部整流板４の間の頂部に空気排出孔６が設けられているので、図２(c)(d)に示すように、上部カバー２が回動（矢印Ｃ）し続けて閉姿勢になるまでの間に、空気９は空気排出孔６から全て排出（矢印Ｄ）される。

上部カバー２が閉姿勢となって下部カバー３に当接すると、鋼管１の上部が上部カバー２で覆われる。この時、空気排出孔６は冷却媒体８内に埋没するので、上部カバー２の外部から冷却媒体８が空気排出孔６を通って浸入し、鋼管１の外面の螺旋状の流れを阻害する惧れがある。そこで図３に示すように、空気排出孔６に空気誘導管10を取り付けて、空気９を冷却媒体８の浴面よりも上方に誘導して大気中に放散することが好ましい。さらに、空気誘導管10にバルブ11を配設して、空気誘導管10の開放または閉塞を制御することが好ましい。そして、上部カバー２を開姿勢から閉姿勢に回動させる時は、上部カバー２内の空気９を大気中に放散するために、バルブ11を開放する。上部カバー２が閉姿勢になり、円筒形カバーが形成された時は、バルブ11を閉塞して、大気が空気誘導管10を通って逆流するのを防止する。

次に、ノズル７から冷却媒体８を噴射して円筒形カバーの内部に流入させる（図１(b)参照）。その結果、鋼管１の内面では冷却媒体８は軸方向に直線状に流れる。一方、鋼管１の外面では、冷却媒体８は下部整流板５と上部整流板４に誘導されて螺旋状の流れとなる。その螺旋状の流れを円滑に形成する観点から、既に説明した通り、複数の下部整流板５と上部整流板４がそれぞれ当接するように配列しておくことが好ましい。ただし、上部整流板４と下部整流板５の配列が軸方向にずれても、支障なく焼入れを行なうことができる。

ノズル７から冷却媒体８を噴射する時は、既に説明した通りバルブ11が空気誘導管10を閉塞しているので、冷却媒体８が円筒形カバーから漏出するのを防止でき、均一な焼入れが可能となる。空気誘導管10は、図３(a)に示すように開口部を上方へ向けて取り付ければ空気９を大気中に放散できるが、バルブ11を閉塞するタイミングが遅れた場合に、冷却媒体８が周辺に飛散する惧れがある。したがって、図３(b)に示すように開口部を下方へ向けて（すなわち浴面に向けて）取り付けることが好ましい。

このようにして本発明によれば、簡便な手段を用いて、均一に焼入れされた鋼管を、安価に得ることができる。なお、このようにして焼入れされた鋼管に対して、必要に応じ、焼戻しを実施してもよい。

図１に示す焼入れ装置を用いて油井管用継目無鋼管（外径：273mm、厚さ：36mm、長さ：10ｍ、温度：800℃）の焼入れを行なった。上部カバーと下部カバーの内径は、いずれも600mmとした。上部整流板と下部整流板は、いずれも高さを150mm、軸方向に対する傾斜角度を30°とした。上部カバーには、上部整流板の間の頂部に空気排出孔を設けた。これを発明例１とする。

次いで、空気排出孔に図３(b)に示す空気誘導管を取り付けて、発明例１と同様に焼入れを行なった。バルブは電磁弁を使用した。これを発明例２とする。

さらに比較のために、上部カバーに空気排出孔を設けていない焼入れ装置を用いて、発明例１と同様に焼入れを行なった。これを比較例とする。

発明例１、２および比較例の焼入れを行なった油井管用継目無鋼管について、下部整流板が当接した部位の硬度Ｈ_LOW、下部整流板が当接していない部位の硬度Ｈ_HIGHを測定し、その硬度差ΔＨ（＝Ｈ_HIGH−Ｈ_LOW）を求めた。

その結果、発明例１のΔＨはHRCで10、発明例２のΔＨはHRCで６、比較例のΔＨはHRCで14であった。つまり、発明例１、２は比較例よりも硬度のばらつきが抑えられており、均一な焼入れを行なうことが可能であることが確かめられた。さらに、発明例１と発明例２を比べると、空気誘導管を介して上部カバー内の空気を大気中に放散した発明例２の方が、硬度のばらつきが抑える効果が向上した。

１ 鋼管
２ 上部カバー
３ 下部カバー
４ 上部整流板
５ 下部整流板
６ 空気排出孔
７ ノズル
８ 冷却媒体
９ 空気
10 空気誘導管
11 バルブ

Claims (8)

1. 冷却媒体を収容した浸漬槽に高温の鋼管を浸漬して冷却する焼入れ装置であって、前記浸漬槽内に投入された前記鋼管の下部を覆うために前記浸漬槽の内部に固定される半円筒形状の下部カバーと、前記鋼管が投入された後に前記鋼管の上部を覆うために開閉する半円筒形状の上部カバーと、該上部カバーが閉じて前記下部カバーと当接することによって形成される円筒形カバーの内部へ前記冷却媒体を流入させるノズルと、前記下部カバーに半螺旋状に配設されて前記円筒形カバーの内部へ流入した前記冷却媒体を前記鋼管の外面で螺旋状に流通させるとともに前記鋼管を載置して支持する下部整流板と、前記上部カバーに半螺旋状に配設されて前記円筒形カバーの内部へ流入した前記冷却媒体を前記鋼管の外面で螺旋状に流通させる上部整流板と、前記上部カバーの頂部に設けられて前記上部カバー内の空気を排出する空気排出孔と、を有することを特徴とする鋼管の焼入れ装置。
2. 前記空気排出孔が前記上部カバーの互いに隣り合う前記上部整流板の間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の焼入れ装置。
3. 前記空気排出孔から排出された前記空気を前記浸漬槽に収容された前記冷却媒体の浴面より上方へ誘導して放散する空気誘導管と、該空気誘導管の開放または閉塞を制御するバルブと、を有す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装置。
4. 冷却媒体を収容した浸漬槽に高温の鋼管を浸漬して冷却する焼入れ方法において、前記浸漬槽の内部に固定された半円筒形状の下部カバーに前記鋼管を投入して前記鋼管の下部を覆うとともに、前記下部カバーに半螺旋状に配設された下部整流板に前記鋼管を載置して支持し、次いで、半円筒形状の上部カバーを閉じて前記鋼管の上部を覆うとともに、前記上部カバーの頂部に設けられた空気排出孔から前記上部カバー内の空気を排出し、さらに前記上部カバーを前記下部カバーに当接させて円筒形カバーを形成し、該円筒形カバーの内部へノズルから前記冷却媒体を流入させ、前記鋼管の外面においては、前記上部カバーに半螺旋状に配設された上部整流板および前記下部整流板を用いて前記冷却媒体を螺旋状に流通させることを特徴とする鋼管の焼入れ方法。
5. 前記空気排出孔を前記上部カバーの互いに隣り合う前記上部整流板の間に設けることを特徴とする請求項４に記載の鋼管の焼入れ方法。
6. 前記空気排出孔から排出された前記空気を前記浸漬槽に収容された前記冷却媒体の浴面より上方へ空気誘導管を介して誘導して放散し、バルブを用いて前記空気誘導管の開放または閉塞を制御す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方法。
7. 請求項１〜３のいずれかに記載の鋼管の焼入れ装置を備えた鋼管の製造装置。
8. 請求項４〜６のいずれかに記載の鋼管の焼入れ方法により鋼管の焼入れを行なう工程を含む鋼管の製造方法。

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