JP5851136B2

JP5851136B2 - 加熱後の金属管の冷却装置及び冷却方法

Info

Publication number: JP5851136B2
Application number: JP2011153071A
Authority: JP
Inventors: 公典稲葉; 順一稲葉
Original assignee: 日鉄住金ステンレス鋼管株式会社
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: JP2013019023A

Description

本発明は、金属管の熱処理工程や溶接加工による金属管の製造工程等において、加熱後
の金属管を冷却液で急冷するための冷却装置と該冷却装置を用いる加熱後の金属管の冷却
方法に関する。

鋼管、アルミニウム合金管、チタン合金管、ジルコニウム合金管等は、冷間加工、熱間
加工、又は連続溶接製管などの方法で製造される。これらの方法において、製管後に一定
の長さに切断した後、又は製管機の後段に連続して、所望の特性を得るために金属管を所
定の温度、例えば鋼管の場合９５０℃程度以上、に加熱後に急冷する焼入や残留歪除去処
理等の熱処理が行われる。連続溶接製管法では冷却された金属管は仕上げ成形ロールで寸
法精度を高められた後に走行切断機で製品寸法長さに切断される。

加熱後の金属管を急冷する方法として、一般的に、短時間に高効率の冷却を行うために
一定の孔サイズの噴射孔をもつ複数個の穴状噴霧ノズルを金属管の外周にヘッダー等を用
いて空間的に配置して冷却液を噴射して熱伝導により冷却液の温度近くまで数秒から十数
秒以内で冷却する方法が用いられている（例えば、特許文献１〜７）。そして、穴状噴霧
ノズルと金属管を金属管の中心軸方向に相対的に移動可能にしたり、穴状噴霧ノズルと金
属管を金属管の中心軸の周りに相対的に回転可能にしたりすることも行われている。また
、外筒と内筒の二重構造とし、鋼管を通す内筒の内部にリング状の２個以上のノズルの流
出口から冷却水を段階的に流出させて長さ１ｍ程度の内筒内に水を溜めて金属管を浸漬状
態にして冷却する装置も知られる（特許文献８）が、この装置では流出口の大きさは一定
であり、冷却水量を増やすには供給水圧を増加するか、流出口の数を増加する必要がある
。

図２〜４は、穴状噴霧ノズル列を用いる従来の冷却方法を示す概略斜視図である。図２
は、金属管２の外周にほぼ一定間隔に穴状噴霧ノズルを配置した冷却装置１を用いて冷却
する方法である。図３は、穴状噴霧ノズル列をさらに金属管２の中心軸方向に複数組配置
した冷却装置１を用いて冷却する方法である。図４は、複数組配置した穴状噴霧ノズル列
をもつ冷却装置１をさらに金属管２の周方向に回転して冷却する方法である。しかし、図
２、図３に示すような穴状噴霧ノズル列では冷却液が金属管外面にスポット状に衝突する
ので冷却能力のムラが生じ、金属管表面に凸凹が生じる。図４のように、穴状噴霧ノズル
列を回転させる方法では、冷却能力のムラは軽減されるが、冷却装置の周辺にモーターな
どの駆動系が存在し、保守上好ましくなく、改善の余地が残る。

従来の冷却方法のように、金属管の外周に離散的に配置した多数の穴状噴霧ノズルから
噴射される冷却液が金属管の外面に衝突するまでのパターンは離散的であり、干渉により
冷却の不均一や時間差が生じ、金属管に変形や表面性状のむらを生じ、好ましいものでは
ない。穴状噴霧ノズルの個数を多くしたり、穴状噴霧ノズルと金属管を相対的に移動させ
たりするなどの工夫は考えられるが、いずれにしても原理的な限界はある。

従来例の穴状噴霧ノズルは、一定の孔サイズのノズルに流す冷却液にかける圧力を変化
させることによって冷却液の噴射量を制御するが、制御範囲が狭い範囲に制限される。ま
た、冷却液として実用上用いられる工業用水の使用においては、工業用水に混入した異物
によるノズル孔の詰まりによって冷却水が意図せぬ噴射パターンとなることがあり、詰ま
りを除くためのメンテナンスが困難であった。

そこで、従来例では、冷却液の流速、流量の広い制御範囲と穴状噴霧ノズルの噴射部に
おける異物の詰まりを除去するメンテナンス性の改善が求められる。また、冷却すべき金
属管が水平方向に保持される場合、金属管の外周に天地のいずれの方向から冷却液を噴射
するかによって重力の影響の差が生じるが、噴射条件を選定することによって実用上その
影響を最小化できるようにすべきであるという観点からも冷却液の流速、流量の広い制御
範囲の確保は重要である。

複数の穴状噴霧ノズルを金属管の外周に空間的に分布させて配置して用いる場合、複数
のノズルの空間配置（ノズル列）と個々のノズルの噴き付けパターンを調和させて金属管
全周の均一冷却を目指すが、一つのノズルからの噴霧は立体角をもつような広がりの水流
となるので、空間配置と噴き付けパターンの調和作業が複雑で困難である。また、有限個
の供給部から冷却液が離散的に供給されるという原理的な限界は超えることはできず、冷
却むらは依然発生する。

特開昭５３−１１７６１０号公報特開昭５９−１４０３３１号公報特開平０６−０７３４５５号公報特開２００１−２４６４０８号公報特開２００８−２６１０１８号公報特開２００８−２９６２７１号公報特開２０１０−２４２１５３号公報実開平０４−０６９４４５号公報

連続的に金属管を製造して金属管を搬送しながら加熱及び急冷を行う方法や一定の長さ
の金属管を静置した状態で加熱及び急冷を行う方法において、金属管を高周波誘導加熱装
置等によりその中心軸に対称的に均一な温度に加熱した後に金属管の外周に冷却液を噴射
して急冷する方法が通常採用されている。これらの方法において、加熱後の金属管を冷却
装置から冷却液を噴射して急冷する際に、金属管の部位毎の冷却の不均一により発生する
部位毎の熱処理履歴の違いによる金属管の変形や表面性状のむらの発生が問題となる。冷
却の不均一は、部位毎に噴き付けられる水量と水圧が不均一であること、金属管の周方向
の真円上にあるべき噴射位置が金属管の軸方向に部位毎に乱れることなどにより生じる。
そこで、金属管をその中心軸に対称的に確実に均一に急冷することが必要である。金属管
が水平方向に配置されている場合には、噴射される冷却液は金属管の上面、下面、側面ご
とに重力の影響が異なることになるので金属管が鉛直方向に配置されている場合に比べて
金属管全周の均一な冷却はより困難になる。

金属管の中心軸に対称的に均一に急冷できないと熱処理温度履歴依存性により周方向に
生じる金属の機械的性質の違いにより金属管が部分的に収縮し、変形し、金属管の周方向
の真円度の劣化、管表面の凸凹、長尺方向の曲りや蛇行の発生などの製品品質上及び操業
上の不具合が生じる。また、加熱から冷却までの間に金属管の表面に生成する酸化物の状
態が不均一となり、この後の酸洗工程において、酸化物の除去後の金属管の表面性状にむ
らが発生する原因となる。

さらに、金属管を一定速度で水平方向に搬送しながら加熱装置で加熱し、次いで冷却装
置で急冷して熱処理する方法においては、加熱装置の直後に配置した冷却装置により高温
の金属管に冷却液を噴射すると、噴射条件によっては加熱装置の熱源側に冷却液が意図せ
ずに逆流し、熱源を損傷するおそれがあり、適正な方法をもって熱源側への逆流を阻止す
る必要がある。

金属管をその中心軸に対称的に均一に急冷しようとする場合、穴状噴霧ノズルの離散的
配置による冷却方法は、上記のような解決すべき課題がある。本発明は、冷却液を液膜状
で噴き付けることにより前記の課題を解決するものである。なお、以下は、冷却液として
代表的な工業用水等の冷却水を用いる場合について記述するが、冷却液は水以外の油等の
冷却媒体でもよい。

本発明の冷却装置は、金属管の外周に金属管と同心円状に配置された噴射口から金属管
の外面に冷却水を噴射させて、加熱後の金属管を冷却する冷却装置である。
この冷却装置は、第一の部材と第二の部材を組み合わせて、内部に冷却水流路と該冷却
水流路に接続する円錐台状に傾斜した環状のスリットノズルを有している。
そして、このスリットノズルは、その最先端のスリット内縁とスリット外縁により形成
された環状のスリット開口部からなり、冷却液を金属管外面に斜め方向に液膜状に噴射す
る噴射口を有している。
また、該スリット内縁は該スリット外縁よりも長さＬだけ冷却液の噴射方向に突出可能
であり、該長さＬ及び前記スリット開口部のスリット間隔ｄが第一の部材と第二の部材の
相対的移動によって調整可能である。
スリット内縁に至る円錐台状の傾斜は、噴射口を金属管と同心円状に配置した場合に、
金属管の中心軸に対する角度θで表わして３０°から６０°が好ましい。

上記冷却装置の一態様として、第一の部材を内側環状体、第二の部材を外側環状体とし
、外側環状体の内部に冷却水流路を設ける。外側環状体の先端側内表面及び内側環状体の
先端側外表面の間に環状スリットノズルが形成される。そして、内側環状体と外側環状体
は金属管の中心軸方向に相対的に移動可能とする。

前記の冷却装置を用いて、噴射口から噴射される冷却水の噴射方向と順方向に金属管を
走行させるか、静置した金属管に対して前記噴射方向と逆方向に冷却装置を移動させて、
加熱後の金属管を冷却することができる。この方法では、冷却液が安定して液膜状で噴射
され、金属管の外面の真円状の同一円周上に液膜が衝突するように前記長さＬを調整する
ことができる。

また、前記の冷却方法において、金属管の外面の真円状の同一円周上の衝突位置に衝突
する冷却水の角度もできるだけθか、θに近いほど好ましいので、冷却水の角度が前記θ
の角度を維持するように前記スリット間隔を調整することにより、金属管に衝突した水膜
状の冷却水が金属管に水膜状に接触して流れるようにすることができる。

スリット間隔が過度に大きかったり噴射される冷却水の圧力が過度に小さかったりした
場合には、噴出速度が不十分となり、重力の影響を大きく受け、金属管の外面に衝突する
角度がθとなる理想的な状態から外れることになり、金属管の上面、側面、下面で水膜の
衝突位置が真円状の同一円周上からずれてしまい、曲りなどの金属管の品質の不具合の原
因となる。これを防ぐために、水膜が重力に負けて崩れた形状にならないように十分の速
度と流量をもって冷却水を噴出させることが必要である。

水膜状の冷却水に噴射角度θをつけた結果、冷却水は金属管外面に沿うような均一な厚
みの水膜状の流れとなり冷却が均一となり、かつ冷却水の金属管外面への接触時間を長く
保つことによる冷却効率を高めることができ、不十分な冷却に起因する金属管の曲がりの
発生を抑制できる。さらに、加熱装置の後段にこの冷却装置を設けて金属管を走行させる
場合に、噴き付けられた冷却水の飛沫や水流が金属管外面の上側を伝い金属管の上流側の
加熱設備に向けて逆流することを軽減でき、設備損傷を軽減することもできる。

また、前記の冷却方法において、前記冷却水流路の断面積を前記スリット開口部の面積
で除した値を２〜５とした冷却装置を用いることが好ましい。これにより、冷却水を環状
スリット内部の周方向に安定して送り込むことができるので金属管の中心軸に対称的によ
り均一な流量、圧力で冷却水を噴射できる。

本発明の環状スリットノズル構造を持つ冷却装置を用いると、加熱された金属管の外面
の真円状の同一円周上の全ての箇所に冷却水が同時に均一な量で噴き付けられ、金属管が
その中心軸に対称的に均一に急冷されるため、金属管全周の均一な冷却ができ、従来の噴
霧ノズルを用いた冷却による金属管の周方向温度差の発生が軽減され、金属管の周方向の
冷却の不均一による金属管の歪・変形、曲り、蛇行が軽減され、さらに、加熱により金属
管表面に生成した酸化皮膜除去後に現れる表面性状のむらも改善される。

本発明の冷却装置による冷却の態様を図２〜４に示す従来法と対比して概念的に示す斜視図。従来例の穴状噴霧ノズル列による冷却態様（例１）を示す概略斜視図。従来例の穴状噴霧ノズル列による冷却態様（例２）を示す概略斜視図。従来例の穴状噴霧ノズル列による冷却態様（例３）を示す概略斜視図。本発明の冷却装置の一態様を示す縦断面図。本発明の冷却装置において、スリット開口部のスリット間隔についての説明図。本発明の冷却装置において、スリット内縁がスリット外縁よりも冷却水の噴射方向に突出する長さＬの説明図。本発明の冷却装置において、冷却水流路の断面積とスリットの開口面積の比の説明図。本発明の冷却装置を連続溶接製管機の一部に設けた熱処理設備に適用した実施例を模式的に示す概略側面図。

本発明の冷却装置の一態様として、第一の部材を内側環状体、第二の部材を外側環状体
とし、外側環状体の内部に冷却水流路を設け、外側環状体の先端側内表面及び内側環状体
の先端側外表面の間に環状スリットノズルを形成し、内側環状体と外側環状体を金属管の
中心軸方向に相対的に移動可能とした態様について説明する。

図１に示すように、本発明の冷却装置１は、環状体からなり、従来法と同様に金属管２
と同心円状に配置して用いられるが、冷却水流Ｗは環状スリットノズルから金属管２の中
心軸に対して絞られるように水膜となって金属管２の外面に斜め方向に噴き付けられる。
金属管２は高周波誘導加熱装置等（図示せず）によりその中心軸に対称的に均一な温度に
加熱した後に急冷される。本発明の冷却装置を使用する方法において、金属管を走行させ
ずに使用する場合は、冷却装置を図１に示す金属管の走行方向と逆方向に移動させること
によって、金属管の外面に順次冷却水を噴き付ける。

図５は、本発明の冷却装置を水平方向に走行する金属管と同心円状に配置した一態様を
示している。図５に示すように、冷却装置１は、内側環状体３と、その外側にネジ構造１
１やスライド構造等により嵌合した外側環状体４の組み合わせによって形成されている。
外側環状体４の内部には冷却水流路５及び冷却水流路５に接続したスリット６を有してい
る。

外側環状体４の内部に形成された冷却水流路５は、外側環状体４の全周に環状に設けて
もよいが、一部に設けるだけでもよい。冷却水流路５から外側環状体４の外部へ向けて冷
却水供給口７を設けて冷却水供給パイプ（図示せず）に接続し、水圧を調整した冷却水が
供給される。

冷却水流路５に接続したスリット６を形成するように、外側環状体４の先端側内表面及
び内側環状体３の先端側外表面は円錐台状に傾斜した形成され、スリット内縁８と、スリ
ット外縁９により環状の開口部１０が形成される。スリット６は、通常の先細ノズルと同
様に開口部１０に向かって間隔を次第に狭くするとよい。この環状の開口部１０から冷却
水が大気中に噴射される。図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、スリット内縁８を形成する
内側環状体３とスリット外縁９を形成する外側環状体４を相対的に移動させることにより
冷却水が噴射されるスリット開口部のスリット間隔ｄを調整し、冷却水の単位時間当たり
の噴射量と噴射速度を制御できる。

内側環状体３と外側環状体４は、環状の開口部１０の反対側の位置でネジ構造１１によ
り相対的に回転可能に嵌合する。この相対的な回転によりスリット間隔を調整できる。そ
して、内側環状体３と外側環状体４を、両者の中心軸方向に相対的に移動可能にしてスリ
ット開口部のスリット間隔ｄを調整するための環状のクリアランス１２を両者の間に設け
る。スリット間隔ｄの調整は、ネジ構造の代わりにスライド機構など他の相対的な位置調
整機を用いてもよい。スリット間隔ｄは環状スリットノズルの全周で均一な値とする。冷
却水流路５とクリアランス１２との中間部に水密シールとしてＯリング１３を設ける。内
側環状体３と外側環状体４との軸方向長さは例えば２００ｍｍ程度であればよい。内側環
状体３及び外側環状体４は鋼材等を切削加工して製作できる。

図５に示すように、スリット内縁８の直径Ｄ２は、金属管２を通す必要があるから当然
金属管２の外面の直径Ｄ１よりも大きい。直径Ｄ１とＤ２との差は好ましくは40ｍｍ〜10
0ｍｍ程度とする。なお、図５では、スリット内縁８の位置と反対側の端部の位置の直径
Ｄ３をＤ２よりも大きくしているが、これは金属管を上流側から冷却装置内に挿入し易く
するためであり、Ｄ２とＤ３は同じ大きさでもよい。

冷却水はスリット６の環状の開口部から図５に示すように、金属管の中心軸に対する角
度θの噴き付け角度で金属管２の中心軸に向けて収束する方向に金属管２の外面に大気中
で水膜状に噴き付けられる。この際に、金属管２の外面の円周上の衝突位置ａ−ｂに衝突
する冷却水の角度ができるだけθの角度を維持するように噴射水圧、スリット間隔ｄを調
整する。この円周上の衝突位置ａ−ｂは、金属管の中心軸に直交する断面で形成される真
円状の同一円周上かそれに近いほど均一な冷却のために望ましい。衝突位置ａ−ｂはθの
値及び前記Ｄ１とＤ２の差異に応じて金属管の中心軸方向に変ることになる。

真円状の同一円周上の衝突位置ａ−ｂに衝突した水膜状の冷却水Ｗは、金属管全周を金
属管２に沿うように一定の長さ流れ、一部は蒸発し、一部は下方に離脱する。このように
、角度θの噴き付け角度で冷却水を噴き付けることにより金属管２が水平方向に位置する
場合でも、その上側、側面側、下側のいずれにおいても、衝突位置で多くの熱交換が行な
われた後に即座に金属管の表面から離脱するのではなく、水膜が一定の厚みを保った状態
で金属管全周に一定の長さだけ接触し続け、冷却水の接触機会を増すことにより冷却水へ
の非浸漬状態で金属管全周の均一な冷却能力を高めることができる。また、金属管２の外
面の上側を進行方向と逆方向へ飛散する飛沫状の冷却水Ａの量は少なくなる。

水膜状の冷却水の噴き付け角度θは、３０°から６０°程度の範囲が好ましく、このよ
うな角度とすることにより金属管に到達した後の冷却水の流れを金属管の中心軸方向に平
行に導くことができる。この噴き付け角度θは、被冷却物である金属管の種類、金属管の
加熱温度、所望の冷却速度、冷却水の水量などに依存して適正な角度を選択する。噴き付
け角度θが３０°よりも小さいと金属管への水流の到達にばらつきが生じ、金属管に表面
肌のムラや曲がりが発生し易くなる。また、噴き付け角度θが６０°よりも大きいと金属
管への水流の到達はよくなるが、高周波誘導加熱装置などの加熱装置側への逆流も発生し
、冷却開始点を冷却水の衝突位置に確実に定めることができず、冷却状態が揺らぎ、金属
管に表面肌のムラや曲がりが発生する。

このように、金属管２の中心軸に向けて環状開口部１０から円錐状に絞られるように噴
出する水膜状の冷却水を金属管２に噴き付けることにより、従来の穴状噴霧ノズル列を用
いて液滴状に噴射したときのような冷却水の噴き付け状態の変動を軽減し、冷却状態を安
定化させ、冷却能力のムラの発生を軽減でき、得られた金属管製品の表面品質改善を図る
ことができる。

例えば、ステンレス鋼管の固溶化熱処理の場合、ラインスピード1〜3m/min程度で走行
する鋼管を加熱装置により約1100℃まで加熱した後に冷却装置により約40℃以下となるま
で冷却速度５０℃/秒以上で急冷する必要があるが、このようなオンライン製管法におい
ても金属管をその中心軸に対称的に均一に急冷が可能となる。

冷却装置の対象となる金属管はその材質、管径、肉厚、熱処理条件などが多岐に亘るの
で、熱容量をはじめとした金属管製品の特性と処理速度に応じた冷却状態を得るために冷
却能力を調整できることが望ましい。冷却水を噴きつけるシステムには、圧力と流量をそ
れぞれ調整することができれば上記冷却条件の変化に対応できる。本発明の冷却装置にお
いては、スリット間隔は環状スリットノズルの全周で均一な値としているので、スリット
間隔を調整することによって金属管の中心軸に対称的に均一な圧力と流量で噴き付けて所
望の冷却効果が得られるようにする。

スリット間隔ｄは、図６に示すように、内側環状体３と外側環状体４を両者の中心軸方
向に相対的に移動させることにより冷却条件に応じて変更することができる。図６（Ａ）
は、相対的な移動量を大きくしてスリット間隔ｄを小さくした状態を、図６（Ｂ）は、ス
リット間隔ｄを大きくした状態を示す。

噴射部を冷却水の噴射方向の断面で観察する場合、冷却水が最終的にスリット開口部か
ら大気中に離脱する位置において水膜の両側が拘束された状態であると、冷却水の後背か
らの圧力と離脱先の大気圧との差から拘束した両側の端部分から拘束の外側へ向けて冷却
水が解放されることにより、離脱の際に噴射方向の外に向けて冷却水が屈曲し、又は、飛
沫が多く発生し、金属管の上面、下面、側面の衝突位置が真円状の同一円周上からずれた
り、噴き付けパターンが広範囲にわたったり、また、飛沫が散乱したりする不具合がある
。

しかし、スリット内縁８をスリット外縁９の位置よりも冷却水の噴射方向に少し突出さ
せると冷却水の流れが均一な厚みの水膜をなすようになり、噴射水流の乱れを抑制できる
効果が高まる。図７は、冷却水の噴射方向の断面で見て、スリット内縁８がスリット外縁
９よりも突出した長さＬ（以下、「スリット内縁の突出長さＬ」という）を説明する図で
ある。例えば、スリットの開口間隔を１ｍｍと一定とし、スリット内縁の突出長さＬをパ
ラメータとしたノズルを作製した場合、大気中に噴射する水の安定具合は、長さＬが５ｍ
ｍ以上となると冷却水の流れが水膜をなすようになり、噴き付け水流の乱れを抑制できる
。長さＬは、長くても３０ｍｍ程度あれば十分であるが、原理的には図５に示すＤ１＝Ｄ
２なるまで可能である。しかし、金属管２の外面とスリット内縁８との接触を避けるだけ
のクリアランスは必要である。

スリット内縁の突出長さＬは、スリット開口間隔ｄ、噴射水圧、冷却媒体の種類、スリ
ット内縁８の直径Ｄ１と金属管２の外面の直径Ｄ２の差等に応じて求めることができる。
これにより、内側環状体３と外側環状体４を相対的に移動させて長さＬを調整するだけで
金属管２の外面の真円状の同一円周上へ冷却水を噴き付けることができるようになる。

冷却装置は、熱容量の大きな金属管製品が高速で通過する場合や、熱容量の小さな金属
管製品が低速で通過する場合にも対応できる必要がある。前者の場合には冷却能力を高め
る必要がある。一般的には、冷却水の供給能力から流量の上限が定められる場合には、そ
の制限内の一定の流量の冷却水を用いる中で高温物体と冷却水の接触表面積を増すために
スリット間隔ｄを絞って高速で噴出させることが良い。

流量に余裕がある場合で、急冷を要する場合には冷却水の噴出速度を維持するとともに
流量を増す。また、経済性の観点から、また、冷却水の回収などの処理作業の負荷軽減の
観点から、流量を減ずることもある。

冷却装置１内の冷却水流路５は十分な大きさの流路断面積を有することが好ましい。ス
リット６の環状の開口部１０から冷却水が噴射されるので、冷却水供給口７からスリット
６への冷却水の供給も環状であることは理想的であるが、外部から冷却装置１へ環状に冷
却水を供給しようとすると外部構造が複雑となる。外部から冷却装置１への冷却水の供給
は、図５に示すように、１箇所又は数箇所程度であるのが実用的である。この位置的に偏
った冷却水供給口７からスリット６に至るまでに小さな断面積の流路しかない場合、環状
の開口部１０からの噴射も偏ってしまい、理想的な形の環状の水膜が得られない。この原
因は、小さな断面積の流路においては、流速が速くなり流れ抵抗の影響が大きくなり、冷
却水供給口７から環状の開口部１０の各部への流れ抵抗の差異から冷却水の供給が偏り、
また、スリット６内部を高速で冷却水が環状のスリットの周方向に移動しながら環状の開
口部１０に至り、噴射角度に周方向成分が加わり、さらに、冷却水供給口７が例えば２個
程度の複数の場合、それぞれの冷却水供給口から等距離にある環状の開口部の部分におい
ては水流のぶつかりも生じるためと考えられる。

この不具合の是正方法の一つとして、冷却水供給口７の個数を増やすことが考えられる
が、個数増加には自ずと制限があり、また、それぞれの供給部からの冷却水の供給をバラ
ンスさせる必要があり困難がともなう。また、開口部１０からの噴射角度を整えるための
是正方法の一つとして、スリット６の内部に整流板を設ける方法があるが、流れ抵抗の増
加となり、開口部１０の位置毎の噴射量の差異が拡大する弊害を増長する。

これらの困難は、大きな断面積を有する冷却水流路５を設け、その断面積とスリット６
の開口面積の比を調整することにより解決できる。図８に示すノズル形状において、スリ
ット６の開口面積（スリットの内縁の延長線上から覗き込むスリット開口部の総面積）と
冷却水流路５の断面積の比を一定以上にすれば噴射時の冷却水の形状が安定し、より均一
に冷却水を噴き付けることができる。流路断面積をスリット開口部の面積で除した値を２
程度以上として流路の断面積をノズルからの冷却水の噴射量に対して十分に大きくするこ
とが好ましい。あまり大きくしても効果は少なくなるので、大きくても５倍程度であれば
よい。このことにより、冷却装置１内の周方向の流速を抑制することにより流れ抵抗を極
小化しスリット６への冷却水の流れ込み部に十分な冷却水を保持し、そこに圧力が均等に
かけられている形とし、冷却水流路５に流速均一化チャンバーの機能を持たせることがで
きる。

本発明の冷却装置１を図９に模式的に示すように、ステンレス鋼管２の連続溶接製管機
内で加熱冷却を行う工程に適用した。一定の速度で連続的に成形、溶接された外径Ｄ１＝
φ34.0、肉厚＝3.0tのステンレス鋼管（SUS304）は、鋼管の中心軸に対称的に均一に約11
50℃になるように高周波加熱コイル１４で均一加熱処理され駆動ロール１５で搬送された
。ラインスピード2.0 m/minで搬送中の加熱後の鋼管に対し、図５に示すような冷却装置
（内側環状体の径Ｄ２＝75mm、軸方向長さ＝210mm）を用いて冷却水を鋼管外面に噴き付
け、約40℃まで冷却した。連続溶接製管ラインの最後の位置において走行切断機で約4mの
長さに切断した。流路の面積/スリット開口部の面積は２、スリット開口間隔ｄ＝１ｍｍ
、噴射角度θは４５°とし、スリット内縁の突出長さＬを０、１、３、５、１０、２０、
３０ｍｍと変えて実施した。ノズルへの供給水圧は０．２ＭＰａ、噴射水量は２００Ｌ/
ｍｉｎとした。結果を表１に示す。

長さＬが約５ｍｍ以上となると、冷却水の水膜は均一な厚みの層をなすようになり、鋼
管外面への噴き付け水膜の乱れを抑制できる効果が高かった。これにより、金属管外面の
真円状の同一円周上へ確実に冷却水を噴き付けることが容易にできた。

表２に実施例１においてスリット内縁の突出長さＬを２０ｍｍとした場合の冷却結果と
図２から図４に示した従来法の穴状噴霧ノズルを用いて同じ給水条件で冷却した冷却結果
から得られた製品の品質を比較して示す。

本発明の方法は、冷却後の金属管の表面肌のむらの発生、金属管表面の周方向の凸凹の
発生、金属管の中心軸方向の曲がりの発生抑止のいずれについても優れた品質が得られる
ことを示した。

本発明は、焼き入れ等の熱処理や溶接による連続製管において、加熱後の金属管を急冷
する方法において、従来の穴状噴霧ノズル列を使用した冷却方法よりも金属管の全周を確
実に均一に急冷することが可能であり、金属管表面の凸凹と曲りの発生を防止し、表面性
状にむらのない均一な製品表面を得ることができる。

１冷却装置
２金属管
３内側環状体
４外側環状体
５冷却水流路
６スリット
７冷却水供給口
８スリット内縁
９スリット外縁
１０環状の開口部
１１ネジ構造
１２クリアランス
１３Ｏリング
１４高周波加熱コイル
１５駆動ロール
Ｗ冷却水
Ａ加熱装置側に逆流する水滴・飛沫
ａ−ｂ金属管の外面への冷却水の衝突位置

Claims

水平方向に位置する金属管の外周に金属管と同心円状に配置された噴射口から金属管の外
面に冷却液を噴射させて、金属管に衝突した液膜状の冷却液が金属管に液膜状に接触して
流れるようにすることによって加熱後の金属管を冷却する冷却装置であって、
該冷却装置は第一の部材と第二の部材を組み合わせて、内部に冷却液流路と該冷却液流路
に接続する円錐台状に傾斜した環状のスリットノズルを有し、
該スリットノズルは、その最先端のスリット内縁とスリット外縁により形成された環状の
スリット開口部からなり、冷却液を金属管外面に斜め方向に液膜状に噴射する噴射口を有
し、
該スリット内縁に至る円錐台状の傾斜は、金属管の中心軸に対する角度θで表わして３０
°から６０°であり、
該スリット内縁は該スリット外縁よりも長さＬだけ冷却液の噴射方向に突出可能であり、
該スリット内縁の突出長さＬ及び前記スリット開口部のスリット間隔ｄが第一の部材と第
二の部材の相対的移動によって調整可能であることを特徴とする加熱後の金属管の冷却装
置。
前記冷却液流路の断面積を前記スリット開口部の面積で除した値を２〜５としたことを特
徴とする請求項１記載の金属管の冷却装置。
前記第一の部材が内側環状体であり、前記第二の部材が外側環状体であり、外側環状体の
内部に冷却液流路が設けられており、
外側環状体の先端側内表面及び内側環状体の先端側外表面の間に環状スリットノズルが形
成されており、
内側環状体と外側環状体は金属管の中心軸方向に相対的に移動可能であることを特徴とす
る請求項１記載の加熱後の金属管の冷却装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却装置を用いて、加熱後の金属管を冷却する方法に
おいて、冷却液が安定して液膜状で噴射され、金属管の外面の真円状の同一円周上に液膜
が衝突するように前記スリット内縁の突出長さＬをスリット間隔ｄ、噴射水圧、冷却媒体
の種類、スリット内縁の直径Ｄ１と金属管の外面の直径Ｄ２の差に応じて調整することを
特徴とする加熱後の金属管の冷却方法。
請求項４記載の冷却方法において、金属管の外面の真円状の同一円周上の衝突位置に衝突
する冷却液の角度が前記θの角度を維持するように、前記スリット間隔を調整することを
特徴とする加熱後の金属管の冷却方法。
請求項４又は５に記載の冷却方法において、金属管を高周波誘導加熱装置によりその中心
軸に対称的に均一な温度に加熱した後に冷却することを特徴とする加熱後の金属管の冷却
方法。