JP6614189B2 - 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（以下、螺旋流という）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。

また、特許文献１、２に開示された技術に共通する問題点として、カバーの内部の軸流や螺旋流によって鋼管が押し流されるという問題がある。そして、鋼管を投入する位置によっては、鋼管支持板ならびに整流板で鋼管の移動が阻害され、その結果、鋼管が傾斜して停止する（図３参照）。このようなカバーの内部における鋼管の傾斜は、軸流および螺旋流の障害となるので、不均一な焼入れが生じる原因となる。なお図３では、カバーの内部を透視図として示す。

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成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配設される半螺旋状の板材である下部整流板を複数配設して、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)浸漬槽内で鋼管を覆うために上部カバーと下部カバーを閉じた時の鋼管の位置を調整して、焼入れ時の鋼管の移動を制御する
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一端に配設されて円筒形カバーの内部へ冷却媒体を流入させるノズルと、円筒形カバーの他端に配設されて鋼管の流出を防止し且つ冷却媒体を通過させる鋼管ストッパーと、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、鋼管ストッパーから管端までの間隔を下部整流板のピッチ以内として鋼管を投入する投入機と、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、鋼管ストッパーに備えられた流量調整具が、鋼管の内部の断面積を10〜70％閉塞してなることが好ましい。また、円筒形カバーの内部へ冷却媒体を流入させるノズルが、鋼管の内部に冷却媒体を流入させる内面ノズルと、鋼管の外部に冷却媒体を流入させる外面ノズルと、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、円筒形カバーの一端に配設されたノズルから円筒形カバーの内部へ冷却媒体を流入させ、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鋼管の外面で螺旋状に流通させながら、円筒形カバーの他端に配設された鋼管ストッパーから管端までの間隔を下部整流板のピッチ以内として投入された鋼管の流出を鋼管ストッパーで防止し且つ冷却媒体を通過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、鋼管ストッパーに備えられた流量調整具が、鋼管の内部の断面積を10〜70％閉塞して、円筒形カバーの内側を流通する冷却媒体の流量を調整することが好ましい。また、円筒形カバーの内部へ冷却媒体を流入させるノズルとして、鋼管の内部に前記冷却媒体を流入させる内面ノズルと、鋼管の外部に冷却媒体を流入させる外面ノズルと、を使用することが好ましい。
また本発明は、前述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に示す焼入れ装置で用いる流量調整具の例を模式的に示す斜視図である。 従来の焼入れ装置のカバー内で鋼管が傾斜した例を模式的に示す斜視図である。

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。

ノズル７は、図３に示すような単一の噴射口を有するノズルを使用できるが、図１(b)に示すような同心円状の２層構造のノズルを使用するのが好ましい。つまり、外面ノズル7aと内面ノズル7bとを備えたノズルを使用することによって、後述する円筒形カバー内の鋼管１の外面と内面を冷却するのに十分な流量の冷却媒体８を安定して供給することが可能となる。

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、円筒形カバーの一端に配設される外面ノズル7a、内面ノズル7bから冷却媒体８（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。

そして、冷却媒体８によって鋼管１が円筒形カバーから押し流されるのを防止するために、円筒形カバーの他端に鋼管ストッパー６が配設される。鋼管ストッパー６の形状は特に限定せず、鋼管１の流出を防止する一方で、冷却媒体８を円滑に流出させることが可能な形状とする。

外面ノズル7a、内面ノズル7bから冷却媒体８の噴射を開始する時の鋼管１の管端から鋼管ストッパー６までの間隔Ｍ（mm）が大き過ぎると、鋼管１が押し流されて鋼管ストッパー６に当接して停止するまでの移動距離が増加するので、図３に示すような鋼管１の傾斜が発生する惧れがある。したがって、間隔Ｍは下部整流板のピッチ以内とする。間隔Ｍは、具体的には600mm以内が好ましく、鋼管が傾く可能性をさらに小さくするためには、間隔Ｍは300mm以内とすることがより好ましく、100mm以内とすることが一層好ましい。

冷却媒体８の噴射を開始する前に鋼管１を投入して間隔Ｍが下部整流板のピッチ以内となるように鋼管１の位置を調整する機器（以下、投入機という）は特に限定しない。カバー軸に平行な方向に鋼管１の位置を調整するプッシャー、カバー軸に垂直な方向に鋼管１を搬送するコンベアやスキッド等は、従来から知られている手段を使用する。

鋼管１の外面を冷却する冷却媒体８は、鋼管１の外面、上部整流板４、下部整流板５、および円筒形カバーの内面により形成される流路を通過するのに対し、鋼管１の内面を冷却する冷却媒体８は、鋼管１の内面を鋼管１の中心軸（以下、鋼管軸という）に沿って直線状に流れるため、鋼管１の外面に比べて、流れに対する抵抗が小さい。このため、冷却媒体８が鋼管１の内面に優先的に流れてしまう可能性がある。そこで、鋼管１の内面の流路の抵抗を大きくして、鋼管１の外面の流量を相対的に大きくするために、鋼管ストッパー６に流量調整具９を取り付けることが好ましい。流量調整具９は円筒状の形状（図２(a)参照）でも良いが、先端部が円錐形状（図２(b)参照）であれば鋼管１内に挿入され易くなるので好ましい。先端部が半球形状であっても同様の効果が得られる。

流量調整具９を鋼管ストッパー６に取り付ける場合は、鋼管軸に垂直な断面において鋼管１内部の断面積（すなわち内径から算出される円の面積）Ｓ_PIPE（mm²）は、当該断面に占める流量調整具９の断面積Ｓ_STAB（mm²）に対して
0.1≦Ｓ_STAB／Ｓ_PIPE≦0.7
を満たすことが好ましい。つまり、Ｓ_STAB／Ｓ_PIPE値が0.1未満では、鋼管１の内面の流れに対する抵抗を増大させ、鋼管１外面の流量を相対的に大きくする効果の大幅な向上は期待できない。一方でＳ_STAB／Ｓ_PIPE値が0.7を超えると、鋼管１内面の冷却媒体８の流れが過度に阻害されるので、均一な焼入れが得られない。

このように、Ｓ_STAB／Ｓ_PIPE値を0.1〜0.7の範囲内として、すなわち、鋼管ストッパー６に備えられた流量調整具９が、鋼管１の内部の断面積を10〜70％閉塞するように流量調整具９を設置することにより、円筒形カバーの内側を流通する冷却媒体８の流量（つまり鋼管１の内側を流れる冷却媒体８と鋼管１の外側を流れる冷却媒体８の流量）を調整することができ、焼入れを均一に行なう効果を向上させることができる。なお、先端部が円錐形または半球形の流量調整具９を使用する場合には、断面積Ｓ_STAB（mm²）は円筒状の胴体部の断面積とする。

次に、鋼管１を投入して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手段は特に限定しない。たとえば、上部カバー２を回動させて下部カバー３から退避させる、あるいは、上部カバー２を摺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、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。

投入された鋼管１の管端と鋼管ストッパー６との間隔Ｍは、既に説明した通り下部整流板のピッチ以内とする。

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、上部カバー２を回動させる。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。

次に、外面ノズル7a、内面ノズル7b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。その結果、内面ノズル7bから噴射された冷却媒体８は、鋼管１の内面で鋼管軸方向に直線状に流れる。一方、外面ノズル7aから噴射された冷却媒体８は、鋼管１の外面で下部整流板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。

図１には外面ノズル7aと内面ノズル7bを備えた２層構造のノズルを使用する例を示したが、図３に示すような単一の噴射口を有するノズル７を使用しても良い。

冷却媒体８の噴射によって鋼管１が鋼管ストッパー６の方向へ押し流される移動距離は短い（600mm以内）ので、鋼管１は傾斜することなく、鋼管１の中心軸がカバー軸に対して平行に保持される。また、鋼管ストッパー６にたとえば円筒形の流量調整具９を取り付けることによって、円筒形カバーの外側にも冷却媒体８が流れ易くなるので、焼入れの均一性が向上する。なお、流量調整具９を設けることにより、鋼管軸をカバー軸に対して平行に保持する効果がさらに向上する。

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。

図１に示す上部カバーと下部カバーを用いて油井管用継目無鋼管（外径：254mm、厚さ：10mm、長さ：８ｍ、温度：800℃）の焼入れを行なった。ノズルは、外面ノズルと内面ノズルからなる２層構造のものを使用し、上部カバーと下部カバーは、いずれも内径600mm、長さ15ｍとした。上部整流板と下部整流板は、いずれも高さを120mm、カバー軸方向に対する傾斜角度を30°とした。冷却媒体は水（以下、冷却水という）を使用した。

こうして焼入れを行なった油井管用継目無鋼管について硬度を測定したところ、冷却能力が高く、焼入れが十分になされている部位の硬度Ｈ_HIGHはHRCで50程度であり、焼入れの均一性が低下するほど、硬度が低下する部位が生じた。以下では、硬度Ｈ_HIGHと焼入れが不十分な部位の硬度Ｈ_LOWの硬度差をΔＨ（＝Ｈ_HIGH−Ｈ_LOW）とする。

まず、発明例１として、油井管用継目無鋼管を鋼管ストッパーに当接させて投入して焼入れを行なった。発明例１では、油井管用継目無鋼管が押し流されず、移動しないので、均一な焼入れが可能となり、硬度差ΔＨは14であった。

次に、発明例２として、油井管用継目無鋼管を鋼管ストッパーに当接させて投入し、さらに流量調整具（直径110mm、長さ100mm）を挿入して焼入れを行なった。発明例２では、油井管用継目無鋼管が移動せず、かつ円筒形カバーの外面にも冷却水が流れ易くなるので、焼入れの均一性が向上し、硬度差ΔＨは10であった。

次いで、発明例３として、油井管用継目無鋼管を鋼管ストッパーに当接させて投入し、さらに流量調整具（直径150mm、長さ150mm）を挿入して焼入れを行なった。発明例３では、冷却水が円筒形カバーの外面に一層流れ易くなるので、焼入れの均一性が更に向上し、硬度差ΔＨは６であった。

これらに対して比較のために、比較例１として、油井管用継目無鋼管をノズルに当接させて投入して焼入れを行なった。比較例１では、油井管用継目無鋼管が押し流されて整流板に引っ掛かり、冷却水の流れが不均一となるので、焼入れの均一性が低下し、硬度差ΔＨは30であった。

比較例２として、油井管用継目無鋼管を鋼管ストッパーに当接させて投入し、さらに流量調整具（直径210mm、長さ100mm）を挿入して焼入れを行なった。比較例２では、円筒形カバー内の冷却水の流れが不足するので、焼入れの均一性が低下し、硬度差ΔＨは28であった。

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 鋼管ストッパー
７ ノズル
7a 外面ノズル
7b 内面ノズル
８ 冷却媒体
９ 流量調整具

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一端に配設されて該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、前記円筒形カバーの他端に配設されて前記鋼管の流出を防止し且つ前記冷却媒体を通過させる鋼管ストッパーと、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、前記鋼管ストッパーから管端までの間隔を前記下部整流板のピッチ以内として前記鋼管を投入する投入機と、を有することを特徴とする鋼管の焼入れ装置。
2. 前記鋼管ストッパーに備えられた流量調整具が、前記鋼管の内部の断面積を10〜70％閉塞してな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. 前記円筒形カバーの内部へ前記冷却媒体を流入させる前記ノズルが、前記鋼管の内部に前記冷却媒体を流入させる内面ノズルと、前記鋼管の外部に前記冷却媒体を流入させる外面ノズルと、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、該円筒形カバーの一端に配設されたノズルから前記円筒形カバーの内部へ前記冷却媒体を流入させ、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前記鋼管の外面で螺旋状に流通させながら、前記円筒形カバーの他端に配設された鋼管ストッパーから管端までの間隔を前記下部整流板のピッチ以内として投入された前記鋼管の流出を前記鋼管ストッパーで防止し且つ前記冷却媒体を通過させることを特徴とする鋼管の焼入れ方法。
5. 前記鋼管ストッパーに備えられた流量調整具が、前記鋼管の内部の断面積を10〜70％閉塞して、前記円筒形カバーの内側を流通する前記冷却媒体の流量を調整す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. 前記円筒形カバーの内部へ前記冷却媒体を流入させる前記ノズルとして、前記鋼管の内部に前記冷却媒体を流入させる内面ノズルと、前記鋼管の外部に前記冷却媒体を流入させる外面ノズルと、を使用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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