JP2000197910A - 鋼管の冷却方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋼管の制御冷却において、長手方向および円
周方向の冷却停止温度のばらつきを減少する方法および
装置を提供する。 【解決手段】 鋼管を水平に置いた状態で回転させ、上
方から管軸に平行な２列以上の板状の冷却水を鋼管の最
上部を挟むように流下させる。冷却開始を記憶し、鋼管
の回転に伴って移動する冷却開始位置を追跡し、冷却停
止位置を冷却開始位置と一致させるよう、冷却水を停止
する。冷却停止に際しては遮断板を用い、遮断板によっ
て最初に遮断される側から鋼管上部に向かって空気ジェ
ットで水切りを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼管の熱処理工程
において、特に制御冷却に際して冷却停止温度を均一に
制御するのに適した鋼管の冷却方法およびその装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】鋼管製造工程における熱処理方法の代表
的なものとして、加熱された鋼管を室温付近まで急冷す
る焼入れ処理、加熱された鋼管を特定の温度領域まで強
制冷却し、その後自然放冷する制御冷却などがある。

【０００３】ところで、焼入れ処理の場合は、Ａｃ₃ 点
以上の温度（通常、８５０℃以上）から室温まで（実際
には２００℃以下でよい）できるだけ早く冷却すればよ
い。この場合、とくに微妙な制御は不要で、冷却水を大
量に噴射するだけである。しかし、制御冷却の場合は、
例えば８５０℃付近から水冷却を行い５００〜６００℃
の特定の温度で冷却を停止する必要があるため、焼入れ
処理に比べて、冷却を停止しやすい冷却方法が用いられ
る。

【０００４】例えば、特開昭６２−６３６１８号公報に
は、鋼管を回転させつつ、内表面の温度を測定しながら
管外面から水冷し、冷却停止温度および／または冷却速
度を制御する方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】制御冷却において、鋼
管品質および歩留まりを向上させるには、管長手方向は
もとより、円周方向にも均一な温度で冷却を終了させる
ことが必要である。

【０００６】しかし、特開昭６２−６３６１８号公報に
開示の方法は、鋼管の上部に流下させる板状の冷却水流
が１列であるため、鋼管上部の水膜が左右いずれの側に
流下するかが不安定であり、この不安定な水膜による冷
却部の幅が鋼管の長手方向にも変化するため、鋼管長手
方向に温度のばらつきが生じやすいという問題があっ
た。また、円周方向の温度のばらつきに関しても、鋼管
上部の水膜が不安定であるため、その制御は困難であっ
た。

【０００７】すなわち、特開昭６２−６３６１８号公報
に記載されている方法では、鋼管の長手方向および円周
方向のいずれに関しても、温度のばらつきが生じるおそ
れがあった。さらに、小径薄肉のように曲がりが発生し
やすい鋼管を冷却する場合には、曲がり防止用の押さえ
ロールの設置が必要であり、装置全体が大がかりになる
とともに、曲がり発生時のメンテナンスに手間がかかる
という問題があった。

【０００８】本発明の目的は、鋼管の制御冷却に際して
冷却開始と冷却終了を正確に制御することによって、長
さ方向および円周方向の温度ばらつき、すなわち機械的
的特性のばらつきのない鋼管を得る冷却方法及びその装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、水平に置
かれ、管軸を中心に回転する鋼管に対して、上方から管
軸に平行な２列以上の板状の冷却水を鋼管の最上部を挟
むように流下させて鋼管を冷却する方法で、円周方向の
冷却を開始した位置で冷却を停止する方法およびその装
置を検討した。鋼管の最上部を回避して２列の板状の冷
却水（この冷却水は層流状態となっている）を流下させ
ることにより、１列のみの場合に比べて冷却水流が安定
する効果がある。また冷却開始位置と停止位置を一致さ
せることによって、鋼管の円周方向のどの部位も等しく
冷却され、円周方向および長さ方向の冷却停止温度のば
らつきを抑制する目処を得た。

【００１０】しかし、上記の検討に関し、冷却停止目標
温度が５００℃前後の場合は、円周方向の実際の冷却停
止温度のばらつきが大きいという問題が生じた。冷却停
止温度は肉厚方向での平均温度または重み付き平均温度
で管理するが、その場合、冷却停止時の実際の表面温度
は冷却停止目標温度に比べて１００〜２００℃以上低
い。上記のばらつきの原因は、この４００℃以下の温度
域での冷却水の熱伝達率が非常に大きく、冷却終了時の
鋼管上部に滞留水があると、冷却停止後も滞留水が鋼管
表面を流れ、局部的に過冷却となるためであることがわ
かった。

【００１１】従って、管の長手方向と円周方向に均一に
冷却するには、とくに冷却終了時に正確に冷却を停止す
ることが重要である。種々実験を行って検討した結果、
ノズル冷却水の制御弁の開閉のみではノズル出口で急激
に流下開始させたり、遮断したりすることができず、正
確な冷却開始／停止ができないことがわかった。

【００１２】従って、正確に冷却を停止させるために
は、遮断板で強制的に流下水を遮断することが有効であ
ることがわかった。しかし、冷却停止時に鋼管の最上部
付近に残留した水が鋼管表面を自然流下し、この温度域
での冷却水の熱伝達率が非常に大きいため、冷却停止温
度が依然ばらつく問題があった。この対策として、空気
ジェットで上記の残留水を押し戻し、または吹き飛ばす
のが有効であることがわかった（以下、この動作を水切
りという）。

【００１３】さらに正確を期すためには、遮断板の閉動
作のとき最初に板状の冷却水が遮断される側から鋼管上
部に向かって空気ジェットで水切りすればよいことがわ
かった。

【００１４】上記の知見に基づいて完成した本発明の要
旨は、下記(1) の冷却方法および(2) の冷却装置にあ
る。

【００１５】(1) 水平に置かれ、管軸を中心に回転する
鋼管に対して、上方から管軸に平行な２列以上の板状の
冷却水を鋼管の最上部を挟むように流下させて鋼管を冷
却する方法であって、冷却開始に際しては、鋼管円周方
向の冷却開始位置を記憶し、鋼管の回転に伴って移動す
る冷却開始位置を追跡し、冷却を停止するに際しては、
追跡された冷却開始位置があらかじめ決められた回数の
回転をして鋼管の回転の最上部に到達する時点を予測
し、その時点で冷却が停止されるように冷却水の流下を
遮断する遮断板を動作させ、遮断板によって冷却水が最
初に遮断される側から鋼管の最上部に向かって空気ジェ
ットで水切りを行うことを特徴とする鋼管の冷却方法。

【００１６】(2) 鋼管を水平な状態で管軸を中心に回転
させる手段と、鋼管の円周方向の回転位置を測定する手
段と、回転する鋼管の上方にあって鋼管の最上部を挟む
ように管軸に平行な板状の冷却水を流下させる２列以上
のノズルと、冷却水が鋼管を冷却開始する時点を認識す
る手段と、鋼管に流下する冷却水を遮断する遮断板と、
遮断板によって冷却水が最初に遮断される側から鋼管の
最上部に向かって水切りを行う空気ジェットノズルと、
冷却開始時点のタイミング信号と回転位置の測定値から
鋼管の冷却開始位置を追跡し、冷却開始位置があらかじ
め決められた回数の回転をして鋼管の回転の最上部に到
達する時点を予測し、その時点で冷却が停止されるよう
に遮断板を動作させ、空気ジェットを噴射させる一連の
制御を行なう制御装置とを備えたことを特徴とする鋼管
の冷却装置。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の鋼管の冷却装置
の一例を示す模式図であり、同図(a) は正面図、(b) は
側面図である。

【００１８】鋼管１は、ターニングローラ２によって回
転駆動される。鋼管の最上部（頂部）１ａの上方には板
状の冷却水５を流下させるためのスリットノズル３ａ、
３ｂが２列配置されている。さらに、冷却水の流下を遮
断する遮断板４、遮断された冷却水を排出する樋６およ
び、鋼管の最上部に滞留する冷却水を一方向に吹き飛ば
す空気ジェットノズル７が設けられている。

【００１９】また、同装置は遮断板４の開閉を制御する
遮断板駆動制御器１２と、空気ジェットノズル７の開閉
を制御する空気ジェットノズル制御器１７と、鋼管の回
転数を測定するためのタッチングローラ１６と、タッチ
ングローラ１６の回転数から鋼管の回転数を積算する積
算回転数測定器１５と、装置全体を制御する制御装置１
３を備えている。

【００２０】スリットノズル３ａ、３ｂからの冷却水は
図示していない電磁弁などの冷却水制御弁によって開閉
されるが、冷却水制御弁とノズル出口との配管長さの影
響などにより冷却水の高速開閉は困難であった。すなわ
ち、制御弁を開としても、冷却水が流下しはじめるまで
に０．３〜０．６ｓ程度の遅れがあり、制御弁を閉とし
ても、０．５〜１．５ｓ程度は流下し続けていた。従っ
て、制御のみでは冷却水の流下開始および停止を正確に
コントロールすることはできない。そのために遮断板４
を設け、かつ遮断板４は高速で開閉動作できるようにす
るのである。

【００２１】制御装置１３は、以下の動作を行う。コン
ソール１１からの冷却時間を含む冷却指示に基づき、冷
却時間から鋼管の目標積算回転数を演算する。鋼管の円
周方向の各部位が同一の時間冷却されるよう、冷却開始
点と冷却終了点とが一致するようにする。このため目標
積算回転数は整数値となる。あるいは、この整数値に加
えて、冷却開始と終了の非定常部分の変動を補償するた
め、１回転未満の補正値を含んでいてもよい。同図のタ
ッチングローラ１６は鋼管の外周長さを測定する方式と
なっているため、外周長さの積算値を鋼管の外周長で除
した値が回転数の積算値となる。

【００２２】冷却開始に先立ち予め遮断板４を遮断状態
とし、空気ジェットノズル７を閉状態とし、図示してい
ない冷却水制御弁を開とする。この冷却水制御弁開の動
作は制御装置１３で行ってもよいし、手動操作としても
よい。あるいは、遮断板４を遮断状態にしていれば常時
開としてもよい。

【００２３】冷却は遮断板４を開状態にすることで開始
される。遮断板４の開動作は制御装置１３で行ってもよ
いし、作業者による手動操作としてもよい。

【００２４】遮断板４が開状態になった信号が制御装置
１３に伝達され、制御装置１３は積算回転数測定器１５
をリセットする。以後積算回転数測定器１５はタッチン
グローラー１６からの回転数信号を積算し、制御装置１
３は常時この積算回転数を監視することによって鋼管の
円周上の冷却開始位置を追跡することができる。

【００２５】鋼管の回転数が目標積算回転数に到達する
と、制御装置１３は遮断板駆動制御器１２に閉（遮断）
指令と空気ジェットノズル制御器１７に開指令とを送
る。その後冷却水制御弁に閉指令を出してもよい。

【００２６】ターニングローラ２の回転速度（または鋼
管の回転速度）はターニングローラ駆動制御器１４を介
して制御装置１３で制御してもよいし、手動設定で一定
速度としておいてもよい。いずれにせよ、制御装置１３
は予め設定した定数または自動入力などによって鋼管の
回転速度を認識しておく必要がある。

【００２７】図２は、鋼管の冷却装置の遮断板の開閉状
態の詳細を示す模式図であり、同図(a) は遮断板開の状
態、同図(b) は遮断板４の閉まりはじめた状態、同図
(c) は遮断板閉の終了状態を示す。

【００２８】同図(a) に示すように、遮断板４が開の状
態では、スリットノズル３ａおよび３ｂからの２列の板
状の冷却水５により、鋼管１の上部には熱伝達率の高い
水膜領域２１が安定して形成され、鋼管１が冷却され
る。

【００２９】鋼管１は冷却されつつ所定の回数回転し、
目標積算回転数の最後の１回転の途中で冷却開始位置が
最上部１ａに近づきつつあるとき、制御装置１３（図１
参照）は遮断板駆動制御器１２を介して遮断板１４の閉
指令を出す。

【００３０】図２(b) に示すように、遮断板４が閉りは
じめた状態では、遮断板４により冷却水の一部が遮断さ
れ、鋼管上部に滞留していた水膜領域２１は空気ジェッ
トノズル７から噴射された空気ジェットにより吹き飛ば
される。また、同図において鋼管の右側に冷却水が流下
することはない。

【００３１】同図(c) に示すように、遮断板４が閉動作
の終了時点では、遮断板４により冷却水が遮断され、遮
断された冷却水は樋６により排出される。この状態で冷
却開始位置はちょうど最上部を通過し終える。従って、
鋼管の円周方向のどの部位も等しく冷却されることにな
る。

【００３２】本発明においては、２列（またはそれ以
上）の板状の冷却水の遮断タイミングは異なるように構
成される。図２に示すような回転軸を有する遮断板を用
いると容易に実現できるが、スリットノズル毎に遮断板
または電磁弁を設け、タイミングをずらせながらそれぞ
れのスリットノズルを開閉するようにしてもよい。

【００３３】本発明の鋼管の冷却方法の冷却停止時の動
作をさらに説明する。上述のように、鋼管１の回転数が
目標積算回転数に到達すると、遮断板４が図２(b) の状
態になる。同時に空気ジェットノズル制御器１７よりの
信号で空気ジェットノズル７から空気ジェットが鋼管上
部に向かって噴射される。

【００３４】遮断板４の閉動作方向と、空気ジェットの
方向が同方向であるため、最初に同図(b) に示すように
空気ジェットノズル７に近い側（右側）の板状冷却水が
同図の左方向に押し流され、または吹き飛ばされる。遮
断板４がさらに閉方向に回転すると左側の板状冷却水が
順次遮断されるとともに、鋼管の最上部付近の滞留水が
空気ジェットによって飛ばされ、冷却水は速やかに遮断
される。なお、空気ジェットの噴射方向は、鋼管の最上
部を狙って、水平方向に対し−５〜＋３０度とするのが
好適である。

【００３５】以上のように、本発明の方法または装置で
は、２列以上の板状の冷却水により鋼管外面の最上部１
ａ付近に安定した滞留水領域２１を形成することがで
き、冷却停止に際しては、冷却開始位置と冷却停止位置
を一致させることができる。鋼管の円周方向のどの位置
も同じ時間だけ滞留水領域を通過させることになるの
で、円周方向の冷却むらを抑制することができる。

【００３６】図１または図２において、本発明の方法で
は鋼管の回転方向はとくに限定するものではないが、冷
却停止位置近傍の温度のばらつきを緩やかにしようとす
るときは右回転（空気ジェットを吹き付ける方向と逆
行）、冷却停止位置を厳密に管理しようとするときは左
回転とするのがよい。

【００３７】

【実施例】図１および図２に示す装置を用いて本発明例
の試験を実施した。供試した鋼管は外径２４４．５ｍ
ｍ、肉厚８．９４ｍｍ、長さ２０ｍの炭素鋼鋼管（０．
２重量％Ｃ）である。冷却開始温度８５０℃、冷却終了
温度５００℃の制御冷却を施し、冷却停止後の温度のば
らつきを調査した。鋼管の肉厚中心部温度を管壁に開け
たドリル穴にシース熱電対を埋め込んで測定した。

【００３８】スリットノズルは２列とし、その間隔は１
００ｍｍとした。すなわち、鋼管の最上部１ａを挟んで
左右に５０ｍｍの位置とした。２列あわせた冷却水の水
量は１ｍ³ ／分・ｍとした。冷却速度は約３０℃／秒、
冷却時間は約１２秒であった。すなわち、回転速度３０
ｒｐｍ、４０ｒｐｍ、６０ｒｐｍに対して、それぞれの
鋼管目標積算回転数を６回転、８回転、１２回転として
冷却を行った。空気ジェットノズルは、１０ｃｍ間隔で
配置し、鋼管最上部〜ノズル間距離を約２０ｃｍとして
水平方向から５ｋｇｆ／ｍ² の圧力で噴射した。

【００３９】比較例として、同一種の鋼管を同一冷却水
の条件で冷却試験を行なったが、空気ジェットノズルを
使用しなかった。

【００４０】結果を、表１に示す。同表に示すように、
空気ジェットノズルを使用することにより、管円周方向
および長手方向の温度のばらつきを小さくすることがで
きた。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【発明の効果】本発明の鋼管の冷却方法および冷却装置
は、鋼管の円周方向に対して冷却停止温度を均一化でき
る。その結果、鋼管の品質および歩留を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鋼管の冷却装置の一例を示す模式図で
あり、同図(a) は正面図、(b)は側面図である。

【図２】鋼管の冷却装置の遮断板の開閉状態の詳細を示
す模式図であり、同図(a) は遮断板開の状態を示す正面
図、同図(b) は遮断板４の閉まりはじめた状態を示す正
面図、同図(c) は遮断板閉の終了状態を示す正面図であ
る。

【符号の説明】

１：鋼管 １ａ：最上部 ２：ターニングローラ ３ａ、３ｂ：スリットノズル ４：遮断板 ５：冷却水 ６：樋 ７：空気ジェットノズル １１：コンソール １２：遮断板駆動制御器 １３：制御装置 １４：ターニングローラ駆動制御器 １５：積算回転数測定器 １６：タッチングローラ １７：空気ジェットノズル制御器 ２１：水膜領域

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水平に置かれ、管軸を中心に回転する鋼
   管に対して、上方から管軸に平行な２列以上の板状の冷
   却水を鋼管の最上部を挟むように流下させて鋼管を冷却
   する方法であって、冷却開始に際しては、鋼管円周方向
   の冷却開始位置を記憶し、鋼管の回転に伴って移動する
   冷却開始位置を追跡し、冷却を停止するに際しては、追
   跡された冷却開始位置があらかじめ決められた回数の回
   転をして鋼管の回転の最上部に到達する時点を予測し、
   その時点で冷却が停止されるように冷却水の流下を遮断
   する遮断板を動作させ、遮断板によって冷却水が最初に
   遮断される側から鋼管の最上部に向かって空気ジェット
   で水切りを行うことを特徴とする鋼管の冷却方法。
2. 【請求項２】 鋼管を水平な状態で管軸を中心に回転さ
   せる手段と、鋼管の円周方向の回転位置を測定する手段
   と、回転する鋼管の上方にあって鋼管の最上部を挟むよ
   うに管軸に平行な板状の冷却水を流下させる２列以上の
   ノズルと、冷却水が鋼管を冷却開始する時点を認識する
   手段と、鋼管に流下する冷却水を遮断する遮断板と、遮
   断板によって冷却水が最初に遮断される側から鋼管の最
   上部に向かって水切りを行う空気ジェットノズルと、冷
   却開始時点のタイミング信号と回転位置の測定値から鋼
   管の冷却開始位置を追跡し、冷却開始位置があらかじめ
   決められた回数の回転をして鋼管の回転の最上部に到達
   する時点を予測し、その時点で冷却が停止されるように
   遮断板を動作させ、空気ジェットを噴射させる一連の制
   御を行なう制御装置とを備えたことを特徴とする鋼管の
   冷却装置。