JPH08319516A - 管状体の冷却方法および冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】冷却曲がりの発生を大幅に抑制し得る管状体の
冷却方法の提供。 【構成】水平に横置されてその軸心回りに回転される管
状体１の上方から、この管状体１の軸長方向に延在する
板状の冷却水を流下させるに際し、前記板状の冷却水の
延在方向を水平面内における管状体１の軸心に対して交
叉させて流下させる、管状体の冷却方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄鋼、アルミニウムや
銅などの非鉄金属およびプラスチック、セラミックスな
どの非金属などで形成された中空円筒材（以下、単に管
状体という）の冷却方法と、その冷却方法の実施に使用
する冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、長尺の管状体を冷却するには、
（イ）回転しながら走行する管状体の外面にリング状ノ
ズルによって冷却水を噴射させる方法、（ロ）管状体の
内面側に冷却水を通水する方法、（ハ）水槽内に浸漬す
る方法などがある。管状体の中でも鋼管は種々の熱処理
が行われるため、その冷却方法については古くから研究
がなされている。以下、長尺の鋼管を冷却する場合につ
いて説明する。

【０００３】例えば、鋼管を焼入れするときの冷却方法
には、鋼管に生じる冷却後の曲がり（以下、単に冷却曲
がりという）の発生を抑制する観点から円周方向に均一
冷却し、かつ冷却速度を速くする必要があるので、通
常、（１）リング状のスプレーノズルによって外面から
冷却する方法（特開昭５９−２０５４１８号公報、同４
８−８４７１５号公報など）、（２）水槽に鋼管を浸漬
してその軸心回りに回転させ、水槽内に設けたノズルに
よって水を管端から管内面側に噴流させる方法（特開昭
５８−１４１３３２号公報など）が多く用いられる。

【０００４】しかし、上記（１）の方法では、鋼管の全
長を同時に均一冷却することが困難であり、しかも種々
の外径の鋼管を処理するには内径が異なるリング状ノズ
ルを多く準備する必要があるという問題があった。ま
た、上記（２）の方法では、鋼管の全長を同時にほぼ均
一に冷却できるが、水槽を含めた装置全体が大がかりな
ものとなるため、長尺の鋼管の冷却には適さないという
問題があった。さらに、上記いずれの方法も、厚肉かつ
長尺の鋼管の焼入れ時には、十分な冷却速度が確保でき
ず、鋼管の冷却方法として適さないという問題があっ
た。このような問題を解決するための方法として、板状
の冷却水を回転する鋼管の外面全長にわたって流下させ
る方法（特開昭５８−５２４２６号公報）が開発されて
いる。

【０００５】図１２は、板状の冷却水（以下、ラミナ冷
却水という）を流下させて焼入れする装置を示す図であ
り、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
図１２において、１は鋼管（管状体）、２は外面側冷却
水供給用のスリットノズル、３は内面側冷却水供給用の
ノズル、４は回転支持ロール、５はラミナ冷却水、６は
冷却水をそれぞれ示す。

【０００６】この焼入れ装置は、鋼管１を回転支持ロー
ル４で回転させながら、水平面内における鋼管１の軸心
の直上上方からスリットノズル２によって鋼管１の全長
にわたるラミナ冷却水５を流下させて鋼管１を外面側か
ら冷却する一方、鋼管１の一方管端から他方管端に向か
ってノズル３によって冷却水６を噴射通水して内面から
も冷却するものである。

【０００７】しかし、この装置を用いても、鋼管１を支
持する回転支持ロール４の部分と他の部分とで冷却むら
が生じやすく、鋼管１がさらに長尺または／および厚肉
になると、冷却水６の吐出側管端部領域においては冷却
速度が低くなり、鋼管１の材質によっては焼入れ後の性
質にバラツキが生じることがある。これらの問題点を解
消する方法として、特公平２−８００８号公報には、回
転する鋼管を内外面から同時に冷却しながら鋼管をその
軸長方向に往復運動させる方法が提案されている。ま
た、特開昭５８−５２４２７号公報には、内面噴流水の
吐出側に近づくに従って外面側の冷却水量を多くする方
法、冷却開始時期を早める方法、さらには冷却終了時期
を遅らせる方法が提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の特開昭５８−５
２４２６号公報、同５８−５２４２７号公報および特公
平２−８００８号公報に開示された方法は、いずれも円
周方向に温度むらが生じて冷却曲がりが発生しないよう
にするために鋼管を回転させているものの、鋼管の全長
を同時に冷却すべく、水平面内における鋼管軸心の直上
上方から鋼管全長にわたるラミナ冷却水を円周方向最上
部の一部分に集中的に流下させて外面側を冷却すること
としている。このため、鋼管円周方向の一部に軸長方向
に連続して延在する筋状の低温部分が形成されやすく、
冷却曲がりが発生しやすいという欠点がある。

【０００９】また、特開昭５８−５２４２６号公報に開
示の方法では、前述したように、鋼管円周方向の最上部
の一部分に対してラミナ冷却水を集中的に流下させて外
面側からの冷却を行うため、外面の冷却能が通水冷却に
よる内面の冷却能に比べて小さくなり、厚肉の鋼管を対
象とする場合には必要な冷却速度が得られなくなるとい
う欠点がる。尤も、外面側冷却用のラミナ冷却水の水量
を増やせば必要な外面の冷却能は得られるが、この場合
には円周方向の温度不均一が助長されるため、冷却曲が
りがより一層生じやすくなる。

【００１０】さらに、特開昭５８−５２４２７号公報に
開示の方法では、外面側冷却用のラミナ冷却水の水量
や、冷却開始時期または冷却終了時期を制御するための
装置が複雑になるという欠点があり、特公平２−８００
８号公報に開示の方法では、処理できる鋼管の肉厚およ
び長さに限界があり、最近における厚肉かつ長尺で大径
化された鋼管の焼入れ時の冷却に適用することが困難
で、仮に適用できたとしても装置が複雑大型化し、経済
的でないという欠点がある。すなわち、特開昭５８−５
２４２７号公報および特公平２−８００８号公報に開示
の方法は、いずれも主として鋼管全長を同時により均一
に冷却することに主眼をおいたもので、鋼管円周方向に
均一冷却することによって冷却曲がりの発生を抑制し、
かつ冷却速度の高速化を図ることについては全く考慮し
ておらず、こと冷却曲がり抑制に関しては鋼管を回転さ
せることのみに頼っている。

【００１１】本発明の目的は、前述の鋼管のみに限ら
ず、あらゆる種類の管状体を冷却して冷却曲がりの発生
をより効率よく抑制することができるとともに、構造が
比較的簡単で、既存の焼入れラインなどへの適用が容易
にでき、管状体の外径および長さの制約を受けることが
なく、焼入れのような速い冷却速度を必要とされる冷却
に際しても十分な冷却速度を確保することのできる冷却
方法とこの方法を実施するのに用いる冷却装置を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ラミナ冷
却水を用いて管状体を外面側から冷却した場合における
冷却曲がりの発生機構について種々実験研究を重ね、次
のＡ〜Ｄに述べることを知見し、本発明をなすに至っ
た。

【００１３】Ａ：冷却曲がりは、冷却時の管状体円周方
向の温度不均一によって生じる引張り熱応力によって管
状体の軸長方向に形成される塑性伸び歪みによって発生
する残留応力による変形であり、塑性伸び歪みが管状体
の円周方向で不均一になった場合に発生すること。

【００１４】Ｂ：上記塑性伸び歪みは、管状体の冷却開
始直後にそのほとんどが発生し、その後はほとんど変化
することがなく、冷却開始時点においてラミナ冷却水が
衝突した管状体の円周方向位置近傍に集中して発生する
こと。

【００１５】Ｃ：そして、上記塑性伸び歪みの管状体の
円周方向不均一に起因して発生する冷却曲がりの大きさ
は、塑性伸び歪みの不均一部分が管状体の円周方向の同
位置で、管状体の軸長方向に連続している場合に比べ、
塑性伸び歪みの円周方向での不均一の程度が大きくて
も、その円周方向の不均一部分が管状体の軸長方向に連
続していない場合、即ち塑性伸び歪みの不均一部分の円
周方向発生位置が管状体の軸長方向各位置で円周方向に
異なっている場合の方が小さいこと。

【００１６】Ｄ：また、発生する冷却曲がりの大きさ
は、管状体の外表面に供給するラミナ冷却水の水量が同
じ場合は、管状体の外径または／および肉厚が小さいほ
ど大きく、管状体の外径または／および肉厚が同じ場合
は、管状体の外表面に供給するラミナ冷却水の水量が多
いほど大きいこと。

【００１７】本発明の要旨は、下記の冷却方法と、下
記の冷却装置にある。

【００１８】 水平に横置されてその軸心回りに回転
される管状体の上方から、この管状体の軸長方向に延在
する板状の冷却水（ラミナ冷却水）を流下させるに際
し、前記板状の冷却水の延在方向を水平面内における管
状体の軸心に対して交叉させて流下させる管状体の冷却
方法。

【００１９】 水平に受載した管状体をその軸心回り
に回転させる回転手段と、管状体の軸長方向に延在する
板状の冷却水を流下させるべく前記回転手段の上方に平
行に設けられた冷却水流下手段と、この冷却水流下手段
を水平に回動させ、流下させる板状の冷却水の延在方向
と水平面内における管状体の軸心とのなす傾き角度φを
調整する角度調整手段とを備える管状体の冷却装置。

【００２０】上記の冷却方法においては、管状体の軸
長方向で分割され、水平面内における管状体の軸心に対
して同一方向に交叉させた複数の板状の冷却水を流下さ
せるのが望ましく、さらには２条の板状の冷却水を流下
させるのがより望ましい。また更に、この方法を、例え
ば鋼管の焼入れ方法として用いる場合には、管状体の内
面に内面冷却用の冷却水を通水するのが望ましい。

【００２１】また、上記の冷却装置においては、冷却
水流下手段を管状体の軸長方向に複数に分割配置し、管
状体の軸長方向への相互の離間距離を調整自在に設けた
装置とするのが望ましく、さらには冷却水流下手段を２
条の板状の冷却水が流下できるものとし、その２条の板
状の冷却水の流下間隔を調整自在に設けた装置とするの
がより望ましい。また更に、この装置を、例えば鋼管の
焼入れ装置として用いる場合には、管状体の一方管端に
臨む位置に内面冷却用の冷却水を供給するノズルを具備
させるのが望ましい。

【００２２】

【作用】高温の管状体を水平に横置してその軸心回りに
回転させながら、その外面にラミナ冷却水を流下した場
合における管状体に生じる冷却曲がりの発生機構と、ラ
ミナ冷却水の冷却能について説明する。

【００２３】前述したように、冷却曲がりは、冷却後の
管状体にその軸長方向の塑性伸び歪みが円周方向で不均
一に分布することによって形成される管状体軸長方向の
残留応力の円周方向不均一に基づいて生じる曲げモーメ
ントによる変形と考えることができる。

【００２４】一方、上記の塑性伸び歪みは、管状体が高
温状態にあって管状体を構成する材料の降伏応力が小さ
いほど発生しやすく、管状体の温度低下に伴って管状体
を構成する材料の降伏応力が上昇するのに伴って塑性変
形は起こり難くなる。また、冷却曲がりの原因になる塑
性伸び歪みの管状体円周方向の不均一部分は、冷却開始
直後に生じ、その後はほとんど変化しない。

【００２５】従って、図１（ｂ）に示すように、水平に
横置された管状体１の水平面内における軸心ＰＣの軸長
方向にその延在方向を一致させてラミナ冷却水５を流下
させて管状体１を外面側から冷却する従来方法によった
場合には、図２（ｂ）に示すように、塑性伸び歪み（図
中の斜線部）がラミナ冷却水５の最初に衝突した管状体
１の円周方向の同一箇所に軸長方向に連続して形成さ
れ、管状体１には単純な曲げモーメントのみが作用する
ことになるため、冷却後の管状体１には下式(1)で表さ
れる大きさの冷却曲がりが生じることになる。すなわ
ち、管状体１の外面冷却領域長さＬの２乗に比例した大
きさの冷却曲がりが発生する。

【００２６】 δ＝ρ（１−ｃｏｓ（Ｌ／２ρ））≒Ｌ² ／８ρ ・・・・・・・・ (1) ここで、δ：冷却曲がり量（ｍｍ／Ｌ） ρ：冷却曲がりの曲率半径（ｍｍ） Ｌ：管状体の外面冷却領域長さ（ｍｍ） ところが、図１（ａ）に示すように、水平に横置された
管状体１の水平面内における軸心ＰＣに対してその延在
方向を傾き角度φをもって交叉させてラミナ冷却水５を
流下させて管状体１を外面側から冷却すると、ラミナ冷
却水５が管状体１に最初に衝突する円周方向の位置が管
状体１の軸長方向各位置で異なるので、図２（ａ）に示
すように、塑性伸び歪み（図中の斜線部）は管状体１の
片側半円周部分に螺旋状に形成されることになる。この
ため、残留応力によって生じるモーメントは曲げとねじ
りに分配されて曲げモーメント自体が小さくなり、曲が
り変形量はこの曲げモーメントの小さくなった分だけ小
さくなる。このことから、本発明では流下させるラミナ
冷却水５の延在方向を、水平に横置された管状体１の水
平面内における軸心ＰＣに対して交叉させることとし
た。

【００２７】ラミナ冷却水５は、管状体１が長尺、特に
細径長尺である場合、図３に示すように、水平面内にお
ける軸心ＰＣに対する交叉方向と傾き角度φを同じにし
て管状体１の軸長方向に分割して流下させることができ
る。この場合には、相隣合う一方のラミナ冷却水５によ
る管状体軸長方向の冷却範囲で生じる曲がり変形の方向
と、他方のラミナ冷却水５による管状体軸長方向の冷却
範囲で生じる曲がり変形の方向とが逆になるので、発生
する冷却曲がりの変形量がより小さく抑制される。

【００２８】この場合に生じる冷却曲がりの変形絶対量
は、各ラミナ冷却水５の延在長さ、換言すれば後述する
スリットノズルの長さに依存し、ノズル長さが短いほど
小さくなる。このため、管状体１の外径が極端に小さい
かまたは／および長い場合には、その外径および長さに
応じて２または３以上に複数分割するのが好ましい。

【００２９】そして、その長さが１〜４ｍ程度のスリッ
トノズルを用いる場合に冷却曲がりの低減効果が最も顕
著に得られる。

【００３０】さらに、ラミナ冷却水５は、図４に示すよ
うに、平行な２条のラミナ冷却水５−１、５−２を流下
させることができる。この場合には、冷却能を高めるこ
とができるのみならず、管状体１の軸長方向における冷
却能のばらつきを小さくすることができる。また、１条
のラミナ冷却水５を流下させる場合に比べ、その傾き角
度φを大きくすることができ、塑性伸び歪みの発生範囲
が管状体１の水平面内における軸心ＰＣからより一層離
れて円周方向に分散形成されて曲げモーメントが小さく
なるので、冷却曲がりも１条のラミナ冷却水を流下させ
る場合よりも小さくなる。

【００３１】図５は、後述する水模型試験で得られるラ
ミナ冷却水流下による水平面内における管状体の軸心と
ラミナ冷却水の延在方向（長さ方向）との交点位置にお
ける冷却状態を模式的に示す側面図であり、同図（ａ）
は１条のラミナ冷却水５の流下による冷却状態を、同図
（ｂ）は２条のラミナ冷却水５−１および５−２の流下
による冷却状態を示している。また、図６は、ラミナ冷
却水の延在方向（長さ方向）端部位置における冷却状態
を示す図であり、同図（ａ）は１条のラミナ冷却水５の
流下による冷却状態を、同図（ｂ）は２条のラミナ冷却
水５−１および５−２の流下による冷却状態を示してい
る。

【００３２】図５（ａ）に示すように、１条のラミナ冷
却水５の流下では、管状体１に衝突した冷却水の多くが
飛散する。しかし、同じ水量を２条のラミナ冷却水５−
１、５−２に分けて流下させる場合は、図５（ｂ）に示
すように、冷却水の飛散量が少なくなり、しかも管状体
１の両ラミナ冷却水５−１と５−２とで挟まれた部分に
安定した水膜７が形成される。同様に、ラミナ冷却水の
延在方向（長さ方向）端部位置においても、図６（ａ）
に示すように、１条のラミナ冷却水５の流下では、管状
体１に衝突した冷却水の多くが早期に管状体表面から離
れてしまうが、同じ水量を２条のラミナ冷却水５−１、
５−２に分けて流下させる場合は、図６（ｂ）に示すよ
うに、管状体表面から早期に離れる水量が少なくなり、
しかも両ラミナ冷却水５−１と５−２とで挟まれた部分
に安定した水膜７が形成される。

【００３３】この結果、２条のラミナ冷却水を流下させ
る場合の方が１条のラミナ冷却水を流下させる場合に比
べて冷却能が向上し、かつ冷却能の管状体軸長方向ばら
つきが小さくなる。

【００３４】図７は、水平面内における管状体の軸心か
らのラミナ冷却水衝突点離間距離が冷却熱伝達係数に及
ぼす影響を調べた試験結果の一例を示す図であり、縦軸
に熱伝達係数を、横軸に管状体の円周方向におけるラミ
ナ冷却水衝突点と管状体の軸心を通る垂直面とのなす内
角（以下、スリットノズルの偏心角度θという・・図６
参照）をとって示してある。

【００３５】上記試験結果は、外径１６５ｍｍ、肉厚５
ｍｍ、長さ５００ｍｍのステンレス鋼管を９５０℃に加
熱し、回転速度４０ｒｐｍで回転させながら、幅５ｍ
ｍ、長さ６００ｍｍの開口部を有する１条スリットノズ
ルと２条スリットノズルとを用い、そのノズル開口部先
端とステンレス鋼管の最上部との離間距離が１０００ｍ
ｍとなる直上方に平行に配置した状態で、ラミナ冷却水
の流下位置を水平面内における鋼管軸心に対して平行移
動させて円周方向各位置に変化させたときの鋼管表面温
度が８００℃のときにおける熱伝達係数測定結果であ
る。

【００３６】ここで、熱伝達係数は、ステンレス鋼管の
上面側１８０°の円周方向範囲内では一定と仮定して、
ステンレス鋼管に埋め込んだ熱電対による測定冷却曲線
から逆算して求めた。また、２条スリットノズルを用い
た場合におけるスリットノズル偏心角度θは、２条のラ
ミナ冷却水流下間隔ｄの中間点を通る垂線の鋼管表面交
点位置と鋼管軸心を通る垂直面とのなす内角（図６
（ｂ）参照）とし、２条のラミナ冷却水流下間隔ｄを種
々変化させた。さらに、冷却水量は１．４ｍ³ ／ｍｉｎ
・ｍとし、２条スリットノズルを用いる場合、この水量
を２分割して各ノズルから流下させた。

【００３７】図７から明らかなように、１条のラミナ冷
却水を流下させた場合と２条のラミナ冷却水を流下させ
た場合とでは、２条のラミナ冷却水を流下させた場合の
方が熱伝達係数が大きくなっており、冷却能が向上する
ことがわかる。

【００３８】また、１条のラミナ冷却水を流下させた場
合では、上記偏心角度θが２０°を超えると熱伝達係数
は急激に低下している。これに対し、２条のラミナ冷却
水を流下させた場合、その冷却水流下間隔ｄが５０ｍｍ
以上では、偏心角度θがほぼ３０°までは熱伝達係数の
低下が緩やかであり、２条のラミナ冷却水を流下させた
方が管状体の軸長方向の冷却速度がより均一になること
がわかる。

【００３９】さらに、２条のラミナ冷却水を流下させる
場合においては、ラミナ冷却水の延在方向端部での偏心
角度θをより大きくできること、換言すればより大きな
傾き角度φをもって交叉させてラミナ冷却水を流下させ
うることがわかる。従って、この場合には塑性伸び歪み
の発生箇所が、一方のラミナ冷却水の延在方向端から他
方のラミナ冷却水の延在方向端にかけて管状体１の半円
周上により大きな傾き角度φをもって広い範囲にわたっ
て形成される。このため、傾き角度φを大きく採ること
のできる２条のラミナ冷却水を流下させる場合には、１
条のラミナ冷却水を流下させる場合に比べ、残留応力に
起因して生じる捻りモーメントの比率が大きくなる分だ
け曲げモーメントの比率がより小さくなる。この結果、
２条のラミナ冷却水を流下させる方が冷却曲がりの量が
より小さくなるのである。

【００４０】なお、管状体１の外径を２ｒ、ラミナ冷却
水の延在方向長さ（スリットノズルの長さ）をｌとする
と、ラミナ冷却水延在方向端部での偏心角度θが、上記
の例えば３０°となるラミナ冷却水延在方向の管軸心に
対する交叉傾き角度φは下式(2) となる。

【００４１】 φ＝ｓｉｎ^-1（ｒ／ｌ） ・・・・・・・・・・ (2) 上記したように、冷却曲がりの絶対量をできるだけ小さ
くするためには、上記の傾き角度φをできるだけ大きく
するのが好ましいので、傾き角度φは冷却能の低下が生
じない範囲で可能な限り、例えば上記(2) 式の値に近づ
けることが好ましい。しかし、２条のラミナ冷却水を流
下させる場合、スリットノズルの傾き角度φ、換言すれ
ば偏心角度θを大きくし過ぎると、何れか一方端部のラ
ミナ冷却水が管状体に全くかからなくなり、ラミナ冷却
水の延在方向端部における熱伝達係数が急激に低下する
ことになる。この現象は、偏心角度θが、例えば冷却能
低下の小さい上記の３０°未満であっても、２条のラミ
ナ冷却水の流下間隔ｄが管状体の外径２ｒに対して不適
切に大きい場合にも起こる。しかし、２条のラミナ冷却
水の偏心角度θが、例えば上記の３０°である場合にお
いて、２条のラミナ冷却水流下間隔ｄが下式(3) を満た
すようにすれば、２条のラミナ冷却水の延在方向両端部
が両方ともに管状体の外表面に衝突するようになる。

【００４２】 ｒ・ｓｉｎ３０°＋（ｄ／２）＜ｒ → ｄ＜ｒ ・・・・・・ (3) また、図７から明らかなように、２条のラミナ冷却水の
流下間隔ｄが一定値（例では５０ｍｍ）を下回ると、２
条のラミナ冷却水を流下させることによる上述した特徴
が十分に発揮されず、熱伝達係数が減少する。従って、
２状のラミナ冷却水の流下間隔ｄは、前記一定値（例で
は５０ｍｍ）以上とするのが好ましい。

【００４３】図８は、本発明の冷却方法を、管状体の焼
入れに適用した場合の冷却装置の一例を示す図であり、
同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。図８
において、１は管状体、２は管状体１を外面側から冷却
する１条のスリットノズル、３は管状体１を内面側から
冷却するノズル、４は回転支持ロール、５はラミナ冷却
水、６は冷却水、８はスリットノズル２の上記傾き角度
φを調節する角度調節手段である。なお、内面からの冷
却を必要としない場合、ノズル３を設ける必要のないこ
とはいうまでもない（以下、同じ）。

【００４４】所定の温度に加熱された管状体１は、長手
方向に所定の間隔をおいて複数対連設された回転支持ロ
ール４（回転駆動手段は図示せず）の上に横置され、そ
の軸心回りに回転させられる。管状体１の一方管端に内
面側を冷却するノズル３を挿入し、冷却水６を噴射通水
して管状体１の内面側から冷却する。管状体１の上方に
は管状体１の全長にわたって１条のスリットノズル２を
設け、角度調整手段８によってその延在方向が水平面内
における管状体１の軸心に対して軸長方向中央を中心に
傾き角度がφとなるように交叉させて１条のラミナ冷却
水５を流下させて管状体１をその外面から冷却する。傾
き角度φは、管状体１の外径に応じて最適な角度となる
ように角度調整手段８によって調整される。

【００４５】角度調整手段８は、例えば、図９に示すよ
うに、１条のスリットノズル２が固定装着されたノズル
支持架台９の上面にブラケット９ａを介して回転軌道架
台１０を設け、この回転軌道架台１０の上面中央部に回
動自在に支持軸１０ａを立設して図示しない架台に吊設
する一方、回転軌道架台１０の長手方向の一端部に円弧
状のラック歯８ａを形成し、このラック歯８ａに図示し
ない架台に固定されて正逆回転駆動される駆動モータ８
ｂの駆動軸に固定装着されたピニオン８ｃを歯合させ、
駆動モータ８ｂを所定の方向に回転駆動して支持軸１０
ａを中心にノズル支持架台９を水平に回転させることに
よって傾き角度φを調節する。

【００４６】角度調整手段８は、上記の他、上記ピニオ
ン８ｃを流体圧シリンダー等の適宜な手段によって進退
動される板状ラック歯に置き代えるか、回転軌道架台１
０に支持軸１０ａを固定装着し、この支持軸１０ａを直
接回転駆動する等、適宜な手段に置き換えることができ
る。また、ノズル支持架台９の水平度を安定に保持する
ために、その長手方向の両端部分に円弧状の凹凸嵌スラ
イド支持機構を配置する等することもできる。

【００４７】図１０は、管状体の上方にその全長にわた
って２個一対のスリットノズル２−１および２−２を設
け、２条のラミナ冷却水を流下させて管状体をその外面
側から冷却する場合における装置の要部を示す図であ
る。この装置においては、角度調整手段８は図９の場合
と同じであるが、２個一対のスリットノズル２−１と２
−２との間隔ｄを調整する必要があることは前述したと
おりで、このためスリットノズル２−１と２−２は、ノ
ズル支持架台９の下面に対して、例えば図１１に示すよ
うなノズル間隔調節手段を介して設けられている。

【００４８】図１１はノズル間隔調節手段の一例を示す
図である。図１１に示すように、ノズル間隔調整手段１
１は、ブラケット１１ａを用いてノズル支持架台９の下
面幅方向に上下平行に延設配置され、駆動モータ１１ｂ
によって正逆回転される左右に逆ねじが刻設されたスク
リュー軸１１ｃにブラケット２ａ、２ｂを介してスリッ
トノズル２−１と２−２とを螺合装着する一方、その接
離動姿勢を安定に保持させるべくブラケット２ａ、２ｂ
をガイドロッド１１ｄに外嵌装着して構成されており、
駆動モータ１１ｂを駆動させることによってスクリュー
軸１１ｃを正逆回転させ、これによりノズル間隔ｄを調
節する。

【００４９】ノズル間隔調節手段１１は、上記の他、例
えば平行リンク等による相対的接離動機構を用いてもよ
く、また各スリットノズルを流体圧シリンダーによって
各別に移動固定するようにすることもできる。

【００５０】なお、ラミナ冷却水を管状体の軸長方向に
分割して流下させる場合における装置構成としては、図
示省略するが、上記の図９または図１０に示す構成から
なるラミナ冷却水流下手段を回転支持ロール列の上方に
連設し、各ラミナ冷却水流下手段の支持軸１０ａを、例
えば多連平行リンクなどの相対接離動機構の接離動点に
固定支持させるか、それぞれ独立した流体圧シリンダー
によって移動固定自在な支持部材に支持させて相互の間
隔を調整できるように構成される。この構成により、管
状体の外径に応じて傾き角度φが変化した場合に各ラミ
ナ冷却水流下手段から流下するラミナ冷却水の相隣合う
端部間の間隔を管状体の軸長方向同一位置に調整するこ
とができる。

【００５１】

【実施例】本発明の効果を実施例に基づいて説明する。

【００５２】［実施例１］０．２％Ｃ−０．２％Ｓｉ−
０．４％Ｍｎ−０．９％Ｃｒ−０．２％Ｍｏ−残部Ｆｅ
および不可避不純物からなる低合金製で、外径１３９．
７ｍｍ、肉厚７．７２ｍｍ、長さ２５００ｍｍの鋼管を
９５０℃に加熱し、図８に示す装置からノズル３を除い
た基本構成からなり、管状体１の軸長方向に連続する１
個のスリットノズル２を配置した冷却装置を用い、種々
の回転速度で鋼管を回転させ、鋼管表面温度が８５０℃
になった時点で、種々の傾き角度φに交叉させた１条お
よび２条のスリットノズルから１．４ｍ³ ／ｍｉｎ・ｍ
（ただし、２条のスリットノズルでは、０．７ｍ³ ／ｍ
ｉｎ・ｍ・条）の水量のラミナ冷却水を供給して強制冷
却を行い、冷却曲がりと軸長方向の冷却能を調べた。な
お、スリットノズルの長さは１条および２条ともに長さ
が２５００ｍｍのものを用いた。

【００５３】冷却曲がり量は、鋼管全長当たりの量を測
定して示した。また、軸長方向の冷却能は外表面硬度比
で評価することとし、外表面硬度比はスリットノズルの
長手方向端点と長手方向中央部にあたる鋼管軸長方向の
位置における平均表面硬度（表面の周方向４点の平均
値）の硬度比（端点硬度／中央部硬度）で表し、硬度比
が１〜０．９５の場合を「◎」、０．９５未満〜０．８
５の場合を「○」、０．８５未満の場合を「△」とし
た。なお、この硬度比は、スリットノズルの長手方向端
点における冷却速度が長手方向中央部における冷却速度
に対して遅い場合に小さくなり、管状体の焼入れ組織の
長さ方向の不均一性が大きくなること、すなわち軸長方
向の冷却能の不均一性が大きくなることを示している。

【００５４】これらの結果を、表１に示した。

【００５５】

【表１】

【００５６】表１からわかるように、スリットノズルを
管状体の軸心に一致させてラミナ冷却水を流下して冷却
する従来法では、回転速度を早めるに従って冷却曲がり
量は小さくなっているが、回転数が４０ｒｐｍでは４．
９１ｍｍの冷却曲がりが発生している。また、回転数を
８０ｒｐｍにまで高めても約１．１０ｍｍの冷却曲がり
が発生しており、回転速度をさらに早めて１１０ｒｐｍ
にしても０．８ｍｍの冷却曲がりが発生している。

【００５７】これに対し、本発明の方法によれば、回転
数の増大に従ってその効果は小さくなるものの、いずれ
の回転数においても冷却曲がりが小さくなっており、特
に回転数の遅い場合に大きな効果が得られている。ま
た、その効果は、１条のラミナ冷却水を流下させる場合
よりも、２条のラミナ冷却水を流下させる場合の方が大
きくなっている。さらに、２条のラミナ冷却水を流下さ
せる場合において、その傾き角度φ、換言すればスリッ
トノズルの偏心角度θ、またはラミナ冷却水流下間隔
（ノズル間隔）ｄを適正に設定すると、曲がり抑制効果
および軸長方向の冷却能の均一性が向上している。

【００５８】［実施例２］被処理鋼管の長さが３３００
０ｍｍであり、用いた冷却装置がスリットノズル２を管
状体軸長方向へ１３個連設配置したものであること以外
は、実施例１と同じ条件で強制冷却を行い、冷却曲がり
と軸長方向の冷却能を、実施例１の場合と同様にして調
べた。これらの結果を、表１に示した。ただし、冷却曲
がり量については、鋼管１０ｍ当たりに換算して示し
た。

【００５９】

【表２】

【００６０】表２からわかるように、鋼管が長尺の場
合、スリットノズルを管状体の軸心に一致させてラミナ
冷却水を流下して冷却する従来法では、回転速度を早め
るに従って冷却曲がり量は小さくなっているが、回転数
が４０ｒｐｍでは４０ｍｍを超える極めて大きな冷却曲
がりが発生している。また、回転数を８０ｒｐｍにまで
高めても約１０ｍｍの冷却曲がりが発生しており、回転
速度をさらに早めて１１０ｒｐｍにしても７ｍｍ超の冷
却曲がりが発生している。

【００６１】これに対し、本発明の方法によれば、鋼管
が長尺であっても、スリットノズルを鋼管軸長方向に分
割し、同方向に傾けて連接配置して冷却した結果、実施
例１の場合と同様に、回転数の増大に従ってその効果は
小さくなるものの、いずれの回転数においても冷却曲が
りが小さくなっており、特に回転数の遅い場合に大きな
効果が得られている。また、その効果は、１条のラミナ
冷却水を流下させる場合よりも、２条のラミナ冷却水を
流下させる場合の方が大きくなっている。さらに、２条
のラミナ冷却水を流下させる場合において、その傾き角
度φ、換言すればスリットノズルの偏心角度θ、または
ラミナ冷却水流下間隔（ノズル間隔）ｄを適正に設定す
ると、曲がり抑制効果および軸長方向の冷却能の均一性
が向上している。

【００６２】

【発明の効果】本発明の冷却方法によれば、管状体に発
生する冷却曲がりを大幅に小さくすることができ、曲が
り矯正工程を省略することが可能になり、さらに冷却水
の冷却能をも向上させることが可能になる。また、本発
明の装置を用いれば、比較的簡単な構造で冷却曲がりの
発生を低回転速度でも抑制できるので省エネが図れ、か
つ冷却能も向上させ得るから、現有ラインにも容易に組
み込むことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】管状体に対する板状の冷却水の流下態様を説明
する図であり、同図（ａ）は本発明による場合、同図
（ｂ）は従来方法による場合の図である。

【図２】板状の冷却水流下によって管状体に生じる軸長
方向の塑性伸び歪みの円周方向の分布を示す模式図であ
り、同図（ａ）は本発明の方法によった場合、同図
（ｂ）は従来の方法によった場合の図である。

【図３】本発明の方法よる板状の冷却水の他の流下態様
を説明する図である。

【図４】本発明の方法よる板状の冷却水のさらに他の流
下態様を説明する図であり、同図（ａ）は管状体の軸長
方向に非分割の２条の板状の冷却水を流下させる場合、
同図（ｂ）は管状体の軸長方向に複数分割の２条の板状
の冷却水を流下させる場合の図である。

【図５】板状の冷却水の延在方向中央部における冷却水
の挙動を示す図であり、同図（ａ）は１条の板状の冷却
水を流下させる場合、同図（ｂ）は２条の板状の冷却水
を流下させた場合の図である。

【図６】板状の冷却水の延在方向端部における冷却水の
挙動を示す図であり、同図（ａ）は１条の板状の冷却水
を流下させる場合、同図（ｂ）は２条の板状の冷却水を
流下させた場合の図である。

【図７】スリットノズルの偏心角度θ（傾き角度φ）お
よび２条の板状の冷却水流下間隔ｄが熱伝達係数に及ぼ
す影響を示す図である。

【図８】本発明の冷却装置の一例を示す図であり、同図
（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。

【図９】１条スリットノズルの傾き角度φを調整する角
度調整手段の一例を示す斜視図である。

【図１０】２条スリットノズルの傾き角度φを調整する
角度調整手段の一例を示す斜視図である。

【図１１】２条スリットノズルのノズル間隔ｄを調節す
るノズル間隔調整手段の一例を示す図である。

【図１２】従来の冷却装置を示す図であり、同図（ａ）
は正面図、同図（ｂ）は側面図である。

【符号の説明】

１：管状体、 ２：スリットノズル、
３：ノズル、４：回転支持ロール、 ５：外面側冷却
水、 ６：内面側冷却水、７：水膜、
８：傾き角度調整手段、 ９：ノズル支持架
台、１０：回転軌道架台、 １１：ノズル間隔調整手
段。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水平に横置されてその軸心回りに回転され
   る管状体の上方から、この管状体の軸長方向に延在する
   板状の冷却水を流下させるに際し、前記板状の冷却水の
   延在方向を水平面内における管状体の軸心に対して交叉
   させて流下させることを特徴とする管状体の冷却方法。
2. 【請求項２】水平に受載した管状体をその軸心回りに回
   転させる回転手段と、管状体の軸長方向に延在する板状
   の冷却水を流下させるべく前記回転手段の上方に平行に
   設けられた冷却水流下手段と、この冷却水流下手段を水
   平に回動させ、流下させる板状の冷却水の延在方向と水
   平面内における管状体の軸心とのなす傾き角度φを調整
   する角度調整手段とを備えることを特徴とする管状体の
   冷却装置。