JP2008261018A - Method and apparatus for cooling steel pipe - Google Patents

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龍司 山本
Maki Ida
真樹 井田
Makoto Murai
誠 村井
Takeshi Umezaki
剛 梅崎
Yasuyuki Kuroda
泰行 黒田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To uniformly cool a hot steel pipe, which is linearly delivered both in the circumferential direction and the axial direction. <P>SOLUTION: A cooling apparatus 3 includes headers 5 and spray nozzles 7. The headers 5 are each a cylindrical pipe forming concentric circles with the steel pipe P, and a plurality of spray nozzles 7 is provided on the circumference of each header 5 and is slanted from the direction perpendicular to the outer surface of the steel pipe P toward the direction of delivery of the steel pipe P. The spray nozzles 7 are capable of ejecting cooling water so that the impingement pressure at the impingement center C of the steel pipe P becomes ≥2 kPa. A set of the header 5 and a spray nozzle group 8 is plurally provided in the axial direction of the steel pipe P at an interval corresponding to the length R of the high-cooling-power range. Cooling water ejected from the spray nozzles 7 in a plurality of rows flows down the outer surface of the steel pipe P in the axial direction without producing a steam film within the high-cooling-power range and uniformly cools the steel pipe P both in the circumferential and axial direction. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、直線状に搬送される高温の鋼管を冷却する冷却方法及びその冷却方法を実現するための冷却装置に関する。   The present invention relates to a cooling method for cooling a high-temperature steel pipe conveyed in a straight line, and a cooling device for realizing the cooling method.

鋼管の製造では、所望の特性を得るため、製管後に鋼管を所定温度で加熱、冷却する熱処理が行われる。この熱処理おいて、直線状に搬送される高温の鋼管を冷却する際には、例えば鋼管の外表面に冷却水を噴射して鋼管を冷却する冷却装置が用いられている。例えば図９に示すように、従来の冷却装置１００は、鋼管Ｐと同心円状に設けられ、鋼管Ｐより大きい径を有する管状のヘッダー１０１と、ヘッダー１０１の周上に等間隔で配置され、冷却水を鋼管Ｐの外表面の垂直方向に噴射する複数のノズル１０２とを有している。そしてヘッダー１０１は、鋼管Ｐの軸方向に複数設けられている。   In the manufacture of steel pipes, in order to obtain desired characteristics, heat treatment is performed to heat and cool the steel pipes at a predetermined temperature after pipe production. In this heat treatment, when cooling a high-temperature steel pipe conveyed in a straight line, for example, a cooling device is used that cools the steel pipe by injecting cooling water onto the outer surface of the steel pipe. For example, as shown in FIG. 9, the conventional cooling device 100 is provided concentrically with the steel pipe P, and has a tubular header 101 having a diameter larger than that of the steel pipe P, and is arranged on the circumference of the header 101 at equal intervals. And a plurality of nozzles 102 for injecting water in a direction perpendicular to the outer surface of the steel pipe P. A plurality of headers 101 are provided in the axial direction of the steel pipe P.

しかしながら、冷却装置１００を用いて鋼管Ｐを冷却すると、各ノズル１０２から噴射された冷却水は、鋼管Ｐに衝突後、下方に流下するため、冷却水が少ない鋼管Ｐの上部に比べて、冷却水が多い鋼管Ｐの下部は過冷却となる。したがって、鋼管Ｐの周方向で温度偏差が生じ、鋼管Ｐの材質不良や形状不良の原因となる。   However, when the steel pipe P is cooled by using the cooling device 100, the cooling water sprayed from each nozzle 102 flows down after colliding with the steel pipe P, so that the cooling water is cooled compared to the upper part of the steel pipe P with little cooling water. The lower part of the steel pipe P with much water is supercooled. Accordingly, a temperature deviation occurs in the circumferential direction of the steel pipe P, which causes a defective material or a defective shape of the steel pipe P.

そこで、前記の冷却装置１００において、図１０に示すように、ノズル１０２を鋼管Ｐの搬送方向側に傾斜させて、鋼管Ｐの外表面に冷却水を噴射することが考えられる。なお、ノズルを傾斜させることに関しては、特許文献１に記載されている。   Therefore, in the cooling device 100, it is conceivable to inject the cooling water onto the outer surface of the steel pipe P by inclining the nozzle 102 toward the steel pipe P in the conveying direction, as shown in FIG. Note that the tilting of the nozzle is described in Patent Document 1.

特開昭５６−１０８８２９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 56-108829

ノズル１０２を鋼管Ｐの搬送方向側に傾斜させると、噴射された冷却水は鋼管Ｐの外表面上を軸方向に一定区間流れるので、ノズル１０２を鋼管Ｐの外表面の垂直方向に向けた場合よりも鋼管Ｐの周方向の冷却均一性は改善される。しかしながら、単にノズル１０２を傾斜させても、鋼管Ｐを流れる冷却水が高温の鋼管Ｐからの熱により気化し、鋼管Ｐの外表面上に蒸気膜が形成されることがあった。この蒸気膜により、鋼管Ｐから冷却水へ熱が伝わりにくくなるため、抜熱量が減量し、鋼管Ｐの外表面を十分に冷却することができない。また、この蒸気膜は非常に不安定であり、鋼管Ｐの外表面に不均一に発生・消滅する。したがって、単にノズル１０２を傾斜させても、鋼管Ｐの外表面を周方向に十分に均一に冷却することができず、また軸方向にも十分に均一に冷却することができなかった。   When the nozzle 102 is tilted toward the conveying direction of the steel pipe P, the injected cooling water flows on the outer surface of the steel pipe P in a certain interval in the axial direction, so the nozzle 102 is directed in the direction perpendicular to the outer surface of the steel pipe P. As a result, the cooling uniformity in the circumferential direction of the steel pipe P is improved. However, even if the nozzle 102 is simply tilted, the cooling water flowing through the steel pipe P is vaporized by heat from the high temperature steel pipe P, and a vapor film may be formed on the outer surface of the steel pipe P. This vapor film makes it difficult for heat to be transferred from the steel pipe P to the cooling water, so the amount of heat removal is reduced and the outer surface of the steel pipe P cannot be sufficiently cooled. Moreover, this vapor film is very unstable and is generated and disappears unevenly on the outer surface of the steel pipe P. Therefore, even if the nozzle 102 is simply tilted, the outer surface of the steel pipe P cannot be cooled sufficiently uniformly in the circumferential direction, and cannot be cooled sufficiently evenly in the axial direction.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、鋼管を周方向と軸方向の両方向に均一に冷却することを目的とする。   This invention is made | formed in view of this point, and it aims at cooling a steel pipe uniformly in both the circumferential direction and the axial direction.

前記の目的を達成するため、直線状に搬送される高温の鋼管の外表面に冷却水を噴射して、当該鋼管を冷却する冷却方法であって、鋼管の外側に同心円状に配置され、鋼管の外表面の垂直方向から鋼管の搬送方向側に傾斜して設けられた複数のスプレーノズルから、冷却水を鋼管の外表面に噴射し、前記複数のスプレーノズルからなるスプレーノズル群は、鋼管の軸方向に沿って複数列に配置され、前記各スプレーノズルから噴射される冷却水の鋼管の外表面における衝突圧力は２ｋＰａ以上に設定され、前記複数のスプレーノズル群の間隔は、高冷却能力範囲の長さ以下であり、前記高冷却能力範囲は、前記スプレーノズルから冷却水を噴射した場合の鋼管の熱伝達率が、鋼管の外表面に垂直方向に冷却水を噴射した場合の鋼管の最大熱伝達率の９０％以上となる範囲であることを特徴としている。   In order to achieve the above object, a cooling method in which cooling water is injected onto the outer surface of a high-temperature steel pipe conveyed in a straight line to cool the steel pipe, and is arranged concentrically on the outside of the steel pipe. Cooling water is sprayed to the outer surface of the steel pipe from a plurality of spray nozzles inclined from the vertical direction of the outer surface of the steel pipe to the conveying direction side of the steel pipe. Collision pressure on the outer surface of the steel pipe of cooling water that is arranged in a plurality of rows along the axial direction and is sprayed from each spray nozzle is set to 2 kPa or more, and the interval between the plurality of spray nozzle groups is within a high cooling capacity range The range of the high cooling capacity is that the heat transfer coefficient of the steel pipe when cooling water is injected from the spray nozzle is the maximum of the steel pipe when cooling water is injected perpendicularly to the outer surface of the steel pipe. Heat transfer It is characterized by a range of 90% or more rate.

発明者らが調べたところ、鋼管の外表面に噴射される冷却水の衝突圧力が、冷却水が鋼管に衝突する衝突部において２ｋＰａ以上であれば、鋼管は当該衝突部で蒸気膜が発生せず、衝突部において高い熱伝達率を示すことが分かった。そしてこのように衝突圧力が２ｋＰａ以上で冷却水を噴射するスプレーノズルを鋼管の搬送方向側に傾斜させると、噴射された冷却水は鋼管の衝突部から鋼管の外表面上を軸方向に流れ、蒸気膜が発生しない高冷却能力範囲をスプレー衝突部より鋼管の軸方向、すなわち冷却水の流れ方向に拡大可能であることが分かった。ここで高冷却能力範囲とは、前記スプレーノズルから冷却水を噴射した場合の鋼管の熱伝達率が、鋼管の外表面に垂直方向に冷却水を噴射した場合の鋼管の最大熱伝達率の９０％以上となる範囲である。   As a result of investigations by the inventors, if the collision pressure of the cooling water injected on the outer surface of the steel pipe is 2 kPa or more at the collision part where the cooling water collides with the steel pipe, the steel pipe generates a vapor film at the collision part. In other words, it was found that the heat transfer coefficient is high in the collision part. And when the spray nozzle that injects cooling water at a collision pressure of 2 kPa or more is inclined in this way toward the conveying direction of the steel pipe, the injected cooling water flows in the axial direction on the outer surface of the steel pipe from the collision portion of the steel pipe, It was found that the high cooling capacity range in which no vapor film is generated can be expanded from the spray impingement part in the axial direction of the steel pipe, that is, in the flow direction of the cooling water. Here, the high cooling capacity range means that the heat transfer coefficient of the steel pipe when the cooling water is injected from the spray nozzle is 90% of the maximum heat transfer coefficient of the steel pipe when the cooling water is injected perpendicularly to the outer surface of the steel pipe. % Or more.

本発明の鋼管の冷却方法によれば、鋼管の同心円状に配置された複数のスプレーノズルから、冷却水は鋼管の外表面に対して衝突圧力が２ｋＰａ以上で噴射され、かつ、冷却水は鋼管の外表面の垂直方向から鋼管の搬送方向側に傾斜して噴射されるので、高冷却能力範囲内では、鋼管を周方向に均一に冷却することができる。また、本発明の複数のスプレーノズルを有するスプレーノズル群は、この高冷却能力範囲の長さ以下の間隔で鋼管の軸方向に複数列に設けられているので、鋼管の軸方向に蒸気膜が発生しない高冷却能力範囲が連続する。したがって、鋼管を軸方向に均一に冷却することができる。このように鋼管を周方向と軸方向の両方向に均一に冷却することができるので、安定した形状で鋼管を製造することができ、また均一な材質の鋼管を製造することができる。   According to the method for cooling a steel pipe of the present invention, cooling water is injected from the plurality of spray nozzles arranged concentrically on the steel pipe to the outer surface of the steel pipe at a collision pressure of 2 kPa or more, and the cooling water is supplied to the steel pipe. Since the steel pipe is injected while being inclined from the vertical direction of the outer surface to the steel pipe conveyance direction, the steel pipe can be uniformly cooled in the circumferential direction within the high cooling capacity range. Moreover, since the spray nozzle group having a plurality of spray nozzles of the present invention is provided in a plurality of rows in the axial direction of the steel pipe at intervals equal to or shorter than the length of the high cooling capacity range, the vapor film is provided in the axial direction of the steel pipe. High cooling capacity range that does not occur continues. Therefore, the steel pipe can be uniformly cooled in the axial direction. Since the steel pipe can be uniformly cooled in both the circumferential direction and the axial direction as described above, the steel pipe can be manufactured with a stable shape, and a steel pipe with a uniform material can be manufactured.

高温の鋼管は、冷却直前に、誘導加熱されていてもよい。かかる場合、冷却される鋼管は、冷却直前に誘導加熱される際の搬送速度に合わせて低速で搬送される。このように低速搬送されている鋼管は、高速搬送される場合に比べて軸方向の冷却能力分布に影響を受けやすく、蒸気膜が鋼管の外表面に不均一に発生・消滅する低冷却能力域に長く滞在する温度域では鋼管の冷却速度が低下するため、目標の材質が得られないことがあるので、かかる冷却方法を適用するメリットは大きい。   The hot steel pipe may be induction heated immediately before cooling. In such a case, the steel pipe to be cooled is transported at a low speed in accordance with the transport speed when induction heating is performed immediately before cooling. Steel pipes that are transported at low speeds are more susceptible to the axial cooling capacity distribution than those that are transported at high speeds, and a low cooling capacity region in which a vapor film occurs and disappears unevenly on the outer surface of the steel pipe. Since the cooling rate of the steel pipe decreases in the temperature range where the temperature stays for a long time, the target material may not be obtained. Therefore, the merit of applying such a cooling method is great.

また、高温の鋼管は、冷却直前に熱間圧延によって造管されていてもよく、あるいは冷却直前に行われる誘導加熱直前に熱間圧延によって造管されていてもよい。このように本発明の冷却方法は、シームレス鋼管の冷却に用いることもできる。また、鋼管に対して冷却前に誘導加熱を行う場合、鋼管を冷却する前に熱間圧延することで、鋼管を誘導加熱する熱量を削減することができる。   The high-temperature steel pipe may be piped by hot rolling immediately before cooling, or may be piped by hot rolling immediately before induction heating performed immediately before cooling. Thus, the cooling method of the present invention can also be used for cooling seamless steel pipes. In addition, when induction heating is performed on a steel pipe before cooling, the amount of heat for induction heating of the steel pipe can be reduced by hot rolling before cooling the steel pipe.

別な観点による本発明の鋼管の冷却装置は、直線状に搬送される高温の鋼管の外表面に冷却水を噴射して、当該鋼管を冷却する冷却装置であって、鋼管の外側に同心円状に配置され、鋼管の外表面の垂直方向から鋼管の搬送方向側に傾斜して設けられた複数のスプレーノズルを有し、前記複数のスプレーノズルからなるスプレーノズル群は、鋼管の軸方向に沿って複数列に配置され、前記複数のスプレーノズル群の間隔は、高冷却能力範囲の長さ以下であり、前記高冷却能力範囲は、前記スプレーノズルから冷却水を噴射した場合の鋼管の熱伝達率が、鋼管の外表面に垂直方向に冷却水を噴射した場合の鋼管の最大熱伝達率の９０％以上となる範囲であることを特徴としている。   According to another aspect of the present invention, there is provided a cooling device for a steel pipe according to the present invention, in which cooling water is injected onto an outer surface of a high-temperature steel pipe conveyed linearly to cool the steel pipe, and is concentrically formed on the outside of the steel pipe A plurality of spray nozzles that are inclined from the vertical direction of the outer surface of the steel pipe to the conveying direction side of the steel pipe, and the spray nozzle group consisting of the plurality of spray nozzles extends along the axial direction of the steel pipe. The intervals between the plurality of spray nozzle groups are less than or equal to the length of the high cooling capacity range, and the high cooling capacity range is the heat transfer of the steel pipe when cooling water is injected from the spray nozzle. The rate is a range that is 90% or more of the maximum heat transfer coefficient of the steel pipe when cooling water is injected in a direction perpendicular to the outer surface of the steel pipe.

本発明によれば、鋼管を周方向と軸方向の両方向に均一に冷却することができる。   According to the present invention, the steel pipe can be uniformly cooled in both the circumferential direction and the axial direction.

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる冷却装置を搭載した熱処理システム１の構成の概略を示す側面図である。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a side view schematically showing the configuration of a heat treatment system 1 equipped with a cooling device according to the present embodiment.

熱処理システム１は、図１に示すように誘電加熱装置２と冷却装置３とを有している。誘電加熱装置２と冷却装置３は、搬送ロール４上を搬送されている鋼管Ｐの搬送方向に沿ってこの順で一列に配置されている。誘電加熱装置２は、例えば図示しない複数段の誘導コイルを有し、誘導コイルの中に鋼管Ｐを連続的に通過させて鋼管Ｐを加熱する。   The heat treatment system 1 has a dielectric heating device 2 and a cooling device 3 as shown in FIG. The dielectric heating device 2 and the cooling device 3 are arranged in a line in this order along the conveyance direction of the steel pipe P being conveyed on the conveyance roll 4. The dielectric heating device 2 has, for example, a plurality of induction coils (not shown), and heats the steel pipe P by continuously passing the steel pipe P through the induction coil.

冷却装置３は、図２に示すように冷却水を供給する円管状のヘッダー５を有している。ヘッダー５は、鋼管Ｐと同心円状に設けられ、鋼管Ｐより大きい径を有している。ヘッダー５には、図３に示すようにヘッダー５に冷却水を供給する例えば２本の冷却水供給管６が接続されており、冷却水供給管６は図示しない冷却水供給源に接続されている。   The cooling device 3 has a circular header 5 for supplying cooling water as shown in FIG. The header 5 is provided concentrically with the steel pipe P and has a larger diameter than the steel pipe P. As shown in FIG. 3, for example, two cooling water supply pipes 6 for supplying cooling water to the header 5 are connected to the header 5. The cooling water supply pipe 6 is connected to a cooling water supply source (not shown). Yes.

ヘッダー５の外表面には、図２に示すように複数のスプレーノズル７が接続されている。スプレーノズル７は、図３に示すようにスプレーノズル７から噴射される冷却水が鋼管Ｐの外表面全周をカバーするようにヘッダー５の周上に等間隔で配置されている。これらの複数のスプレーノズル７は、スプレーノズル群８を構成している。またスプレーノズル７は、図４に示すように鋼管Ｐの外表面の垂直方向から鋼管Ｐの搬送方向側に例えば仰角θが３０度の角度で傾斜して設けられている。スプレーノズル７は、鋼管Ｐの外表面上の冷却水が衝突する衝突部中心Ｃにおける衝突圧力が２ｋＰａ以上となるように冷却水を噴射することができる。   A plurality of spray nozzles 7 are connected to the outer surface of the header 5 as shown in FIG. As shown in FIG. 3, the spray nozzle 7 is arranged on the circumference of the header 5 at equal intervals so that the cooling water sprayed from the spray nozzle 7 covers the entire outer surface of the steel pipe P. The plurality of spray nozzles 7 constitute a spray nozzle group 8. Further, as shown in FIG. 4, the spray nozzle 7 is provided, for example, with an elevation angle θ inclined at an angle of 30 degrees from the vertical direction of the outer surface of the steel pipe P to the conveying direction side of the steel pipe P. The spray nozzle 7 can inject the cooling water so that the collision pressure at the collision portion center C where the cooling water on the outer surface of the steel pipe P collides becomes 2 kPa or more.

ヘッダー５とスプレーノズル群８は、図２に示すように、高冷却能力範囲の長さＲの間隔で鋼管Ｐの軸方向に複数列に設けられている。ここで、高冷却能力範囲とは、スプレーノズル７から冷却水を噴射した場合の鋼管Ｐの熱伝達率が、鋼管Ｐの外表面に垂直方向に冷却水を噴射した場合の鋼管の最大熱伝達率の９０％以上となる範囲とする。そして、隣り合うスプレーノズル群８上のスプレーノズル７は、千鳥状に配置されている。特に、隣り合うスプレーノズル群８上のスプレーノズル７は、円周方向の間隔の半分の間隔ずつ、円周方向にずれて配置されているのが好ましい。   As shown in FIG. 2, the header 5 and the spray nozzle group 8 are provided in a plurality of rows in the axial direction of the steel pipe P at intervals of the length R in the high cooling capacity range. Here, the high cooling capacity range means that the heat transfer coefficient of the steel pipe P when the cooling water is injected from the spray nozzle 7 is the maximum heat transfer of the steel pipe when the cooling water is injected perpendicularly to the outer surface of the steel pipe P. The range is 90% or more of the rate. And the spray nozzle 7 on the adjacent spray nozzle group 8 is arrange | positioned at zigzag form. In particular, the spray nozzles 7 on the adjacent spray nozzle groups 8 are preferably arranged so as to be shifted in the circumferential direction by an interval that is half the circumferential interval.

次に、スプレーノズル７から鋼管Ｐに冷却水を噴射する際に、衝突部中心Ｃにおける衝突圧力と熱伝達率の関係について説明する。図５は、搬送速度３０ｍｍ／秒で搬送されている鋼管Ｐに異なる圧力で冷却水を噴射した際に、鋼管Ｐの衝突部中心Ｃにおける熱伝達率を測定した結果である。一般に、熱伝達率は衝突圧力のｎ乗（冷却水量のｍ乗（ｎ、ｍは正の数））と比例関係になるため、鋼管Ｐの外表面に蒸気膜がある、いわゆる膜沸騰の状態でも、鋼管Ｐの外表面に蒸気膜がない、いわゆる核沸騰の状態でも、衝突圧力が上昇すれば熱伝達率も上昇する傾向になる。しかしながら、上記の膜沸騰から核沸騰の状態に変化したときに急激に冷却能力が上昇するので、熱伝達率は不連続となる。本実験の結果の図５のグラフを参照すると、スプレーノズル７から噴射される冷却水の衝突圧力が２ｋＰａになると、鋼管Ｐの衝突部中心Ｃの熱伝達率が不連続になっている。したがって、冷却水の衝突圧力が２ｋＰａ以上であれば、核沸騰の状態となり、衝突部中心Ｃにおいて蒸気膜が発生しないことが分かる。なお、この実験は鋼管Ｐの直径が１９４ｍｍ、肉厚が９．５ｍｍの条件下で行われた。   Next, the relationship between the collision pressure and the heat transfer coefficient at the collision center C when the cooling water is injected from the spray nozzle 7 to the steel pipe P will be described. FIG. 5 shows the results of measuring the heat transfer coefficient at the collision center C of the steel pipe P when the cooling water is injected at different pressures onto the steel pipe P being conveyed at a conveyance speed of 30 mm / sec. In general, since the heat transfer coefficient is proportional to the nth power of the collision pressure (the mth power of the cooling water amount (n and m are positive numbers)), a so-called film boiling state in which there is a vapor film on the outer surface of the steel pipe P However, even in a so-called nucleate boiling state where there is no vapor film on the outer surface of the steel pipe P, if the collision pressure increases, the heat transfer coefficient tends to increase. However, when the film boiling is changed to the nucleate boiling state, the cooling capacity is rapidly increased, so that the heat transfer coefficient is discontinuous. Referring to the graph of FIG. 5 as a result of this experiment, when the collision pressure of the cooling water sprayed from the spray nozzle 7 becomes 2 kPa, the heat transfer coefficient at the collision center C of the steel pipe P is discontinuous. Therefore, it can be seen that if the collision pressure of the cooling water is 2 kPa or more, a nucleate boiling state occurs and no vapor film is generated at the collision center C. This experiment was performed under the conditions where the diameter of the steel pipe P was 194 mm and the wall thickness was 9.5 mm.

次に高冷却能力範囲について、図６に基づいて説明する。図６は、スプレーノズル７の仰角θが０度の場合と３０度の場合において、スプレーノズル７から鋼管Ｐの外表面に向けて冷却水を噴射した際に、鋼管Ｐの衝突部中心Ｃからの距離とその点における鋼管Ｐの熱伝達率との関係を示したグラフである。なお、この実験において、鋼管Ｐは直径が１９４ｍｍ、肉厚が９．５ｍｍであり、搬送速度４０ｍｍ／秒で搬送されている。また、衝突部中心Ｃにおける冷却水の衝突圧力は、仰角θが０度の場合は９．２ｋＰａで、仰角θが３０度の場合は３．６ｋＰａであり、共に衝突部中心Ｃにおいて蒸気膜は発生していない。かかる例において、衝突部中心Ｃからの位置が約−０．０１ｍ〜０．０５ｍの範囲においては、スプレーノズル７の仰角θが３０度の場合の鋼管Ｐの熱伝達率は、ほぼ一定で比較的高い約１２０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）となる。この熱伝達率約１２０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）は、スプレーノズル７の仰角θが０度の場合の鋼管Ｐの最大熱伝達率は約１３０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の９０％以上の値である。また、仰角θが０度で衝突圧力が３．８ｋＰａの場合と、仰角θが１０度で衝突圧力が２．８ｋＰａの場合において、上記と同様の比較実験を行った結果、仰角θが１０度の場合、約１１５００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）でほぼ一定の熱伝達率を示し、仰角θが０度の場合の熱伝達率約１２５００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の９０％以上であった。このように衝突部中心Ｃから一定の範囲で、仰角θが０度の熱伝達率の９０％以上となる高い熱伝達率を有し、この熱伝達率がほぼ一定となる領域（高冷却能力範囲）が形成される。なお、このような高冷却能力範囲を形成するためには、仰角θは１０度〜７５度であればよく、特に２０度〜６０度とすることが好ましい。 Next, the high cooling capacity range will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows that when the coolant nozzle is sprayed from the spray nozzle 7 toward the outer surface of the steel pipe P when the elevation angle θ of the spray nozzle 7 is 0 degree and 30 degrees, It is the graph which showed the relationship between this distance and the heat transfer coefficient of the steel pipe P in the point. In this experiment, the steel pipe P has a diameter of 194 mm, a thickness of 9.5 mm, and is transported at a transport speed of 40 mm / second. Moreover, the collision pressure of the cooling water at the collision center C is 9.2 kPa when the elevation angle θ is 0 degree and 3.6 kPa when the elevation angle θ is 30 degrees. It has not occurred. In this example, when the position from the collision part center C is in the range of about −0.01 m to 0.05 m, the heat transfer coefficient of the steel pipe P when the elevation angle θ of the spray nozzle 7 is 30 degrees is substantially constant and compared. It is about 12000 W / (m 2 · K). This heat transfer coefficient is about 12000 W / (m 2 · K), and the maximum heat transfer coefficient of the steel pipe P when the elevation angle θ of the spray nozzle 7 is 0 degree is a value of 90% or more of about 13000 W / (m 2 · K). It is. In addition, when the elevation angle θ is 0 degree and the collision pressure is 3.8 kPa, and when the elevation angle θ is 10 degrees and the collision pressure is 2.8 kPa, a comparison experiment similar to the above was performed. As a result, the elevation angle θ was 10 degrees. cases, shows a substantially constant heat transfer coefficient of about 11500W / (m 2 · K) , the elevation angle θ is equal to or more than 90% to about 12500W / heat transfer rate in the case of 0 degree (m 2 · K). Thus, in a certain range from the collision center C, the elevation angle θ has a high heat transfer coefficient that is 90% or more of the heat transfer coefficient of 0 degrees, and this heat transfer coefficient is almost constant (high cooling capacity) Range) is formed. In order to form such a high cooling capacity range, the elevation angle θ may be 10 degrees to 75 degrees, and particularly preferably 20 degrees to 60 degrees.

本実施の形態にかかる冷却装置３を搭載した熱処理システム１は以上のように構成されており、次にその熱処理システム１で行われる鋼管Ｐの加熱、冷却処理について説明する。   The heat treatment system 1 equipped with the cooling device 3 according to the present embodiment is configured as described above. Next, heating and cooling processing of the steel pipe P performed in the heat treatment system 1 will be described.

先ず、鋼管Ｐは搬送ローラ４によって誘電加熱装置２に搬入される。誘電加熱装置２では、誘電コイルの中を鋼管Ｐが通過して、鋼管Ｐは所定の温度まで加熱される。この際の鋼管Ｐの搬送速度は、例えば１００ｍｍ／秒以下である。   First, the steel pipe P is carried into the dielectric heating device 2 by the conveying roller 4. In the dielectric heating device 2, the steel pipe P passes through the dielectric coil, and the steel pipe P is heated to a predetermined temperature. The conveyance speed of the steel pipe P at this time is, for example, 100 mm / second or less.

誘電加熱装置２で加熱された鋼管Ｐは、冷却装置３に搬入される。冷却装置３では、ヘッダー５内を鋼管Ｐが通過する際に、複数列のスプレーノズル７から鋼管Ｐの外表面に対して衝突圧力が２ｋＰａ以上となるように冷却水が噴射される。噴射された冷却水は、蒸気膜を発生することなく鋼管Ｐの外表面を軸方向に沿って流れ、高冷却能力範囲を形成する。この高冷却能力範囲が鋼管Ｐの軸方向に連続し、鋼管Ｐを冷却する。   The steel pipe P heated by the dielectric heating device 2 is carried into the cooling device 3. In the cooling device 3, when the steel pipe P passes through the header 5, cooling water is injected from the plurality of rows of spray nozzles 7 so that the collision pressure is 2 kPa or more against the outer surface of the steel pipe P. The injected cooling water flows along the outer surface of the steel pipe P along the axial direction without generating a vapor film, and forms a high cooling capacity range. This high cooling capacity range continues in the axial direction of the steel pipe P and cools the steel pipe P.

以上の実施の形態によれば、スプレーノズル７から噴射される冷却水は、鋼管Ｐの衝突部中心Ｃにおける衝突圧力が２ｋＰａ以上となるように噴射されるので、衝突部中心Ｃで蒸気膜が発生しない。そしてこの衝突圧力で冷却水を噴射するスプレーノズル７は鋼管Ｐの外表面の垂直方向から鋼管の搬送方向側に傾斜しているので、噴射された冷却水は鋼管Ｐを軸方向に沿って流れ、蒸気膜が発生しない領域が持続し、高冷却能力範囲を形成する。したがって、この高冷却能力範囲において、鋼管Ｐを周方向に均一に冷却することができる。また、スプレーノズル群８が高冷却能力範囲の長さＲの間隔で鋼管Ｐの軸方向に複数設けられているので、鋼管Ｐの軸方向に高冷却能力範囲が連続する。したがって、鋼管Ｐを軸方向に均一に冷却することができる。このように鋼管Ｐを周方向と軸方向の両方向に均一に冷却できるので、安定した形状で鋼管Ｐを製造することができ、また均一な材質の鋼管Ｐを製造することができる。   According to the above embodiment, since the cooling water sprayed from the spray nozzle 7 is sprayed so that the collision pressure at the collision part center C of the steel pipe P is 2 kPa or more, a vapor film is formed at the collision part center C. Does not occur. And since the spray nozzle 7 which injects cooling water with this collision pressure inclines from the perpendicular | vertical direction of the outer surface of the steel pipe P to the conveyance direction side of the steel pipe, the injected cooling water flows along the steel pipe P along an axial direction. The region where no vapor film is generated lasts and forms a high cooling capacity range. Therefore, in this high cooling capacity range, the steel pipe P can be uniformly cooled in the circumferential direction. In addition, since a plurality of spray nozzle groups 8 are provided in the axial direction of the steel pipe P at intervals of the length R of the high cooling capacity range, the high cooling capacity range continues in the axial direction of the steel pipe P. Therefore, the steel pipe P can be uniformly cooled in the axial direction. Thus, since the steel pipe P can be cooled uniformly in both the circumferential direction and the axial direction, the steel pipe P can be manufactured with a stable shape, and the steel pipe P made of a uniform material can be manufactured.

また、鋼管Ｐは冷却装置３で冷却される直前に、誘電加熱装置２で加熱されているので、冷却装置３内を搬送される鋼管Ｐは、誘電加熱装置２内における搬送速度に合わせて低速で搬送される。このように低速搬送されている鋼管は、軸方向の冷却能力分布に影響を受けやすく、蒸気膜が鋼管Ｐの外表面に不均一に発生・消滅する低冷却能力域に長く滞在する温度域では鋼管Ｐの冷却速度が低下するため、目標の材質が得られないことがあるので、本実施の形態の冷却方法を用いて鋼管Ｐを均一に冷却するメリットは大きい。   Further, since the steel pipe P is heated by the dielectric heating device 2 immediately before being cooled by the cooling device 3, the steel pipe P transported in the cooling device 3 is slow in accordance with the transport speed in the dielectric heating device 2. It is conveyed by. The steel pipe being transported at low speed in this way is susceptible to the axial cooling capacity distribution, and in the temperature range where the vapor film stays long in the low cooling capacity area where the outer surface of the steel pipe P is generated and disappears unevenly. Since the target material may not be obtained because the cooling rate of the steel pipe P is lowered, the merit of cooling the steel pipe P uniformly by using the cooling method of the present embodiment is great.

以上の実施の形態の誘導加熱装置２の入口側には、熱間圧延または成形装置（図示せず）が連なっていてもよい。かかる場合、鋼管Ｐは熱間圧延後、空冷されて所定の温度となっている。このように熱間圧延後に鋼管を冷却することで、誘導加熱装置２により鋼管を誘導加熱する熱量を削減することができる。また、熱間圧延の後で鋼管Ｐの温度が十分高く、均一である場合には、誘導加熱装置２による加熱を省略することもできる。   A hot rolling or forming apparatus (not shown) may be connected to the inlet side of the induction heating apparatus 2 of the above embodiment. In such a case, the steel pipe P is air-cooled after hot rolling and has a predetermined temperature. In this way, by cooling the steel pipe after hot rolling, the amount of heat for induction heating the steel pipe by the induction heating device 2 can be reduced. Moreover, when the temperature of the steel pipe P is sufficiently high and uniform after hot rolling, heating by the induction heating device 2 can be omitted.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be made within the scope of the ideas described in the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. It is understood that it belongs.

以下、鋼管の外表面に冷却水を噴射して、当該鋼管を冷却する実施例において、鋼管の周方向と軸方向の冷却均一性について説明する。なお、鋼管の冷却を行う冷却装置としては、先に図２及び図３で示した冷却装置３を用いた。   Hereinafter, the cooling uniformity in the circumferential direction and the axial direction of the steel pipe will be described in an embodiment in which cooling water is injected onto the outer surface of the steel pipe to cool the steel pipe. As the cooling device for cooling the steel pipe, the cooling device 3 previously shown in FIGS. 2 and 3 was used.

スプレーノズル７から鋼管Ｐ上への冷却水の噴射は、以下の条件で行った。鋼管Ｐには直径が１１４ｍｍ、肉厚が９ｍｍ、軸方向の長さが１９０ｍｍの円管の試験片を用い、鋼管Ｐは搬送速度４５ｍｍ／秒で搬送されている。スプレーノズル７にはフラットノズルを用いている。スプレーノズル７から噴射される冷却水は、衝突圧力が５．１ｋＰａで、流量が１０Ｌ／分である。スプレーノズル７の鋼管Ｐの外表面の垂直方向からの鋼管Ｐの搬送方向側への仰角θは２０度であり、スプレーノズル７はヘッダー５の周上に１０箇所設けられている。スプレーノズル７から鋼管Ｐまでの鉛直方向距離は１００ｍｍである。ヘッダー５とスプレーノズル群８は、高冷却能力範囲の長さＲ以下である５０ｍｍ間隔で鋼管Ｐの軸方向に６列に配置されている。鋼管Ｐの冷却開始温度は、８００℃である。   The cooling water was sprayed from the spray nozzle 7 onto the steel pipe P under the following conditions. As the steel pipe P, a circular pipe test piece having a diameter of 114 mm, a thickness of 9 mm, and an axial length of 190 mm is used, and the steel pipe P is transported at a transport speed of 45 mm / second. A flat nozzle is used as the spray nozzle 7. The cooling water sprayed from the spray nozzle 7 has a collision pressure of 5.1 kPa and a flow rate of 10 L / min. The elevation angle θ from the vertical direction of the outer surface of the steel pipe P of the spray nozzle 7 to the conveying direction side of the steel pipe P is 20 degrees, and the spray nozzle 7 is provided at ten locations on the circumference of the header 5. The vertical distance from the spray nozzle 7 to the steel pipe P is 100 mm. The header 5 and the spray nozzle group 8 are arranged in six rows in the axial direction of the steel pipe P at an interval of 50 mm which is equal to or less than the length R of the high cooling capacity range. The cooling start temperature of the steel pipe P is 800 ° C.

以上の条件で鋼管Ｐを冷却し、鋼管Ｐの温度と熱伝達率の変化を測定した。温度の測定点は、測定点は、鋼管Ｐの上部表面、上部肉厚中心、下部表面、下部肉厚中心、右部表面、右部肉厚中心、左部表面、左部肉厚中心の８点である。熱伝達率の測定点は、鋼管Ｐの上部、下部、右部、左部の４点である。その測定結果を図７及び図８に示す。   The steel pipe P was cooled under the above conditions, and changes in the temperature and heat transfer coefficient of the steel pipe P were measured. The temperature measurement points are the upper surface of the steel pipe P, the upper wall thickness center, the lower surface, the lower wall thickness center, the right surface, the right wall center, the left surface, the left wall center. Is a point. The measurement points of the heat transfer coefficient are the four points of the upper part, the lower part, the right part, and the left part of the steel pipe P. The measurement results are shown in FIGS.

図７（ａ）は鋼管Ｐの上下方向の温度の時系列変化を示し、図７（ｂ）は鋼管Ｐの左右方向の温度の時系列変化を示している。鋼管Ｐの表面の温度は、上部、下部、右部、左部のどの測定点においても、約５秒間で８００℃から２００℃まで降温し、ほぼ同一の変化を示した。また鋼管Ｐの肉厚の中心の温度は、上部、下部、右部、左部のどの測定点においても、約８秒間で８００℃から２００℃まで降温し、ほぼ同一の変化を示した。したがって、本実施例では、鋼管Ｐを周方向に均一に冷却できることが分かった。   FIG. 7A shows a time-series change in the temperature in the vertical direction of the steel pipe P, and FIG. 7B shows a time-series change in the temperature in the left-right direction of the steel pipe P. The temperature of the surface of the steel pipe P dropped from 800 ° C. to 200 ° C. in about 5 seconds at all the measurement points of the upper part, the lower part, the right part, and the left part, and showed almost the same change. The temperature at the center of the thickness of the steel pipe P decreased from 800 ° C. to 200 ° C. in about 8 seconds and showed almost the same change at any of the upper, lower, right and left measurement points. Therefore, in the present Example, it turned out that the steel pipe P can be cooled uniformly in the circumferential direction.

図８（ａ）は鋼管Ｐの上下方向の熱伝達率の時系列変化を示し、図８（ｂ）は鋼管Ｐの左右方向の熱伝達率の時系列変化を示している。鋼管Ｐの熱伝達率は、上部、下部、右部、左部のどの測定点においても、約１秒間で熱伝達率が約１４０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）まで上昇し、そこからほぼ一定の値を示した。したがって、本実施例では、鋼管Ｐの熱伝達率は周方向と軸方向にほぼ一定の値であり、鋼管Ｐを周方向と軸方向に均一に冷却できることが分かった。 FIG. 8A shows a time-series change in the heat transfer coefficient in the vertical direction of the steel pipe P, and FIG. 8B shows a time-series change in the heat transfer coefficient in the left-right direction of the steel pipe P. The heat transfer coefficient of the steel pipe P increases to about 14000 W / (m 2 · K) in about 1 second at any of the measurement points at the upper, lower, right and left parts, and is almost constant from there. The value is shown. Therefore, in this example, the heat transfer coefficient of the steel pipe P has a substantially constant value in the circumferential direction and the axial direction, and it has been found that the steel pipe P can be uniformly cooled in the circumferential direction and the axial direction.

本発明は、直線状に搬送される高温の鋼管を冷却する冷却装置及びその冷却方法に有用である。   INDUSTRIAL APPLICATION This invention is useful for the cooling device which cools the hot steel pipe conveyed linearly, and its cooling method.

本実施の形態にかかる冷却装置を搭載した、熱処理システムの構成の概略を示す側面図である。It is a side view which shows the outline of a structure of the heat processing system carrying the cooling device concerning this Embodiment. 冷却装置の側面図である。It is a side view of a cooling device. 冷却装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a cooling device. スプレーノズルからの冷却水の噴射を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed injection of the cooling water from a spray nozzle. スプレーノズルから噴射される冷却水の衝突圧力を変化させた場合の、鋼管の衝突部中心の衝突圧力と、鋼管の衝突部中心における熱伝達率との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the collision pressure of the collision part center of a steel pipe, and the heat transfer coefficient in the collision part center of a steel pipe at the time of changing the collision pressure of the cooling water injected from a spray nozzle. スプレーノズルから噴射される冷却水の仰角を変化させた場合の、鋼管の衝突部中心からの距離と、その点における鋼管の熱伝達率との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the distance from the collision part center of a steel pipe at the time of changing the elevation angle of the cooling water injected from a spray nozzle, and the heat transfer coefficient of the steel pipe in the point. （ａ）は実施例１における鋼管の上下方向の温度の時系列の変化を示したグラフであり、（ｂ）は実施例１における鋼管の左右方向の温度の時系列の変化を示したグラフである。(A) is the graph which showed the time series change of the temperature of the up-down direction of the steel pipe in Example 1, (b) is the graph which showed the time series change of the temperature in the left-right direction of the steel pipe in Example 1. is there. （ａ）は実施例１における鋼管の上下方向の熱伝達率の時系列の変化を示したグラフであり、（ｂ）は実施例１における鋼管の左右方向の熱伝達率の時系列の変化を示したグラフである。(A) is the graph which showed the time series change of the heat transfer coefficient of the up-down direction of the steel pipe in Example 1, (b) is the time series change of the heat transfer coefficient of the left-right direction of the steel pipe in Example 1. It is the shown graph. 従来の冷却装置の側面図である。It is a side view of the conventional cooling device. 従来の冷却装置の側面図である。It is a side view of the conventional cooling device.

符号の説明Explanation of symbols

１ 熱処理システム
２ 誘電加熱装置
３ 冷却装置
４ 搬送ロール
５ ヘッダー
７ スプレーノズル
８ スプレーノズル群
Ｐ 鋼管
Ｒ 高冷却能力範囲の長さ 1 Heat Treatment System 2 Dielectric Heating Device 3 Cooling Device 4 Transport Roll 5 Header 7 Spray Nozzle 8 Spray Nozzle Group P Steel Pipe R High Cooling Capacity Range Length

Claims (4)

直線状に搬送される高温の鋼管の外表面に冷却水を噴射して、当該鋼管を冷却する冷却方法であって、
鋼管の外側に同心円状に配置され、鋼管の外表面の垂直方向から鋼管の搬送方向側に傾斜して設けられた複数のスプレーノズルから、冷却水を鋼管の外表面に噴射し、
前記複数のスプレーノズルからなるスプレーノズル群は、鋼管の軸方向に沿って複数列に配置され、
前記各スプレーノズルから噴射される冷却水の鋼管の外表面における衝突圧力は２ｋＰａ以上に設定され、
前記複数のスプレーノズル群の間隔は、高冷却能力範囲の長さ以下であり、
前記高冷却能力範囲は、前記スプレーノズルから冷却水を噴射した場合の鋼管の熱伝達率が、鋼管の外表面に垂直方向に冷却水を噴射した場合の鋼管の最大熱伝達率の９０％以上となる範囲であることを特徴とする、鋼管の冷却方法。 A cooling method for injecting cooling water onto the outer surface of a high-temperature steel pipe conveyed linearly to cool the steel pipe,
Cooling water is sprayed to the outer surface of the steel pipe from a plurality of spray nozzles arranged concentrically on the outer side of the steel pipe and inclined from the vertical direction of the outer surface of the steel pipe to the conveying direction side of the steel pipe,
The spray nozzle group consisting of the plurality of spray nozzles is arranged in a plurality of rows along the axial direction of the steel pipe,
The collision pressure on the outer surface of the steel pipe of the cooling water sprayed from each spray nozzle is set to 2 kPa or more,
The interval between the plurality of spray nozzle groups is not more than the length of the high cooling capacity range
The high cooling capacity range is such that the heat transfer coefficient of the steel pipe when the cooling water is injected from the spray nozzle is 90% or more of the maximum heat transfer coefficient of the steel pipe when the cooling water is injected perpendicularly to the outer surface of the steel pipe. A method for cooling a steel pipe, characterized in that 前記高温の鋼管は、冷却直前に、誘導加熱されるものであることを特徴とする、請求項１に記載の鋼管の冷却方法。 The method of cooling a steel pipe according to claim 1, wherein the high-temperature steel pipe is induction-heated immediately before cooling. 前記高温の鋼管は、冷却直前に、熱間圧延によって造管される、あるいは、冷却直前に行われる誘導加熱直前に、熱間圧延によって造管されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の鋼管の冷却方法。 The high-temperature steel pipe is formed by hot rolling immediately before cooling, or is formed by hot rolling immediately before induction heating performed immediately before cooling. The cooling method of the steel pipe as described in 4. 直線状に搬送される高温の鋼管の外表面に冷却水を噴射して、当該鋼管を冷却する冷却装置であって、
鋼管の外側に同心円状に配置され、鋼管の外表面の垂直方向から鋼管の搬送方向側に傾斜して設けられた複数のスプレーノズルを有し、
前記複数のスプレーノズルからなるスプレーノズル群は、鋼管の軸方向に沿って複数列に配置され、
前記複数のスプレーノズル群の間隔は、高冷却能力範囲の長さ以下であり、
前記高冷却能力範囲は、前記スプレーノズルから冷却水を噴射した場合の鋼管の熱伝達率が、鋼管の外表面に垂直方向に冷却水を噴射した場合の鋼管の最大熱伝達率の９０％以上となる範囲であることを特徴とする、鋼管の冷却装置。 A cooling device that cools the steel pipe by injecting cooling water onto the outer surface of the high-temperature steel pipe conveyed linearly,
A plurality of spray nozzles disposed concentrically on the outer side of the steel pipe, and inclined from the vertical direction of the outer surface of the steel pipe to the conveying direction side of the steel pipe;
The spray nozzle group consisting of the plurality of spray nozzles is arranged in a plurality of rows along the axial direction of the steel pipe,
The interval between the plurality of spray nozzle groups is not more than the length of the high cooling capacity range,
The high cooling capacity range is such that the heat transfer coefficient of the steel pipe when cooling water is injected from the spray nozzle is 90% or more of the maximum heat transfer coefficient of the steel pipe when cooling water is injected perpendicularly to the outer surface of the steel pipe. A cooling device for steel pipes, characterized in that
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