JPS5887226A - 鋼管の冷却方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として小径のみあるいは小径がら中径までの
広範囲の外径の鋼管全同一冷却設備で焼入れする際に比
較的小径の鋼管の曲り、特に管端部りを防止する機能？
具備した冷却方法及び装置に関するものである。

鋼管の焼入冷却過程においては、偏冷却に起因する鋼管
の変形が常に問題とな°る。焼入後の変形はその後の焼
戻し処理及び長手方向の曲り変形（二対しては矯正処理
、周方向の楕円変形に対しては幅間定形処理によりがな
り修正されるが、それでもどきには有害な変形が残った
ままとなり、後１−程における加工、例えば管端部への
ネジ切り加■において不良発生の原因となる。特に油井
管など高級鋼管については変形に対する許容限度が厳し
く、焼入冷却時の変形量の大小が製造ラインの能率を左
右する。

これら製品品質ｌ；影響する変形に対する修正技術は、
高能率の製造ラインを前提にするならば限度がある。ま
ず曲り変形の修正には鼓形のロールを交差して配列した
多ロール矯正機が一般的に使用されるが、この設備によ
ると鋼管全長に渡る大曲りは精度よく修正されるが、管
端部の曲りについては、前記矯正機のロール配置上の制
約から概ね５０％の改善効果しか望めない。又、焼入冷
却後の焼戻し処理に一般的に使用されるウオーキングビ
ーム形の焼戻し炉においても、炉内搬送中及び待機中の
鋼管に回転を与えることで、−管長方向の大曲り変形は
かなり修正されるが、管端部の曲りはほとんど残ったま
まとなる。

即ち焼入冷却過程で発生する管端部の曲りが大きい場合
、前記焼戻し後さら（二は矯正後においても曲りが残っ
たままとなシ、最終製品の品質にまで影響することとな
る。この傾向は特に１００Ａ以下の細径、薄肉の鋼管で
顕著である。

−刃鋼管周方向の楕円変形に対する修正は、円形のカリ
バーをもっ２又は３つのロールを組合わせたロールスタ
ンドを通常３スタンド並べた定形機にて焼戻し後の鋼管
全若干の圧下をかけつつ直進通過させることで楕円修正
するが、焼入冷却過程端に楕円となったものは修正しき
れずに後工程に流れる。又前記多ロール矯正機において
も、楕円の修正はなされるが、その効果は概ね５０％位
である。鋼管の楕円は曲りと同様次工程におけるネジ切
り加工に有害でやはり製品の品質に直接影響することと
なる。鋼管の楕円変形は比較的大径の鋼管で顕著である
。

以上説明した様に変形の修正技術には限度があり、製品
品質の向上を計ろうとすれば焼入冷却時に発生する変形
を小さく押えねばならない。

本発明は焼入冷却過程における管端部の曲り防止に主眼
をおいており、特に径の比較的小さな曲シやすい鋼管の
冷却に関する最適冷却方法並びに冷却装置を提供し、加
えて楕円変形についても最小となる様な冷却装置を提供
するものである。

焼入冷却過程における変形防止技術は従来から種々検討
され、それなりの効果を上げてきた。即ち内外面冷却浸
漬焼入法における冷却条件は、内面冷却については鋼管
の内径、長さに応じて必要内面流速を確保すること、外
面冷却については鋼管の外周上及び長手方向でできるだ
け均一に冷却されるようなノズルの配置と表面積に応じ
た適正な水量を与えるこｔ、あるいは鋼管を回転するこ
とにより円周上の不均一冷却を軽減するなどである。

しかしこれら変形防止効果にも限度がある。即ち焼入さ
れる鋼管自身に変形する°要因があるからで、加熱され
た鋼管の表面状態によって熱伝達が変化すること、周方
向の温度差や鋼管の偏肉による冷却速度差などが出るこ
とによって、冷却過程において場所的に収縮差、変態膨
張差が生じ鋼管の変形となって現われるからである。又
冷却途中における変形は焼入冷却定位置から外れること
となり、これは外面冷却の最適位置から外れることにも
なるので、偏冷却を助長する結果となる。この現象は管
端部の自由長が長いほど管端部に集中魯て現われる。従
来の内外面冷却浸漬焼入法においては、管端部自由長に
ついては考慮が払われておらず、設備配置上の制約から
鋼管の長さによっては管端部が大きく張出した片持ちの
まま冷却されていた。

、　本発明者等は広範な鋼管の拘束方法に関する実験の
結果、鋼管の両端付近を拘束することにより特に管端邪
曲りに対して著しい防止込果のあることを発見した。今
回発明の一人方法は管端面りの生じやすい少なくとも１
００Ａ以下の鋼管を焼入れ冷却するにｉシ管の両端とも
に管端から５−００龍以内、好ましくは２５０ｇｍ以内
の位置を拘束することを特徴としている。該拘束位置に
ついては鋼管のサイズによって異るが、搬送中の鋼管の
管端位置のバラツキも考慮に入れて管端よ！＋２５０龍
位が最適である。

管の拘束方法については、Ｖ形の鋼管受台と上部よシ鋼
管を押えるフラング装置の組合せによる水槽中で鋼管を
回転させない固定焼入れ方式、及び鋼管を受けつつ回転
させるターニングロールと上部より回転する鋼管を押え
かつガイドするピンチロールの組合せにょ葛鋼管回転焼
入れ方式があり、ともに同条件ではゾ同じ効果が確認さ
れており広く適応出来る。

鋼管の多点拘束特に上記の管端部拘束によって曲り、特
に管端邪曲シが防止できる理由について、考察した結果
を次に述べる。

本発明者等の大気中で実施した管内流のみの焼入れ実験
によると、自由縮長が長いほど、冷却過程で管端が複雑
で大きな運動をしており且つ最終的に大きな端曲りが残
ることが確認された。第１図は内外面焼入れの際の管端
面シと自由縮長との関係を調べた結果の代表例であるが
、自由端褪が５００ｍｍ以下であれば５０Ａの鋼管でも
端曲りが６　ｕ以下となり、更に２＝５０１１Ｍ以下で
あれば端曲りはほとんど生じないことが確認された。

また、内外面焼入れで焼入鋼管全体の曲りと管端面りと
の間に相関があり、全体の曲シが大きい冷却条件や設備
条件はど大きな端曲りの発生頻度も高いと経験的に云わ
れている。自由縮長を種々変えた内外面焼入れ後の端曲
り測定結果の代表例全第１図に示したが、自由縮長が長
いほど内外面焼入れ後の曲シも大きいことが、確認され
た。第２図からも自由縮長ｔ　５００　ｇｎ以下に、更
には２５０龍以下にすれば全体面りも著しく小さく薄肉
、細径鋼管の真直度が極めて向上することが確認できた
。

第１図、第２図の両図は鋼管全長４ｍの場合のデータで
あるが、中間部の拘束間隔が１．５ｍ〜１．８ｍの多点
拘束であるから、鋼管の全長が約１２ｍ〜１４ｍであっ
ても事情は変わらないことも既設の内外面焼入装置を利
用した実験で確認した。このような管端部拘束と中間部
の多点拘束が鋼管の端曲りや全体臼シヲ防止する機構は
、管の長手方向で場所的に且つ時間的に不均一な応力が
発生しても、鋼管が管端部をはじめ多数点で拘束されて
いるので、局部的に大きな応力も周囲に伝播し、緩和さ
れ、最終的に残留応力も小さくなり拘束を解放した後′
も曲シ全はとんど生じないものと考えられる。

鋼管の両管端部全拘束することにより曲り、特に管端面
りが防止できることが確認されたが、生産される鋼管の
°長さは種々変化することから常に管端の定位置を拘束
するには設備上の配慮が必要である。

本発明によれば焼入炉より抽出された鋼管を鋼管長さに
よって使いわける数箇所の基準位置にそろえる端面揃え
装置を設け、該基準位置それぞれに対〜応しかつ焼入冷
却位置にあって管端位置近傍を拘束する固定の拘束装置
にて鋼管の一方端の定位置を常に拘束できるようにし、
該基準位置にて揃えられた鋼管の他方端については、該
基準位置のピッチ以下℃寸法で位置が変化することがら
管端位置に応じて移動できる拘束装置にて鋼管の定位置
を拘束できるように配慮しである。

一方向面冷却ノズルは鋼管のどちらか一方の管端に対し
て噴出するよう配置するが、本発明においては管端面位
置変化の少ない側、すなわち移動できる拘束装置側に設
置し拘束装置とともに内面冷却ノズルが移動することで
内面ノズルから管端までの距離、管端から拘束位置まで
の距離がどんな長さの鋼管においても一定となるよう配
慮されている。さらに鋼管の径が変化する場合のためり
拘束装置と内面ノズルの高さ及び管端位置からノズル先
端までの距離は調整できるよう配慮されている。

前記に示す固定の拘束装置と移動の拘束装置の組合わせ
によらないで両管端近傍を常に拘束する方法も考えられ
るが、設備配置上の制約が出て本発明に比較して不利と
なる。例えばすべての拘束装置ａが固定である装置を考
えるならば、前記記載の両管端位置’（ｉ：５００ｉ＋
ｉ以内の所で拘束しようとすれば固定の拘束装置Ｔｈ５
００ａ＋ｍ以内のピッチにいくつも並べて設置する必要
があり、搬入、搬出設備との取合上及び外面冷却ノズル
の配置上の制約から、外面水流に多くの死角ができて焼
入性能−ヒの問題、特に厚肉鋼管や焼入性の劣る鋼管で
不均一焼入や、ある０は真円度不良が生ず−る原因とも
なり且つ設備費も増大するなどの理由から得策でない。

以上主として焼入冷却過程における偏冷却と曲りの関係
とその対応策について述べてきたが、前述しているよう
に偏冷却に起因する変形のうち楕円変形についてもその
防止策は重要である。

楕円変形は鋼管の周方向の偏冷却によって発生するが、
楕円変ｑ、、ｖｉ−防止するには鋼管の周方向に対して
できるだけ均一に冷却できるような方策を立てなくては
ならない。

内外面冷却浸漬形の焼入装置において楕円変形を防止す
る方策は、外面冷却の均一化を計る手段が主となる。そ
の対策としては外面冷却噴出ノズルを鋼管円周半面上に
なるべく数多く配列することが知られているが、この方
法は鋼管の搬出入及び支持台など設備との取合上配列数
に限度があること、該設備によって水流が乱されるなど
大巾な効果は期待できない。又単に外面水量金非常Ｃ二
多くして水槽内を強攪拌することで円周方向の偏冷却を
小さくすることができるが、水槽内支持台などの水流死
角における偏冷却が生じるなど長手方向の均一性に欠け
ること、多量の冷却水を使うことでコスト的に不利とな
るなど得策な方法と云えない。

本発明者等は最もコスト的に有利でかつ偏冷却全最小に
押え楕円変形のない最適方法全実験によって明らかにし
た。即ち使用水量全最小限にしかつ水槽内の水流死角を
できるだけ生じさせないために、外面冷却ノズルは焼入
冷却中の鋼管に対し左右１列づつほぼ水平に配置し、さ
らに鋼管円周方向の偏冷却を小さくするために焼入冷却
中の鋼管を毎分３０〜１５０回転位の速度で回転する。

又鋼管長手方向の部分的な楕円変形全防止するために、
前記外面ノズルピッチｋ　３０．０　ｍｍ以下としかつ
左右千鳥配列とする。′これらの組合せ条件における焼
入冷却方法を取ることにより楕円変形量は半減した。

第３図は前記条件でかつ鋼管の回転数？毎分２０〜６０
回転にした場合における楕円変形（真円度）の変化を示
す実験例である。

次に本発明にもとす〈実施例を図面にもとずいて説明す
る。第４図〜第７爾は本発明による焼入装置の図面であ
るが、鋼管加は第４図上、上方より下方に流れる。各設
備の配置は上方にある焼入炉ｌの後方にスキッド２を配
置し、該スキッド後方にアライニングテーブル３を配置
する。該アライニングテーブル３には鼓形のローラ４を
一定間隔に配列し、電動機（図示せず）にて回転できる
ようにする。該ローラーテーブル上の右方向（第４図）
には、鋼管加の基準位置ａ、ｂ、Ｃとなるように昇降ス
トツバ５ａ、　５ｂ、　５ｃ　ｖｉ−配置する。

該ローラーテーブルには該ローラーテーブルより鋼管２
ｏをけり出すためのキツカー６が配置してあり、さらに
該キツカーにてけり出された鋼゛管２０Ｙｆｆ：後方の
焼入装置まで転送するスキッド７が配置しである。焼入
装置は水槽８と固定の拘束装置と移動の拘束装置及び内
面噴射装置にて構成されるが、固定の拘束装置は前記昇
降ストッパ５ａ、５ｂ。

５ｃそれぞれに対応した位置と移動拘束装装置との間に
おいて一定ピッチに配置され、受台９と該受台に対して
左右より交差して閉となるクランプ１゜とからなる。又
移動の拘束装置は台車１１に前記固定の拘束装置と同形
状の受台１２とクランプ１３ヲ設置し、該台車は移動シ
リンダー１４にて第５図上左右方向に移動可となってい
る。又該台車番＝は内面冷却噴射ノズル１５が設置され
ており、該ノズル１５はノズル上下移動調整装置１６と
ノズル前後進調整装置１７によって前記移動する拘束装
置と相対位置が変えられるようになっている。これら焼
入装置後方には該水槽より鋼管２０ヲけり出すためのキ
ツカー１８と後方に転送するためのスキッド１９が配置
しである。

鋼管２０の長さｋ　２０　ａ　＋　２０　ｂ　、２０　
ｃの３種として説明すると、２０ａの鋼管を流す場合に
はストッパー５ａを上昇させ右方向管端基準ａを使用す
る。

２０　ｂの鋼管の場合は５ｂ、２０ｃの鋼管の場合は５
ｃのスＢｙパを上昇させ、それぞれの管端基準ｂ、ｃｆ
使用する。即ち鋼管の長さに応じてストッパ５ａ、　５
ｂ、　５．ｃ　ｆ使いわける。鋼管かの第４図上右方端
ｋａ又はｂあるいはＣの基準位置にそろえた場合鋼管加
の第４図上左方端ζ二ついては２０ａ。

２０　ｂ　、　２０　ｃのそれぞれ位置が異なり、該管
端位置によって拘束装置及び内面冷却水噴射装置の移動
が必要・となる。第５図においては２０ａ、の鋼管の場
合の台車１１の位置を現わしており、第６図においては
２０　ａの鋼管の場合の台車１１の位置を示している。

次に鋼管の流れにそって説明すると、焼入炉１にて加熱
された鋼管２０は該焼入炉の抽出扉（図示せず）より抽
出され、スキッド２の上を転送しアライニングテーブル
３の上に落下する。該アライニングテーブル３上のロー
ラー４はただちに回転し、鋼管２０全第４図の右方向に
送る。該鋼管はあらかじめ上昇しているストッパ５に突
当って停まり、キツカー６でけり出され、スキッド７上
を転送しながら水槽８内に落ち込み、受台９及び１２上
で止まる。　　　” 鋼管２０は焼入冷却位置即ち受台９の中心で停止すると
同時にクランプ１０及び１３にて拘束される。

該クランプにて拘束されると同時に内面冷却水が内面ノ
ズル１５より噴出し、鋼管２０全内面より冷却する。外
面冷却については水槽内水没と同時に始まっており、必
要に応じたタイミングで外面ノズルηより冷却水？噴出
させ冷却する。鋼管側は完全に冷却された所でキツカー
１８にてけり出されスキッド１９上全転送し次工程に送
られる。

本発明にもとすくもう一つの実施例は前述の焼入装置に
鋼管Ω回転４構を付加したもので、前記実施例において
は受台９及び１２とクランプ１０及び１：３の組合せに
よる鋼管側の拘束装置としていたが、本実施例において
は該受台９，１２とクランプ１０゜１３ツカわりに、第
８図に示すようにターニングロール２１とピンチロール
２２によって拘束するものでその他の機能は同様である
。

即ち第８図において、鋼管側が水槽８に入る前にはピン
チロールｎは左右方向に開となっている。

鋼管側が搬入装置（図示せず）によってターニングロー
ラー２１上に積載されると、ただちにピンチロール２２
は閉となり、鋼管２０ヲ拘束する。ターニングローラー
２１はあらかじめ又は鋼管搬入後回転させることでその
上に乗りかつ拘束された鋼管は回転をするが、この回転
は冷却中引続き行なわれる。冷却完了後ターニングロー
ラー２１の回転全土めた上でピンチロール２２ヲ開とし
、鋼管側は搬出装置（図示せず）によって槽外、に搬出
され次工程に送られる。

以上２実施例について説明したが、焼入冷却位置に対す
る鋼管の搬入、搬出方法についてスキッド転送による搬
入とキツカーによる搬出全採用したが、搬入に対してキ
ツカーやチェンコンベアを用いても良く、又搬出につい
てもチェンコンベアを用いても良い。

以上説明した様に本発明（二よる冷却方法及びその装置
によれば、曲り、特に管端的りが最小に押えられ、曲り
に起因するあらゆるトラブルが解消する。又鋼管の回転
機構を付加することにより楕円変形も低く押えられ製品
品質が向上するなど、得る利益は多大なものとなる。又
本発明の方法、装置を採用することにより、あらゆる長
さの鋼管及び広範囲な外径の鋼管について１つの設備に
て対応できるためコスト的にも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は内外面焼入れの際の管端的がりと自由縮長との
関係を示すグラフ、第２図は鋼管長４ｍの場合の全体曲
りと自由縮長との関係全示すグラフ、第３図は本発明に
よる冷却条件で回転全付加した場としない場合における
真円度の変化を示すグラフ、第４図は本発明による焼入
装置の平面図、第５図は該焼入装置の側面図で鋼管２０
　ａ　ｆ拘束している関係図、第６図は該焼入装置の側
面図で鋼管２０　ｃ　’ｊ（拘束している関係図の１部
、第７図は該焼入装置の拘束装置の断面図、第８図は回
転焼入方式を採った場合の拘束装置例の断面図である。 １・・・焼入炉、　　２・・・スキッド、　　３・・・
アライニングテーブル、　　４・・・ローラー、　　５
・・・昇降ストッパ、　　６・・・キツカー、　　７・
・・スキッド、　　８・・・水槽、　　９・・・受台、
　１０・・・クランプ、　１１・・・台車、１２・・・
受台、１３・・・クランプ、　１４・・・移動シリンダ
ー、　１５・・・内面冷却噴射ノズル、　１６・・・ノ
ズル上下移動調整装置、　１７・・・ノズル前後進調整
装置、１８・・・キツカー、１９・・・スキッド、　加
・・・鋼管、２１・・・ターニングロール、２２・・・
ピンチロール、田・・・外面冷却ノズル 特許出願人代理人 弁理士　矢　葺　知　之 （ほか１名） １Ｆ￥１ｙＪ 自由Δ１長で１ｍ 第６図 第７Ｆ！Ｊ　　　　　　　８閲 手続補正書（自兄） 昭和５７年代月／ヂ１１ 特許庁長官　島　１）春　樹　殿 ■、事件の表示　昭和５６年　特許ｖｓｍ　１８３６３
９　　号２、発明の名称 鋼管の冷却方法及びその装置 ３、補正をする者 事件との関更　出願人 住　所（居所）東京都千代田区大手町二丁目６番３号氏
　名（名称）　　（６６５）新日本製鐵株式会社４、代
　理　人 住　所　　東京都港区赤坂６丁８４番２１号７０４（ほ
か１名） ５補正の対象 明細書の発明の詳細な説明及び図面 （１）明細書第６頁、９行目の１防止込果」を「防止効
果」と訂正する。 （２）回書第１０頁、１５５行目「必要」を１必要」と
訂正する。 （３）　　回書第１２頁、１９９行目加行目の間に以下
の文を挿入する。 「焼入冷却中の鋼管の回転数を３０〜１５０ｒｐｍと限
定した理由は以下の通りである。 第３図の例にある如く、外径が比較的大きい時には、低
速回転でも、周速が大きくなる為（資）ｒｐｍ以上の回
転数において真円度が大幅に改善され且つ安定した。ま
た、外径６．０．３　ｒｔｒｒｎの細径・薄肉鋼管の焼
入れでは、６０〜１５０　ｒｐｍの比較的大きな回転数
において曲がりが減少し且つ安定した。このような実験
と温度シミュレーション計算から、適正鋼管回転数範囲
は３０〜１５０１’ｐｍ程度と確認された。したがって
、冷却装置設計に当って、所要鋼管回転数としてＩ〜ｌ
　５０　ｒｐｍとすれば実用上十分であり、１５０ｒｐ
ｍ以上の回転数を与えるのは、電力的にも無駄である。 」 （４）添付図面の第４図を別紙の通り訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　少なくとも、１００Ａ以下の鋼管の焼入れ冷却にお
   いて、管の両端金管端から５００ｍｍ以内の位置全拘束
   することを特徴とする鋼管の冷却方法。 ２、鋼管の長さの変化に応じて少なくとも一方の管端部
   拘束装置を移動させることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の冷却方法。 ３　鋼管の内面冷却又は内外面冷却をするに当り鋼管の
   一方端を１箇所又は数箇所の基準位置にそろえる端面揃
   え装置と、該基準位置それぞれに対応しかつ焼入冷却位
   置にあって管端位置近傍全拘束する固定の拘束装置と、
   鋼管の他方端にあっては管端位置近傍全拘束する少くと
   も１組の前後移ル１１する拘束装置と、該拘束装置とと
   もに移動する内面冷却用噴射ノズル装置と、前記拘束′
   ＶＣ置に対して該内面冷却用噴射ノズル全１−下方向及
   び前後方向に移動自在にする噴射ノズル調整装置とから
   なる鋼管の冷却装置。 ４　鋼管全毎分３０〜１５０回転させながら冷却する鋼
   管回転機構全付加したことを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載の鋼管の冷却装置。