JP6724617B2 - 鋼管の製造方法及び焼入れ装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の製造方法及び焼入れ装置に関する。

鋼管の焼入れは、焼入れ組織の確保と生産性向上の要請とから、設備仕様の最大冷却速度で急冷することで実施される。しかし、Ｃ含有量の高い鋼管は、焼割れ感受性が高いため、単純な冷却手段では冷却速度が大きすぎると焼割れが発生する。一方、冷却速度が小さすぎると焼入れ組織が得られず、所望の特性が得られない。

特開昭６０−１９０５２４号公報には、連続的に配設した冷却媒体噴射ノズル列内を移動させることにより鋼管を焼入れする方法が記載されている。

特開昭６１−２８１８２３号公報には、求心状に複数のミスティングジェットノズルを備え、鋼管の移送方向に複数縦列配置された冷却ヘッダ内を順次通過させて鋼管を冷却する方法が記載されている。同文献には、冷却後の鋼管に要求される金属組織及び機械的性質によって定まる冷却時の鋼管温度履歴に合致させるように、冷却ヘッダごとにその冷却水供給量及びエア供給量を設定し、かつ鋼管の移送速度を設定し冷却を行うことが記載されている。

特開昭６２−１９２５３５号公報には、水量と気水比とが調整可能なミスティングジェットノズルを用いて構成された冷却能が可変で、かつ速度可変ローラコンベア中に鋼管移動方向に複数個連設された環状冷却ヘッダ内に、所定温度に加熱した鋼管を挿通移動させて冷却するに際し、その鋼管の移動速度と各冷却ヘッダの冷却能とを、所定の冷却速度パターン及び温度差が得られるように各々設定し、冷却することを特徴とする鋼管の冷却方法が記載されている。

特開平９−１０４９２５号公報には、重量％で、０．２〜１．２％のＣを含有する鋼管の焼割れを防止する焼入れ方法であって、焼入れにおいて冷却を鋼管の内面だけから行うことを特徴とする中・高炭素鋼の焼入れ方法が開示されている。

特開昭６０−１９０５２４号公報 特開昭６１−２８１８２３号公報 特開昭６２−１９２５３５号公報 特開平９−１０４９２５号公報 特開２００３−４７０７号公報 特公平４−２６９０３号公報 特開２０１２−１７２１７３号公報

鋼管に割れが発生する場合、多くは管端部を起点とし、管軸方向にき裂が進展する。これは管端部に応力が集中するためである。管端に面取り加工を実施することで、応力集中を緩和し、焼割れを防止することができる。しかし、熱処理対象の鋼管すべてに面取り加工を実施すると、生産性が低下する。

また、鋼管を水冷によって焼入れする場合、冷却水の一部が管端から鋼管の内側に侵入する場合がある。鋼管の内側に冷却水が浸入すると、内面の円周方向に不均一な熱応力が生じ、焼割れが起こりやすくなる。これを防ぐため、管端に蓋を溶接することも考えられる。しかし、面取り加工と同様、熱処理対象の鋼管すべてに蓋を取り付けると、生産性が低下する。

上記の特許文献には、管端部から発生する割れ、及び鋼管内部へ冷却水が浸入することによる割れへの、特別な対応は検討されていない。

本発明の目的は、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立することができる、鋼管の製造方法及び焼入れ装置を提供することである。

本発明の一実施形態による鋼管の製造方法は、素管を焼入れして、管端部を除いてマルテンサイトの体積率が９０％以上である鋼管を製造する方法であって、加熱装置で前記素管を加熱する工程と、前記素管をその軸方向に搬送する工程と、前記素管の軸方向に沿って配置され、各々が前記素管を検出する複数のセンサによって前記素管を監視する工程と、前記素管の軸方向に沿って配置され、加熱された前記素管に冷媒を噴射する１個以上の冷却リングを各々が含むＮ個の冷却ユニットよって前記素管を冷却する工程とを備える。前記複数のセンサは、少なくとも、前記加熱装置側から１番目の前記冷却ユニットと前記加熱装置との間、前記各冷却ユニットの間、及び前記加熱装置側からＮ番目の前記冷却ユニットよりも前記加熱装置から遠い位置、に１つずつ配置され、前記冷却する工程では、前記各冷却ユニットは、前記複数のセンサのうち当該冷却ユニットよりも前記加熱装置に近い側において当該冷却ユニットに最も近接したセンサ、及び前記複数のセンサのうち当該冷却ユニットよりも前記加熱装置から遠い側において前記冷却ユニットに最も近接したセンサ、の両方が前記素管を検出しているときに冷媒を噴射する。ただし、Ｎは１以上の整数である。

本発明の一実施形態による焼入れ装置は、鋼管を加熱する加熱装置と、前記鋼管をその軸方向に一定の搬送速度で搬送する搬送装置と、前記鋼管の軸方向に沿って配置され、各々が前記素管を検出する複数のセンサと、前記鋼管の軸方向に沿って配置され、加熱された前記鋼管に冷媒を噴射する１個以上の冷却リングを各々が含むＮ個の冷却ユニットと、前記冷却ユニットの各々が噴射する冷媒の量を制御する制御装置とを備える。前記複数のセンサは、少なくとも、前記加熱装置側から１番目の前記冷却ユニットと前記加熱装置との間、前記各冷却ユニットの間、及び前記加熱装置側からＮ番目の前記冷却ユニットよりも前記加熱装置から遠い位置、に１つずつ配置される。前記制御装置は、前記各冷却ユニットに、前記複数のセンサのうち当該冷却ユニットよりも前記加熱装置に近い側において当該冷却ユニットに最も近接したセンサ、及び前記複数のセンサのうち当該冷却ユニットよりも前記加熱装置から遠い側において前記冷却ユニットに最も近接したセンサ、の両方が前記鋼管を検出しているときに冷媒を噴射させる。前記制御装置はさらに、前記加熱装置側から１〜ｋ番目の前記冷却ユニットの各々が冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を第１冷媒量に設定し、前記加熱装置側から（ｋ＋１）番目の冷却ユニットが冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を前記第１冷媒量未満であって、前記（ｋ＋１）番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記鋼管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度点以上になり、かつ、前記加熱装置から（ｋ＋２）番目の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における前記鋼管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる量である第２冷媒量に設定し、前記加熱装置側から（ｋ＋２）〜Ｎ番目の冷却ユニットの各々が冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を前記第２冷媒量以下の量である第３冷媒量に設定する。ただし、Ｎは３以上の整数であり、ｋは１以上Ｎ−２以下の整数である。

本発明によれば、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立することができる、鋼管の製造方法及び焼入れ装置が得られる。

図１は、本発明の一実施形態による熱処理ラインの機能的構成を示すブロック図である。 図２は、冷却装置の模式的平面図である。 図３は、冷却装置の模式的正面図である。 図４Ａは、制御装置の動作を説明するための図である。 図４Ｂは、制御装置の動作を説明するための図である。 図４Ｃは、制御装置の動作を説明するための図である。 図４Ｄは、制御装置の動作を説明するための図である。 図４Ｅは、制御装置の動作を説明するための図である。 図５は、軸方向に沿った鋼管の表面温度の分布と、冷却ユニットの位置との関係を示す図である。 図６は、本計算例で用いる鋼管のシミュレーションモデルを説明するための図である。 図７は、図６の矩形領域ＶＩＩの拡大図である。 図８は、マルテンサイト変態を伴う鋼のＣＣＴ曲線を模式的に示す図である。 図９は、シミュレーションによって求めた、管端部を冷却した場合における鋼管の周方向の残留応力の分布を示す図である。 図１０は、シミュレーションによって求めた、管端部を冷却しなかった場合における鋼管の周方向の残留応力の分布を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［熱処理ラインの構成］
図１は、本発明の一実施形態による熱処理ライン１００の機能的構成を示すブロック図である。熱処理ライン１００は、焼入れ装置１、及び焼戻し装置４０を備えている。焼入れ装置１は、加熱装置１０、冷却装置２０、及び浸漬槽３０を備えている。各装置の間には、搬送ローラ６０（搬送装置）が配置されている。

搬送ローラ６０は、加熱装置１０から冷却装置２０へ、冷却装置２０から浸漬槽３０へ、浸漬槽３０から焼戻し装置４０へ、鋼管を順次搬送する。鋼管は、加熱装置１０で加熱され、冷却装置２０及び／又は浸漬槽３０によって冷却される。鋼管はその後、焼戻し装置４０によって加熱される。

熱処理ライン１００の構成によれば、加熱装置１０によって鋼管をＡｃ_３点以上に加熱した後、冷却装置２０及び／又は浸漬槽３０によって鋼管を冷却することによって、鋼管を焼入れすることができる。さらに、焼戻し装置４０によって鋼管を所定の温度に加熱することによって、鋼管を焼戻しすることができる。焼戻しされた鋼管は例えば、図示しない冷却装置によって冷却された後、探傷装置などに搬送される。

熱処理ライン１００の構成によれば、鋼管に焼入れ焼戻しの熱処理を連続して実施することができる。ただし、焼入れ焼戻しは連続して実施されなくてもよく、焼戻し装置４０は、熱処理ライン１００に配置されていなくてもよい。

冷却装置２０は、後述するように、冷媒を噴射して鋼管を冷却する。冷却装置２０が噴射する冷媒の量は、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立できるように制御される。

浸漬槽３０には、冷媒が充填されており、鋼管を浸漬させることで内外面から急冷することができる。熱処理対象の鋼管が焼割れ感受性の低い低中炭素鋼管（Ｃ含有量０．３０％未満）の場合、冷却装置２０を使用せず、浸漬槽３０だけを使用して鋼管を冷却することもできる。この場合、処理速度を大きくすることができる。一方、熱処理対象の鋼管が焼割れ感受性の高い鋼管の場合でも、冷却装置２０によって鋼管を十分に冷却しておけば、浸漬槽３０に浸漬させても焼割れが発生することはない。

すなわち、焼入れ装置１の構成によれば、対象となる鋼管の性質に応じて、冷却装置２０による焼入れと浸漬槽３０による焼入れとを選択的に実施することができる。一方、焼割れ感受性の高い鋼管だけを対象とする場合、浸漬槽３０は設置しなくてもよい。

［冷却装置２０の構成］
次に、冷却装置２０の構成を説明する。図２は、冷却装置２０の模式的平面図である。図３は、冷却装置２０の模式的正面図である。

冷却装置２０は、鋼管Ｐの軸方向に沿って配置されたＮ個の冷却ユニット２１（１）、２１（２）、…、２１（Ｎ）を備えている。ここで、Ｎは１以上の整数である。冷却ユニット２１（１）、２１（２）、…、２１（Ｎ）は、加熱装置１０（図１）側から、この順番で配置されている。

冷却ユニット２１（１）、２１（２）、…、２１（Ｎ）の各々（以下、各冷却ユニット２１と呼ぶ。）は、３個の冷却リング２１１を備えている。冷却リング２１１の各々は、鋼管Ｐの周りに配置された１２本のノズル２１１１（図３）を備えている。冷却リング２１１は、ノズル２１１１から鋼管Ｐに冷媒を噴射する。

鋼管Ｐは、搬送ローラ６０（図１）によって、管軸方向に所定の搬送速度ｖで搬送される。鋼管Ｐは、冷却装置２０内を所定の搬送速度ｖで通過する。このとき、各冷却ユニット２１は、ノズル２１１１から鋼管Ｐの外面に冷媒を噴射することで、鋼管Ｐを冷却する。

各冷却ユニット２１は、制御弁２１２をさらに備えている。制御弁２１２の各々は、制御装置２３によって制御される。この構成によれば、制御装置２３は、各冷却ユニット２１から噴射される冷媒の量を独立して制御することができる。

冷媒は、例えば、水、油、ミストであり、好ましくはミストである。図２では、図の簡略化のため、各冷却ユニット２１に１つの制御弁２１２が設けられているように図示している。しかし、各冷却ユニット２１には、２つ以上の制御弁が設けられていてもよい。この場合、冷却ユニット２１（１）、２１（２）、…、２１（Ｎ）の冷媒の混合比（例えば、ミストの気水比）を独立して制御することができる。

上記では、各冷却ユニット２１が３個の冷却リング２１１を備えている構成を示したが、冷却リングの数は任意であり、１個であってもよい。各冷却ユニット２１が備える冷却リング２１１の数は、好ましくは２〜４個である。

上記では、各冷却リング２１１が１２個のノズル２１１１を備えている構成を示したが、ノズル２１１１の数は任意である。各冷却リング２１１が備えるノズル２１１１の数は、好ましくは８〜１８個である。

冷却装置２０は、（Ｎ＋１）個のセンサをさらに備えている。冷却装置２０は、具体的には、センサ２２（１）、２２（２）、…、２２（Ｎ＋１）を備えている。

センサ２２（１）は、冷却ユニット２１（１）と加熱装置１０（図１）との間に配置されている。センサ２２（２）は、冷却ユニット２１（１）と冷却ユニット２１（２）との間に配置されている。以下同様に、センサ２２（ｎ）（２≦ｎ≦Ｎ）は、冷却ユニット２１（ｎ−１）と冷却ユニット２１（ｎ）との間に配置されている。センサ２２（Ｎ＋１）は、冷却ユニット２１（Ｎ）よりも加熱装置１０（図１）から遠い位置に配置されている。

センサ２２（１）、センサ２２（１）、２２（２）、…、２２（Ｎ＋１）の各々は、鋼管Ｐを検出し、検出結果を制御装置２３に送信する。センサ２２（１）、２２（２）、…、２２（Ｎ＋１）の各々は、より具体的には、当該センサ位置に鋼管が存在するかどうかを判定して、判定結果を制御装置２３に送信する。

センサ２２（１）、２２（２）、…、２２（Ｎ＋１）は例えば、各々が発光素子と受光素子とを備えた構成とすることができる。この場合。発光素子からの光を受光素子が検出している間は、当該センサ位置に鋼管Ｐが存在しないと判定する。一方、発光素子からの光が鋼管Ｐに遮られて受光素子で検出されなくなれば、当該センサ位置に鋼管Ｐが存在すると判定する。センサ２２（１）、２２（２）、…、２２（Ｎ＋１）の構成はこれに限定されず、例えば、パイロメータや、機械的なスイッチとすることもできる。

［制御装置２３の動作］
制御装置２３は、センサ２２（１）、２２（２）、…、２２（Ｎ＋１）から送信される情報に基づいて、冷却ユニット２１（１）、２１（２）、…、２１（Ｎ）を制御する。

制御装置２３は、より具体的には、冷却ユニット２１（ｎ）よりも加熱装置１０（図１）に近い側において冷却ユニット２１（ｎ）に最も近接したセンサ、及び冷却ユニット２１（ｎ）よりも加熱装置１０（図１）から遠い側において冷却ユニット２１（ｎ）に最も近接したセンサの両方が鋼管Ｐを検出しているときに、冷却ユニット２１（ｎ）から冷媒を噴射させる。すなわち、制御装置２３は、センサ２２（ｎ）及びセンサ２２（ｎ＋１）の両方が鋼管Ｐを検出しているときに、冷却ユニット２１（ｎ）から冷媒を噴射させる。換言すれば、制御装置２３は、センサ２２（ｎ）及びセンサ２２（ｎ＋１）のいずれか一方が鋼管Ｐを検出していないときは、冷却ユニット２１（ｎ）から冷媒を噴射させない。

以下、図４Ａ〜図４Ｅを参照して、制御装置２３の動作をより具体的に説明する。図４Ａ〜図４Ｅは、冷却装置２０から、ｎ番目の冷却ユニット２１（ｎ）の近傍を抜き出して模式的に示す図である。

図４Ａは、鋼管Ｐの先端がセンサ２２（ｎ）よりも加熱装置１０（図１）に近い側にある状態を示している。この状態では、センサ２２（ｎ）及び２２（ｎ＋１）の両方が鋼管Ｐを検出しない。そのため、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）から冷媒を噴射させない。すなわち、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）の制御弁２１２を「閉」にする。

図４Ｂは、鋼管Ｐの先端が、センサ２２（ｎ）とセンサ２２（ｎ＋１）との間にある状態を示している。この状態では、センサ２２（ｎ）は鋼管Ｐを検出するが、センサ２２（ｎ＋１）は鋼管Ｐを検出しない。そのため、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）から冷媒を噴射させない。すなわち、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）の制御弁２１２を「閉」にする。

図４Ｃは、鋼管Ｐの先端がセンサ２２（ｎ＋１）よりも加熱装置１０（図１）から遠い側にあり、かつ、鋼管Ｐの後端がセンサ２２（ｎ）よりも加熱装置１０（図１）に近い側にある状態を示している。この状態では、センサ２２（ｎ）及び２２（ｎ＋１）の両方が鋼管Ｐを検出する。そのため、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）から冷媒を噴射させる。すなわち、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）の制御弁２１２を「開」にする。

図４Ｄは、鋼管Ｐの後端が、センサ２２（ｎ）とセンサ２２（ｎ＋１）との間にある状態を示している。この状態では、センサ２２（ｎ＋１）は鋼管Ｐを検出するが、センサ２２（ｎ）は鋼管Ｐを検出しない。そのため、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）から冷媒を噴射させない。すなわち、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）の制御弁２１２を「閉」にする。

図４Ｅは、鋼管Ｐの後端が、センサ２２（ｎ＋１）よりも加熱装置１０（図１）から遠い側にある状態を示している。この状態では、センサ２２（ｎ）及び２２（ｎ＋１）の両方が鋼管Ｐを検出しない。そのため、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）から冷媒を噴射させない。すなわち、制御装置２３は、冷却ユニット２１（ｎ）の制御弁２１２を「閉」にする。

以上、制御装置２３の動作を説明した。この構成によれば、鋼管Ｐの先端が冷却ユニット２１（ｎ）に侵入しても、鋼管Ｐの先端がセンサ２２（ｎ＋１）に到達するまでは冷媒が噴射されない。そのため、鋼管Ｐの先端は冷却されない。また、鋼管Ｐの後端がセンサ２２（ｎ）を通過すると冷媒が噴射されなくなる。そのため、鋼管Ｐの後端は冷却されない。本実施形態による冷却装置２０の構成によれば、鋼管Ｐの管端部を冷却しないことによって、管端部の応力集中に起因する焼割れを抑制することができる。

鋼管Ｐの管端部には冷媒が噴射されないので、鋼管Ｐの内側に冷媒が侵入するのを抑制することができる。鋼管Ｐの内側に冷媒が侵入すると、面内の円周方向に不均一な熱応力が生じ、焼割れが起こりやすくなる。本実施形態によれば、鋼管Ｐの内側に冷媒が侵入することに起因する焼割れも抑制することができる。また、冷媒が鋼管Ｐの内面を伝って加熱装置１０（図１）に到達し、加熱装置１０を損傷することも抑制することができる。

本実施形態によれば、搬送距離をエンコーダ等から算出して冷却ユニット２１（ｎ）を制御する方式と比較して、冷媒を噴射するタイミングを正確に制御することができる。鋼管Ｐには、加熱・冷却の影響によって曲がりが生じている場合がある。また、鋼管Ｐと搬送装置６０との間にすべりが生じたり、鋼管Ｐが脱線したりする場合がある。これらによって、鋼管Ｐの実際の先端・後端の位置は、エンコーダ等から算出された位置と一致しない場合がある。本実施形態によれば、センサ２２（ｎ）及び２２（ｎ＋１）によって鋼管Ｐの実際の先端・後端の位置を検出するため、冷媒を噴射するタイミングを正確に制御することができる。

本実施形態によれば、焼割れの発生を抑制しつつ、管端部を除いて焼入れ組織の体積率の高い鋼管を得ることができる。管端部では焼入れ組織が得られないが、この部分は切断すればよい。管端部の冷却しない領域の長さは、冷却ユニット２１（ｎ）とセンサ２２（ｎ）との距離、及び冷却ユニット２１（ｎ）とセンサ２２（ｎ＋１）との距離によって調整することができる。

本実施形態では、（Ｎ＋１）個のセンサが配置されている場合を説明した。具体的には、冷却ユニット２１（１）と加熱装置１０（図１）との間、各冷却ユニット２１の間、及び冷却ユニット２１（Ｎ）よりも加熱装置１０（図１）から遠い位置、のそれぞれに１つずつセンサが配置されている場合を説明した。しかし、センサの数は、（Ｎ＋１）よりも多くてもよい。例えば、各冷却ユニット２１の間に２つのセンサが配置されていてもよい。この場合、冷却しない領域の長さをより短くすることができる。

［冷媒量の設定］
次に、図２及び図５を参照して、制御装置２３の動作をさらに説明する。制御装置２３は、冷却ユニット２１（１）、２１（２）、…、２２（Ｎ）が冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量をそれぞれ設定する。以下の説明では、Ｎは３以上の整数とし、鋼管Ｐを冷却している間の搬送速度ｖは一定であるとする。

図５は、軸方向に沿った鋼管Ｐの表面温度（外面の表面温度）の分布と、冷却ユニット２１（１）、２１（２）、…、２１（Ｎ）の位置との関係を示す図である。図５では、センサ２２（１）、２２（２）、…、２２（２）等の図示は省略している。

制御装置２３（図２）は、制御弁２１２を制御して、冷却ユニット２１（１）〜２２（ｋ）に供給される冷媒の量をＷ１（第１冷媒量）に設定する。ここで、ｋは１以上（Ｎ−２）以下の整数である。図５は、ｋ＝２の場合を示している。制御装置２３はさらに、冷却ユニット２１（ｋ＋１）に供給される冷媒の量をＷ２（第２冷媒量）に設定し、冷却ユニット２１（ｋ＋２）〜２２（Ｎ）に供給される冷媒の量をＷ３（第３冷媒量）に設定する。

冷媒量Ｗ２は、冷媒量Ｗ１未満である。冷媒量Ｗ３は、冷媒量Ｗ２以下である。冷媒量Ｗ３は、好ましくは冷媒量Ｗ２未満である。なお、図５には、仮にＷ２＝Ｗ１とした場合の、鋼管の表面温度の分布を、二点鎖線で模式的に示している。

冷媒量Ｗ２はさらに、冷却ユニット２１（ｋ＋１）の最終の冷却リング２１１（加熱装置１０（図１）から最も遠い冷却リング２１１）の位置における鋼管Ｐの表面温度がマルテンサイト変態開始温度（以下、Ｍｓ点という。）以上であり、かつ、冷却ユニット２１（ｋ＋２）の最初の冷却リング２１１（加熱装置１０（図１）に最も近い冷却リング２１１）の位置における鋼管Ｐの表面温度がＭｓ点以下になるように設定される。換言すれば、冷媒量Ｗ２は、鋼管の表面温度がＭｓ点を通過する位置が、冷却ユニット２１（ｋ＋１）と冷却ユニット２２（ｋ＋２）の間になるように設定される。

冷媒量Ｗ２は、好ましくは、冷却ユニット２１（ｋ＋１）の最終の冷却リング２１１の位置における鋼管Ｐの表面温度がＭｓ点よりも高くなり、かつ、冷却ユニット２１（ｋ＋２）の最初の冷却リング２１１の位置における鋼管Ｐの表面温度がＭｓ点よりも低くなるように設定される。

冷媒量Ｗ３は、好ましくは、冷却ユニット２１（Ｎ）の最終の冷却リング２１１の位置における鋼管Ｐの内面温度がマルテンサイト変態終了温度（以下、Ｍｆ点という。）以下になるように設定される。これは、冷却終了時の温度がＭｆ点以下になっていないと、鋼管Ｐの組成によっては残留オーステナイト相が増加する場合があるためである。また、操業効率の面から速やかに変態を完了させるためでもある。

冷媒量Ｗ３は、さらに好ましくは、冷却ユニット２１（Ｎ）の最終の冷却リング２１１の位置における鋼管Ｐの肉厚内最高温度がＭｆ点以下になるように設定される。なお、本実施形態では、鋼管Ｐの外面にだけ冷媒を噴射する。そのため、肉厚内最高温度は、鋼管Ｐの内面又は内面から少し内側の位置になる。

［冷媒量の決定方法］
冷媒量Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、鋼管の表面温度がＭｓ点になる位置をシミュレーションによって予測して決定することができる。以下では、鋼管の温度分布を計算する方法の一例（以下、本計算例と呼ぶ。）を説明する。

本計算例は、有限要素法による数値解析である。本計算例では、計算の便宜のため、各ゾーンの冷媒量Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に代えて、鋼管表面と冷媒との界面の熱伝達率ｈ１、ｈ２、ｈ３を用いる。冷媒量と熱伝達率との関係は、実測定から求めることができる。なお熱伝達率は、冷媒量の０．５〜０．８乗に比例する。したがって、冷媒量を最大値Ｗ_ＭＡＸにして測定したときの熱伝達率をｈ_ＭＡＸとすると、冷媒量Ｗと熱伝達率ｈの関係は、次式によって求めることもできる。指数部の０．６５は、０．５〜０．８の中間値である。
（Ｗ／Ｗ_ＭＡＸ）^０．６５＝ｈ／ｈ_ＭＡＸ

図６は、本計算例で用いる鋼管Ｐのシミュレーションモデルを説明するための図である。図７は、図６の矩形領域ＶＩＩの拡大図である。本計算例では、鋼管Ｐを軸対称とみなし、肉厚方向に沿って整列した節点を持つモデルを用いる。モデル上面は平面を保持する（一様変位が起こる）ものとし、肉厚方向の熱の移動を計算する。

初期条件は、全節点で同一温度（加熱装置１０（図１）の温度）、同一組織（オーステナイト組織）とする。冷却条件は、加熱装置１０と冷却装置２０との間では内外面ともに空冷、冷却装置２０内では内面空冷、外面強制冷却、冷却装置２０通過後は内外面空冷とする。強制冷却時における鋼管表面と冷媒との界面の熱伝達率として、上述の熱伝達率ｈ１、ｈ２、ｈ３を用いる。空冷時における鋼管表面と空気との熱伝達率は例えば、５（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））とする。

本計算例では、組織変態を考慮した温度−変位連成解析を行う。組織変態の予測モデルとして、拡散変態はLiの拡散型変態予測モデル（M.V.Li et al. Metall. Mater. Trans. B, 29(3) 661-672, 1998）を用いてモデル化し、無拡散変態はＫ−Ｍ式（D. P. Koistinen and R. E. Marburger, ActaMetall., 7, 59-60, 1959）を用いてモデル化する。熱膨張係数及び変態膨張係数は、Miettinenの密度式（J. Miettinen, Metall. Mater. Trans. B, vol. 28B, 281-297, 1997）を用いて、各相の密度差から予測する。

混合相の材料特性は、線形混合則の成立を仮定して、下記の式（１）から求める。

ここで、Ｐ_{ｍｉｘｔｕｒｅ}、Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｆ／Ｐ、Ｐ_Ｂ、及びＰ_Ｍはそれぞれ、混合相、オーステナイト相、フェライト／パーライト相、ベイナイト相、及びマルテンサイト相の材料特性である。ξ_Ａ、ξ_Ｆ／Ｐ、ξ_Ｂ、及びξ_Ｍはそれぞれ、オーステナイト相、フェライト／パーライト相、ベイナイト相、及びマルテンサイト相の体積率である。

Liの拡散型変態予測モデルによれば、オーステナイトから各拡散変態組織へ等温変態する場合の時間τは、変態率Ｘと温度Ｔの関数として、下記の式（２）のように表される。

ここで、Ｆは合金元素の含有量（Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、単位は質量％）及びＡＳＴＭオーステナイト粒度番号Ｇの関数である。ΔＴは過冷却度（＝変態点−Ｔ）、ｎは実験的に決定された定数、Ｑは拡散変態の活性化エネルギー（２７５００（ｃａｌ／ｍｏｌ））、Ｒは気体定数（１．９８７（ｃａｌ／ｍｏｌ／Ｋ））である。また、Ｓ（Ｘ）は変態速度を表わす関数であり、下記の式（３）で与えられる。

なお、フェライト、パーライト、及びベイナイトの各変態組織へ変態する場合の具体形τ_Ｆ、τ_Ｐ、及びτ_Ｂはそれぞれ、下記の式（４）〜式（６）で与えられる。

ここで、Ａｅ_３はフェライトの存在上限を定義する平衡温度、Ａｅ_１はオーステナイトの存在下限を定義する平衡温度、Ｂｓはベイナイト変態開始温度である。

上記の拡散型変態予測モデルから、連続冷却中の相変態予測を考える。ある微小時間ｄτの間温度が一定であると仮定すると、時刻τにおける変態速度式は式（２）を変態率Ｘで微分して逆数をとることで、下記の式（７）のように表される。

時刻τ_ｉにおける変態率Ｘ_ｉが既知であれば、時刻τ_ｉ＋１＝τ_ｉ＋ｄτにおける変態率Ｘ_ｉ＋１は、式（７）から求めることができる。これを時刻０からτ_ｉ（ｉ＝１，２，３…）まで繰り返す。これは、加算則を用いて連続冷却変態を予測することに相当する。

無拡散変態は、下記の式（８）によって表されるＫ−Ｍ式によって、温度のみの関数として取り扱う。

上記のモデルを用いて、搬送速度ｖ、熱伝達率ｈ１、ｈ２、ｈ３を所与の条件として鋼管の温度分布を計算し、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置を求める。鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が冷却ユニット２１（ｋ＋１）と冷却ユニット２１（ｋ＋２）との間となるように、熱伝達率ｈ２を調整する。そして、得られた熱伝達率ｈ２を冷媒量Ｗ２に換算する。

同様に、冷却ユニット２１（Ｎ）の最終の冷却リング２１１の位置における鋼管Ｐの表面温度をＭｆ点以下にする場合は、当該温度を上記のモデルで計算し、当該温度がＭｆ点以下になるように熱伝達率ｈ３を調整する。そして、得られた熱伝達率ｈ３を冷媒量Ｗ３に換算すればよい。

同様に、冷却ユニット２１（Ｎ）の最終の冷却リング２１１の位置における鋼管Ｐの肉厚内最高温度をＭｆ点以下にする場合は、当該温度を上記のモデルで計算し、当該温度がＭｆ点以下になるように熱伝達率ｈ３を調整する。そして、得られた熱伝達率ｈ３を冷媒量Ｗ３に換算すればよい。

以下、上記のように冷媒量を設定することの効果を説明する。図８は、マルテンサイト変態を伴う鋼のＣＣＴ曲線を模式的に示す図である。

曲線Ｃ１のように冷却開始から終了まで一貫して急冷すると、変態応力によって割れが発生する場合がある。炭素含有量の高い鋼ほど変態膨張量が大きくなり、割れが発生しやすくなる。また、炭素含有量の高い鋼ほどＭｓ点が低くなり、さらにＭｓ点とＭｆ点との間隔が狭くなるため、急激な変態膨張が起こり、割れが発生しやすくなる。

一方、曲線Ｃ２のように冷却開始から終了まで一貫して緩冷すると、ベイナイト等の中間相が混入し、マルテンサイト体積率の高い組織が得られない場合がある。

そのため、曲線Ｃ３のように、Ｍｓ点の直上までを急冷し、Ｍｓ点以下を緩冷することが好ましい。これによって、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立できる。

これを実現するためには、鋼管の表面温度がＭｓ点になる位置を境界として、この位置よりも上流側（加熱装置１０（図１）側）の冷却ユニットが噴射する冷媒の量を多くし、この位置よりも下流側（浸漬槽３０（図１）側）の冷却ユニットが噴射する冷媒の量を少なくすればよい。

しかしながら、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が、必ずしも冷却ユニットと冷却ユニットとの間になるとは限らない。鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が上流側にずれれば、マルテンサイト変態領域の一部を強冷することになり、焼割れが発生する可能性がある。一方、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が下流側にずれれば、Ｍｓ点よりも高い領域の一部を緩冷することになり、中間相が混入する可能性がある。また、生産効率の点でも好ましくない。

鋼管Ｐの搬送速度ｖを変更することで、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置を調整することが考えられる。しかしながら、搬送速度ｖを変更すれば、鋼管Ｐの軸方向全体にわたって冷却速度が変化し、冷却曲線が大きく変化するという問題がある。

冷却ユニットを細かく分割することで、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が冷却ユニットと冷却ユニットとの間になるように調整することも考えられる。しかしながら、最も細かく分割しても、冷却リング２１１の幅の単位でしか調整することができない。また、冷却ユニットの数を増やすと、装置の構成が複雑になる。

本実施形態では、冷却ユニット２１（ｋ＋１）の冷媒の量を冷媒量Ｗ２に設定する。本実施形態では、冷媒量Ｗ２を制御することで、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が、冷却ユニット２１（ｋ＋１）と冷却ユニット２１（ｋ＋２）との間になるように調整する。

この構成によれば、Ｍｓ点の直上までを急冷し、Ｍｓ以下の温度を緩冷することができる。これによって、焼割れの防止と焼入れ組織の確保とを両立し、かつ効率よく鋼管を熱処理することができる。

本実施形態による焼入れ装置は、管端部を除いてマルテンサイトの体積率が９０％以上の鋼管を製造する場合に、特に好適に用いることができる。本実施形態による焼入れ装置は、Ｃ含有量が０．５０質量％以上の素管を焼入れして鋼管を製造する場合に、特に好適に用いることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。

有限要素法によるシミュレーションを実施し、鋼管の温度分布、及び冷却後の特性を計算した。より具体的には、組織変態を考慮した温度−変位連成解析を行い、冷却後の鋼管の周方向残留応力、マルテンサイト相の体積率等を計算した。

［実施例１］
まず、管端部を冷却する場合と冷却しない場合との残留応力の変化を調査した。

焼入れ装置１（図１）で焼入れすることを想定してシミュレーションモデルを設定した。加熱装置１０の温度は９００℃、搬送速度ｖは１７ｍ／分、供給可能な最大総水量は５７６０Ｌ／分とした。このシミュレーションでは、全冷却ユニットから最大の冷媒量を噴射するものとした。

鋼管のサイズは、外径２４４．４８×肉厚１５ｍｍに設定した。鋼管の化学組成（単位は質量％）は、Ｃ：０．６０％、Ｓｉ：０．２７％、Ｍｎ：０．４３％、Ｐ：０．００１％、Ｓ：０．００１％、Ｃｕ：０．０２％、Ｃｒ：０．５２％、Ｎｉ：０．０２％、Ｍｏ：０．６８％、Ｖ：０．０８８％、残部Ｆｅ及び不純物とした。

図９は、管端部を冷却した場合における鋼管の周方向の残留応力の分布を示す図である。図１０は、管端部を冷却しなかった場合における鋼管の周方向の残留応力の分布を示す図である。図９及び図１０において、残留応力の値が正の場合は引張応力であることを、値が負の場合は圧縮応力であることを示す。

図９に示すように、管端部を冷却した場合、管端部に４００ＭＰａを超える引張応力が発生した。一方、図１０に示すように、管端部を冷却しなかった場合、管端部の残留応力は圧縮応力となった。このことから、管端部を冷却しないようにすることによって、管端部を起点とする焼割れを抑制できることが確認された。

［実施例２］
次に、第１〜第３冷媒量を制御して、低残留応力と高マルテンサイト率を両立できる条件を探索した。具体的には、冷却後の鋼管の周方向残留応力（肉厚方向の最大値）σ_θが２００ＭＰａ以下で、かつ、マルテンサイト相の体積率ξ_Ｍが９０％以上になることを目標とした。

実施例１と同様に、焼入れ装置１（図１）で焼入れすることを想定してシミュレーションモデルを設定した。このシミュレーションでは、急冷する冷却ユニットを個数は２（ｋ＝２）とし、第１冷媒量Ｗ１、第２冷媒量Ｗ２、第３冷媒量Ｗ３を変更して周方向残留応力σ_θ及びマルテンサイト相の体積率ξ_Ｍを計算した。

鋼管のサイズは、外径２４４．４８×肉厚８ｍｍに設定した。鋼管の化学組成（単位は質量％）は、Ｃ：０．５３％、Ｓｉ：０．２７％、Ｍｎ：０．４３％、Ｐ：０．００１％、Ｓ：０．００１％、Ｃｕ：０．０２％、Ｃｒ：０．５２％、Ｎｉ：０．０２％、Ｍｏ：０．６８％、Ｖ：０．０８８％、残部Ｆｅ及び不純物とした。この鋼管のＭｓ点は２９８℃、Ｍｆ点は１００℃であった。

結果を表１に示す。表１において、Ｔ３は３番目（ｋ＋１番目）の冷却ユニット２１の最終の冷却リングの位置における鋼管の表面温度であり、Ｔ４は４番目（ｋ＋２番目）の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における鋼管の表面温度である。

Ｃａｓｅ１は、Ｔ３≧Ｍｓ、かつＭｓ≧Ｔ４であった。すなわち、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が、３番目の冷却ユニットと４番目の冷却ユニットとの間であった。Ｃａｓｅ１では、冷却後の鋼管の周方向残留応力σ_θが２００ＭＰａ以下であり、マルテンサイト相の体積率ξ_Ｍが９０％以上であった。

Ｃａｓｅ２は、Ｔ３＜Ｍｓであった。すなわち、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が、３番目の冷却ユニットの内側であった。Ｃａｓｅ２では、冷却後の鋼管の周方向残留応力σ_θが２００ＭＰａを超えた。

Ｃａｓｅ３は、Ｍｓ＜Ｔ４であった。すなわち、鋼管の表面温度がＭｓ点となる位置が、４番目の冷却ユニットの内側であった。Ｃａｓｅ３では、冷却後の鋼管のマルテンサイト相の体積率ξ_Ｍが９０％未満であった。

１００ 熱処理ライン
１ 焼入れ装置
１０ 加熱装置
２０ 冷却装置
２１（１）、２１（２）、…、２１（Ｎ） 冷却ユニット
２１１ 冷却リング
２１１１ ノズル
２１２ 制御弁
２２（１）、２２（２）、…、２２（Ｎ＋１） センサ
２３ 制御装置
３０ 冷却槽
４０ 焼戻し装置
６０ 搬送ローラ（搬送装置）

Claims (4)

1. 素管を焼入れして、管端部を除いてマルテンサイトの体積率が９０％以上である鋼管を製造する方法であって、
   加熱装置で前記素管を加熱する工程と、
   前記素管をその軸方向に一定速度で搬送する工程と、
   前記素管の軸方向に沿って配置され、各々が前記素管を検出する複数のセンサによって前記素管を監視する工程と、
   前記素管の軸方向に沿って配置され、加熱された前記素管に冷媒を噴射する１個以上の冷却リングを各々が含むＮ個の冷却ユニットよって前記素管を冷却する工程とを備え、
   前記複数のセンサは、少なくとも、前記加熱装置側から１番目の前記冷却ユニットと前記加熱装置との間、前記各冷却ユニットの間、及び前記加熱装置側からＮ番目の前記冷却ユニットよりも前記加熱装置から遠い位置、に１つずつ配置され、
   前記冷却する工程では、前記各冷却ユニットは、前記複数のセンサのうち当該冷却ユニットよりも前記加熱装置に近い側において当該冷却ユニットに最も近接したセンサ、及び前記複数のセンサのうち当該冷却ユニットよりも前記加熱装置から遠い側において前記冷却ユニットに最も近接したセンサ、の両方が前記素管を検出しているときに冷媒を噴射し、
   前記加熱装置側から１〜ｋ番目の前記冷却ユニットの各々が冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を第１冷媒量に設定し、
   前記加熱装置側から（ｋ＋１）番目の冷却ユニットが冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を前記第１冷媒量未満であって、前記（ｋ＋１）番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記素管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以上になり、かつ、前記加熱装置から（ｋ＋２）番目の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における前記素管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる量である第２冷媒量に設定し、
   前記加熱装置側から（ｋ＋２）〜Ｎ番目の冷却ユニットの各々が冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を前記第２冷媒量未満の量である第３冷媒量に設定する、鋼管の製造方法。
   ただし、Ｎは３以上の整数であり、ｋは１以上Ｎ−２以下の整数である。
2. 請求項１に記載の鋼管の製造方法であって、
   前記冷却する工程では、前記第３冷媒量を、前記加熱装置側からＮ番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記素管の肉厚内最高温度がマルテンサイト変態終了温度以下になる量に設定する、鋼管の製造方法。
3. 鋼管を加熱する加熱装置と、
   前記鋼管をその軸方向に一定の搬送速度で搬送する搬送装置と、
   前記鋼管の軸方向に沿って配置され、各々が前記鋼管を検出する複数のセンサと、
   前記鋼管の軸方向に沿って配置され、加熱された前記鋼管に冷媒を噴射する１個以上の冷却リングを各々が含むＮ個の冷却ユニットと、
   前記冷却ユニットの各々が噴射する冷媒の量を制御する制御装置とを備え、
   前記複数のセンサは、少なくとも、前記加熱装置側から１番目の前記冷却ユニットと前記加熱装置との間、前記各冷却ユニットの間、及び前記加熱装置側からＮ番目の前記冷却ユニットよりも前記加熱装置から遠い位置、に１つずつ配置され、
   前記制御装置は、
   前記各冷却ユニットに、前記複数のセンサのうち当該冷却ユニットよりも前記加熱装置に近い側において当該冷却ユニットに最も近接したセンサ、及び前記複数のセンサのうち当該冷却ユニットよりも前記加熱装置から遠い側において前記冷却ユニットに最も近接したセンサ、の両方が前記鋼管を検出しているときに冷媒を噴射させ、
   前記加熱装置側から１〜ｋ番目の前記冷却ユニットの各々が冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を第１冷媒量に設定し、
   前記加熱装置側から（ｋ＋１）番目の冷却ユニットが冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を前記第１冷媒量未満であって、前記（ｋ＋１）番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記鋼管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以上になり、かつ、前記加熱装置から（ｋ＋２）番目の冷却ユニットの最初の冷却リングの位置における前記鋼管の表面温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる量である第２冷媒量に設定し、
   前記加熱装置側から（ｋ＋２）〜Ｎ番目の冷却ユニットの各々が冷媒を噴射する場合の単位時間に噴射する冷媒の量を前記第２冷媒量未満の量である第３冷媒量に設定する、焼入れ装置。
   ただし、Ｎは３以上の整数であり、ｋは１以上Ｎ−２以下の整数である。
4. 請求項３に記載の焼入れ装置であって、
   前記制御装置は、前記第３冷媒量を、前記加熱装置側からＮ番目の冷却ユニットの最終の冷却リングの位置における前記鋼管の肉厚内最高温度がマルテンサイト変態終了温度以下になる量に設定する、焼入れ装置。

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