JPS63134633A - 鋼管の冷却方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 鋼管の冷却方法として、冷却ヘッダ一方式のものと浸漬
方式のものがある。本発明は冷却ヘッダ一方式による鋼
管の冷却方法、更に詳しくは加熱鋼管に対して鋼管内外
面より厳密な調整冷却を行って所望の金属＆ｆｌ織と機
械的性質を付与し得る鋼管の冷却方法に関し、とくに肉
厚が１５鶴以上の厚肉鋼管に好適な冷却方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、厚肉鋼管の焼入れ等の冷却は主としてスプレーノ
ズルを用いた外面冷却ヘッダーと内面冷却ヘッダーとの
併用により行われているが、このスプレーノズルは鋼管
表面を一様なスプレー密度で冷却出来る冷却水量範囲が
狭いため、鋼管寸法や冷却仕様に応じて冷却能力を調整
することが困難である。また、内面冷却開始タイミング
（内面冷却ヘッダー固定位置に対応）も内外冷却を行う
場合の主要な項目であるが、鋼管の材質や寸法等により
調整するということはなされていなかった。

従って冷却制御を行う場合はヘッダーの冷却能力は一定
にし、また内面冷却ヘッダーの位置も一定にし、搬送速
度のみを鋼管寸法・材質・冷却仕様等に応して調整する
という方法を採るのが一般的であった。

一方、熱延鋼板の冷却では最近、巻取温度（冷却終点温
度）の制御とともに、冷却速度パターンの制御が行われ
ているが、この場合は比較的冷却能力の小さい範囲での
制御であるので、冷却能の調整範囲も狭くてよい場合が
多く、特に新しい方法や装置を用いなくても既存手段の
小改良で対処できている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、鋼管冷却の場合は高速冷却が要求されること
が多く、特に焼入れ等では最も冷却速度の遅い部分にお
いても５０℃／Ｓ以上というような要求仕様のものがあ
る。このように、求められる冷却能力の絶対値レベルが
高くかつ冷却能力の広範囲の制御が必要とされる場合に
は上記のような既存手段の改良では全（対応できず、厚
肉鋼管の場合はなおさら対応が困難になる。

本発明は、肉厚１５醜■未滴の薄肉鋼管は勿論のこと、
肉厚が１５ｍｍ以上の厚肉鋼管に対しても、これらに要
求される金属組織、機械的性質を厳密かつ安定的に与え
得る高精度な鋼管の冷却方法の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

ところで、本発明者らは鋼管に所望のＭｉ織、特性を付
与する目的に沿った新規な鋼管冷却方法を先に開発し、
本出願人により出願を行った（特願昭６０−１２３３３
４号および同６１−３３４０号）、これらの方法は次の
観点に立って開発されたものである。

■　鋼管の望ましい金属組織と機械的性質を得るには華
に冷却するのみでなく冷却時の温度履歴を管理すること
が不可欠である。

■　この鋼管冷却を行うためには、冷却能を厳密に管理
できる新規な冷却ヘッダーと冷却手法とが必要である。

■　冷却ヘッダーとしては、もっばら緩冷却の用途に使
用されていたミスティングジェットノズルを、気水比（
供給される空気の水に対する比）を小さく、かつ水量を
多くした冷却用のノズルとして組込んだものを使用する
。

すなわち、ミスティングジェットノズルは、従来は例え
ばＣＣ（連続鋳造）の冷却制御等といった緩冷却用に使
用され、気水比は３０以上で用いられていたのを、この
方法では鋼管の強冷却用として気水比５〜１０程度で使
用するのである。つまり、気水比５未満ではミスト粒の
被冷却材への衝突エネルギーが減少し冷却能の低下をき
たし、１０を超えるとミスト粒径が小さくなり十分な冷
却能が得られないのである。

また、水量については従来５〜７１７分・ノズル程度で
あったのを５〜２０１７分・ノズル程度の範囲で使用す
る。すなわち、５Ｉ！／分・ノズル未満では各ノズルの
安定した冷却能を得ることが難しく、２０１／分・ノズ
ルを超えると水量を変えた場合の冷却能に対する効果が
少なくなり水量調整の意味がない。

■　冷却手段としては、速度調節が可能な鋼管コンベア
ラインに複数の上記ヘッダー（環状ヘッダー）を連設し
、この中に鋼管を挿通させる際の移動速度と、個々のヘ
ッダーの冷却能とをそれぞれ独立的に設定する。

■　また特に特願昭６１−３３４０号については、冷却
過程における肉厚方向温度差がマルテンサイト変態時に
おいて鋼管冷却面付近に焼割れが生じない範囲内に収ま
るように条件設定し、焼割れ対策とする。

ところが、本発明者らのその後の研究によれば、これら
の方法は主に厚肉鋼管に対する配膓が不足していること
が判明した。

本発明は上記した先願方法に厚肉鋼管に対する対策と更
に改良された焼割れ対策とを付加したもので、その要旨
とするところは、水量と気水比とが調整可能なミスティ
ングジェットノズルを用いて構成された冷却能が可変で
、且つ速度可変ローラコンベア中に鋼管移動方向に複数
個連設された環状外面冷却ヘッダーと、同じく水量と気
水比とめ＜　ｌｉ節可能なミスティングジェットノズル
を用いて構成された冷却能が可変で且′）８管内部で鋼
管移動方向に可動式の棒状内面冷却ヘッダーとを併用し
、所定温度に加熱した鋼管を前記環状囲と棒状内面冷却
ヘッダーとの間を挿通移動させて冷却を行い、その際、
鋼管の移動速度、各外面冷却ヘッダーの冷却能、内面冷
却ヘッダー固定位置および内面冷却ヘッダーの冷却能を
、下記冷却速度パターンを確保し且つ下記過渡熱応力最
大値力喝゛作保される様に各々設定することを特徴とす
る鋼管の冷却方法を要旨とする。

冷却速度パターン：冷却後の鋼管に要求される機械的性
質及び金属組織を鋼管肉厚方向全体について得るのに必
要な被熱処理鋼種に固有の冷却中の温度履歴を満足させ
る冷却速度パターン。

過渡熱応力最大値：冷却中の鋼管内外表面付近がマルテ
ンサイト変態進行中に焼割れを生じない鋼管内外表面付
近の過渡熱応力最大値。

〔作　用〕

本発明の有効性を次に述べる。

○　冷却後の鋼管に要求される機械的性質および金属組
織構成に対する有効性 鋼管の冷却としてその焼入れを見た場合、設定すべき冷
却中の温度履歴は、要求される冷却後の鋼管の組織及び
機械的性質としての硬度（ビッカース硬度）と、鋼管材
質毎に知られているＣＣＴ線回とから求めることができ
る。

第３図はＣ：０．２５％、Ｓｉ：０．２９％、Ｍｎ：０
．４２％、ｐ：ｏ、ｏｔｓ％含有鋼についてのＣＣＴ線
図で、その冷却温度とＡｃ、温度をきってからの経過時
間と得られる硬度との関係を示している。

このＣＣＴ綿図によると、例えば冷却曲線■に沿った冷
却を行うとベイナイト組織とマルテンサイトの混合組織
となりビッカース硬度は４０２となる。また冷却曲線■
に沿った冷却を行うとマルテンサイトのみの組織となり
ビッカース硬度は５２３となる。

従って、焼入れ後の鋼管に要求される硬度及び鋼管の材
質を与えると、焼入れの冷却時に必要な温度履歴が決定
されることになるのである。

なお、ここでは機械的性質としてビッカース硬度をとり
あげているが、靭性、引張強度等も冷却中の温度履歴に
支配されるので、本発明にいう機械的性質とはこれらの
性能全般を意味するものである。

なお又、本発明の冷却方法における冷却中の温度履歴乃
至冷却速度パターンには、冷却終点温度も含まれるもの
である。

Ｏ焼割れに対する有効性 鋼管を冷却ヘッダーにて外面冷却して焼入れする場合、
鋼管向ｌブ方向の温度分布に偏差が生じ、肉厚方向位置
によって温度履歴が異なってくる。

今仮に、焼入れ後の組織として１００％マルチンサイト
＆ｌＩ織が要求されているとすると、これに対しては、
肉厚方向位置で最も冷却速度の遅い箇所が、Ｂ（ベイナ
イト）範囲を通らすＭ（マルテンサイト）範囲内のみを
通るように、すなわち■曲線で示す冷却曲線よりも下側
に来るように、温度履歴を設定することが必要になる。

この場合、前述の先願方法（特願昭６ｌ−３３４０５）
では、最も冷却速度の遅い箇所（外面冷却の場合は鋼管
の内表面、内外面冷却の場合は鋼管の肉厚中央部）がこ
の条件を満足する冷却曲線となり、かつ肉厚方向の温度
差が鋼管冷却表面付近がマルテンサイト変態時において
焼割れを生しない範囲に止められるように、外表面から
水冷放熱させる冷却制御方法が考えられている。

しかし、この手段だけでは鋼管肉厚１５ｍ５程度迄の薄
肉材であれば問題ないが、１５〜３Ｑ曽ｓといった厚肉
材になると冷却能力不足のために冷却後の鋼管に要求さ
れる機械的性質および金属組織が得られないだけでなく
、もし十分な冷却能力が実現できたとしても鋼管外表面
付近の急激な温度匂配ならびに変態による膨張に起因す
る熱応力により焼割れを起こしてしまう。

本発明は、これらの問題に解決を与えるもので、冷却後
の鋼管に要求される機械的性質および金属組織構成を得
るのに必要な温度脂層を鋼管全体に保証するために外面
冷却ヘッダーだけでなく内面冷却ヘソグーを併用し、ま
たその場合の鋼管冷却表面付近の急激な温度匂配ならび
に変態による膨張に起因する熱応力を抑制する観点から
、有限要素法による熱応力解析に基づく焼割れ防止策を
導入したものである。

すなわち、この焼割れ防止の考え方は、焼割れ発生の本
来の要因である熱応力を鋼管冷却表面付近のマルテンサ
イト変態進行中における過渡熱応力最大値により直接把
握しようとするもので、前述の先願方法（特願昭６ｌ−
３３４０５）における考え方、すなわち焼割れ発生の本
来の要因である熱応力を鋼管肉厚方向の温度差におきか
えるというものをさらに一歩進めたものである。

なお、この焼入れ時における熱応力解析については後で
詳しく述べるが、文献としては、王志剛、井上達雄（京
大） 「相変態の応力依存性を考慮した鋼の焼入れにおける温
度、組織および応力の解析」 門河昌宏、長岐滋、井上達雄（京大） 「鋼の焼入れと低温焼もどしにおける組織変化と応力の
解析」 が参考になる。

本発明の方法においては、高精度の冷却制御が実現でき
るが、これは内外面冷却ヘッダーにミスティングジェッ
トノズルを採用したこと、外面冷却ヘソグーと内面冷却
ヘソグーの冷却能力がそれぞれ独立的に設定されるよう
にしたこと、鋼管の搬送速度及び内面冷却ヘソグー固定
位置を連続的に可変としたことに基づくことは言うまで
もない。

〔実施の態様〕

以下、図面を参照しながら本発明を更に詳しく説明する
。

第１図は本発明の方法を実施するための装置の例を示し
、（イ）は平面図、（ロ）は側面図である。図によれば
、加熱炉ｌより出た高温の鋼管２は矢印３の方向に搬送
ローラ４にて移動し、外面冷却ヘッダー５１．５□・・
・−・〜・５＠と内面冷却ヘッダー１５との間を通過す
る。各外面冷却ヘソグーの内面には鋼管２のパスライン
に向かって複数のミスティングジェットノズルが求心状
に設けられている。

また、内面冷却ヘッダー１５は内面冷却開始タイミング
を外面冷却開始タイミングに対して所要時間遅らせるた
め、駆動装置１６により鋼管搬送方向に移動し、外面冷
却ヘソグーに対する固定位置７！ｉｏを自由に調整でき
るようになっている。

この内面冷却ヘッダー１５の外面には外面冷却へフグ−
の冷却有効長ｆｃに対応する長さｌｃ’の領域全体に亘
ってミスティングジェットノズルを放射状に配設してあ
り、これは全ノズル同一条件（水量、気水比）で調整さ
れる。

なお、ミスティングジェットノズルは前述したように従
来比較的緩冷却な用途に使用されるのが通例であったが
、本発明ではこのミスティングジェットノズルを、気水
比が従来にあっては通常３Ｏ以上と大きかったものを小
さく水量を多くして、強冷用のノズルとして鋼管の冷却
速度制御用に使っている。具体的には、この気水比は冷
却能力が高く、かつ均一なミスティングジェット流が得
られる５〜１０程度の範囲内で設定するのが望ましい。

しかし、気水比の適正値はノズルの特性に依存するため
前記５〜１０の値は必ずしも固定的なものではない。

第２図（イ）に外面冷却ヘッダー用（各ヘソグー毎に設
置）の冷却能力調整装置を、また（口）に内面冷却ヘッ
ダー用の同装置をそれぞれ示す。

まず、外面冷却ヘッダー用では、冷却水は冷却水供給源
６より冷却水流量制御装置７□、７□・・・を経て冷却
ヘンダー５１１５□・・・に送給され、また空気はエア
供給源８よりエア流量制御装置９１９ｚ・・・を経て冷
却ヘッダー５＋、５２・・・に送給される。冷却水とエ
アは各冷却ヘッダー５１．５ｔ・・・内のミスティング
ジェットノズルにより混合されてミスティングジェット
流となって、ヘッダー内を通過する鋼管２の外面に吹付
けられる。すなわち、外面冷却ヘッダーは各独立的に冷
却能力を調整して冷却速度を制御できるようになってい
る。

なお外面冷却ヘッダーは、数多く設置する程、全体とし
ての冷却能力が向上し鋼管をより速い速度で移送できて
生産性は向上するが、設備費及び設備スペースの制約よ
りこの例では８段としている。

一方、内面冷却ヘッダー用では、当該ヘッダーが１ヘソ
グーのみの構成であるので、冷却水は冷却水供給源１７
より冷却水流量制御装置１８を経て冷却ヘッダー１５に
送給され、また空気はエア供給源１９よりエア流量制御
装置２０を経て冷却ヘッダー１５に送給される。この冷
却水とエアは上記同様冷却ヘッダー１５のミスティング
ジェットノズルにより混合されてミスティングジェット
流となって、ヘッダーの外側を通過する鋼管２の内面に
吹付けられる。

また前述の搬送装置は、搬送ローラ４によって搬送速度
を任意に設定できるようになっている。

すなわち、冷却装置全体としては、鋼管２の寸法、材質
、冷却仕様に応じて搬送速度、各冷却ヘッダーの冷却能
力の選択を自由に行うことができる。

上記のような装置を使用すれば、鋼管にその焼割れを防
止しつつ所望の温度履歴を与えることができる。その方
法を次に述べる。

冷却装置としては、第１図に示した８つの外面冷却ヘッ
ダー及び内面冷却ヘッダーよりなる例を用いるものとす
る。

限界的な温度履歴（最も冷却速度の遅い部分は（外面冷
却の場合は内表面の温度履歴）としては冷却曲線■（第
３図）を考える。冷却終点温度は１８０℃（Ｔ□：マル
テンサイト変態終了温度）以下を目標とする。

このような条件を満足させるため、まず、各外面冷却ヘ
ッダーと内面冷却ヘッダーによる冷却に必要な鋼管内外
表面の熱伝達係数、内面冷却開始タイミング等を用いて
温度計算モデルにより鋼管肉厚方向の冷却速度パターン
を求め、この冷却速度パターンを用いて熱応力解析モデ
ルにより鋼管内外表面付近の過渡熱応力最大値がマルテ
ンサイト変態終了時付近において焼割れを生じない範囲
の値となっているかどうかを判定し、これにより内外面
冷却条件を設定する。

これらはオフラインシミュレーションにより可能であり
、第４図にその計算流れ図を示し、以下に詳細に説明す
る（第５〜第１Ｏ図参照）。

■、計算条件の読込み １、冷却設備仕様 ２、ＣＣＴ線図各種条件 マルテンサイト変態開始温度　７．３ 終了部度　”ｒｘｔ　　等 ３、鋼管寸法（外径と肉厚） ４、要求冷却速度 ５、冷却開始温度（厚み方向均一）　　Ｔ２Ｃ、冷却終
点温度　　　　　　　　　Ｔ。

等の読込みを行う。

ｎ、＊送速度の決定 １’ｈｌ−ｆｈ８の冷却ヘッダー全部を使って冷却する
ものとし、搬送速度υを次式により定める。

υ冨２．／１゜ 但し、１．；冷却ヘッダーの全長 ｔｆ　：冷却時間 なお、この冷却時間ｔ、はＣＣＴ線図より冷却後の鋼管
に要求される機械的性質及び金属組織構成を得るのに必
要とされる鋼管冷却速度を求めることにより定める。

■、外面冷却条件の仮定 まず、ｌ１ｋＬ１外面冷却ヘッダー（隨１制御ゾーン）
の熱伝達係数を与え、それに基づいて隘１外面冷却ヘソ
グー通過時の温度計算を行う。そして、次に隘２〜阻８
の外面冷却へフダーへと順次上記計算を進めていき、外
面冷却へ７グーのみの冷却による鋼管の肉厚方向の冷却
速度パターンを求める。

焼割れ発生メカニズムの解明は完全にはなされていない
が、鋼管冷却面（外面冷却では外表面、内面冷却では内
表面）は冷却時の急激な温度匂配と変態による膨張に起
因する熱応力により焼割れしやすいことが知られている
。

本発明においても、基本的にはこの考え方に基づいて、
マルテンサイト変態時において鋼管肉厚方向の温度差の
軽減を図ることから、外表面においては冷却開始直後に
は強冷を行い所定の冷却速度が得られ、マルテンサイト
変態開始後は暖冷を行って鋼管肉厚方向の温度差の軽減
が図られるように外面冷却制御を行うのである。

第５図（イ）（ロ）を参照して、上記外面冷却制御方法
における留意点の説明を行う。

（イ）は外面冷却開始直後の強冷後暖冷化を行った際、
隣接する制御ゾーンの冷却能の差が大きすぎるため、冷
却面（外表面）で復熱が発生した例であり、（ロ）は隣
接する制御ゾーンの冷却能を調節し復熱が発生しない適
正な冷却を行った例である。

この復熱は、焼入れ後の機械的性質、例えば硬度に肉厚
方向のバラツキを与える等の悪影響をもたらすもので品
質管理上避けなければならない。

なお、ここで使用した温度計算モデルは、肉厚方向１次
元伝熱モデルであり、周知の技術であるので、その説明
は省略する。

■、内面冷却条件の仮定 まず、内面冷却開始タイミングを与える。考え方として
は、内外面冷却の場合、鋼管肉厚中央付近が最も冷却速
度が小さくなることから、外面冷却時に鋼管肉厚中央部
がＡＣ３（加熱時のオーステナイト変態開始温度）に到
達するタイミングを内面冷却開始タイミングの初期値と
して与えることにより、鋼管肉厚中央部の冷却速度を高
めることを狙っている。これは、一般に、焼入れ時の冷
却速度はＡＣ３〜Ｔｓｓ（マルテンサイト変態開始温度
）間の冷却速度で定義するという考え方があり、この考
え方を踏まえている。

次に、内面冷却へフグ−の熱伝達係数を与える。

一般に、鋼管の内外面冷却の場合、外表面に比べ内表面
の方が冷却効果が大きいので外面冷却能力の５０％程度
を初期値として与える。

そして、■で与えた外面冷却熱伝達係数、上記内面冷却
開始タイミングと内面冷却熱伝達係数により、鋼管の肉
厚方向の冷却速度パターンを求める（■と同一の温度計
算モデル使用）。

この時の内外面冷却時の鋼管の肉厚方向の冷却速度パタ
ーンを第６図に示す。

なお、内面冷却についても、■の外面冷却の場合と同様
に、内面冷却開始直後に強冷を行い冷却速度を高め、マ
ルテンサイト変態開始後は暖冷を行って鋼管肉厚方向の
温度差の軽減が図られるようにすることが望ましいが、
それを実現するためには内面冷却ヘソグー管軸方向での
冷却能力を変えることが必要であり、装置構成が複雑と
なる。

従って、本発明では内面冷却ヘッダー管軸方向の冷却能
力は一定（但し、水量、気水比の調節により冷却能力の
絶対値は可変）とする装置構成を採用することとしたの
である。

次に、冷却後の鋼管に要求される機械的性質及び金属組
織構成に対する品質上のチェックは、鋼管肉厚方向の全
部位について所定の冷却速度が得られているかどうかと
いうことと、冷却終点温度についての制約条件を満足す
るかどうかという２点により行う。そして、もし、所定
の冷却速度が得られている場合には次のステップへ、得
られていない場合には内面冷却条件或いは外面冷却条件
の仮定のステップへ戻り所定の冷却速度が得られるまで
上記計算を繰返す。

■、焼割れ防止対策 本発明では、“鋼管冷却表面付近では冷却時ので激な温
度勾配と変態による膨張に起因する熱応力により焼割れ
が発生しゃすい°との観点から、鋼管内外表面付近の過
渡熱応力最大値を極力抑制して、鋼管内外表面付近がマ
ルテンサイト変Ｇ４”了時点近くにおいて焼割れを生し
ないようにするという考え方を採用した。この時の過渡
熱応力最大値上限は鋼管の材質、寸法等により決まり、
鋼管の種類毎に定数値ととして与えらし机なお、この熱
応力の経時変化は、■の内外面冷却時の鋼管肉厚方向の
冷却速度パターンを用いて熱応力解析モデルにより求め
る。この熱応力解析モデルは、鋼管の焼入れの際に生し
るひずみや応力を相変態に伴う体積膨張や変形過程中の
組織変化等を考慮した防弾ザ性解析を鋼管肉厚方向−次
元で存限要素法によりシミュレーションするものである
。この解析手法も周知の技術であるので詳しい説明は省
略する。

次に、焼割れチェックは上記解析により求めた過渡熱応
力最大値が上記上限値より小さいかどうかにより行い、
小さい場合には次のステップへ、また大きい場合には内
面冷却条件或いは外面冷却条件の仮定のステップへ戻り
、過／！ｊ熱応力最大値が所定の上限値より小さくなる
迄上記計算を繰返す。

第７図に熱応力数値解析結果例を示す。焼割れは鋼管軸
方向割れ発生が多いことから熱応力は周方向熱応力でチ
ェックし、加熱条件は９５０ｔｘ２０分としている。詳
細は実施例のところに示されている。

■、内外冷却条件の決定 以上のステップにより求めた外面冷却ヘッダー毎の軌伝
達係数、内面冷却ヘッダーの熱伝達係数及び内面冷却開
始タイミングにより外面冷却ヘソグーのヘッダー毎の水
量及び気水比、内面冷却ヘソグーの水量及び気水圧、内
面冷却ヘソグー固定位置を求める。

各冷却ヘッダーにおける冷却水供給量ｆｉと熱伝達係数
ｈｉと気水比ｒとの関係は第１０図の如くであり、従っ
て所要の熱伝達係数が決まれば、必要な冷却水供給量、
気水比が決まる。

また、内面冷却開始タイミングの制御は内面冷却ヘソグ
ーの固定位置１ｉｏの制御により実施でき、次式により
求める。

ｊ！１ｏ＝ｃ＋ｘｔｉｓ 但し、ｔｉｓ：内外面冷却開始時間差 〔実施例〕 外径が１９６鶴φ、肉厚が１６　ｍ＊　ｔで成分組成が
第３図に示された鋼管に対し、第１図に示す冷却装置の
使用を前提に目標ビッカース強度５１２、搬送速度０．
１６ｍ／ｓｅｃとして上述の計算を行ったところ、各外
面冷却ヘソグー及び内面冷却ヘッダーの冷却条件として
第１表に示すものが得られ、また内面冷却ヘソグー固定
位ＷｌｌｉＯＯ値として約５００１が得られた。

なお、本例に使用の装置は各外面冷却ヘソグー及び内面
冷却ヘソグーへの冷却水量は５〜２５バ／ｈｒ、空気供
給量は５０”ｌ　ＯＯＮｍ／ｈ　ｒ、搬送速度は０．０
５〜０．４ｍ／ｓの範囲でそれぞれ連続的に調整でき、
また外面冷却ヘッダー１段当り有効冷却長さは６００ｍ
で、外面冷却ヘッダー２段毎に鋼管の曲がりを防止する
ため搬送ローラ４を設けており、内面冷却ヘッダーは、
外面冷却ヘッダーの冷却有効長とほぼ同し範囲をカバー
するために５００　Ｑ　ｗｍとしている。

上記計算結果に基づいて実際に冷却を行ったところ、肉
厚方向のビッカース硬度分布が５１４〜５２４以内の所
定範囲内に収まり焼ｖ１れも生しなかった。

また、比較のため、同種の鋼管に対し、従来の装置（内
外面共スプレーノズル冷却）を用い、目標温度、搬送速
度を同一として、内外冷却へ、グー固定位置を１５０ｍ
ｆ（鋼管の材質寸法等によらず一定）として冷却を行っ
た。

その結果、肉厚方向のビッカース硬度分布は５１６〜５
２８の所定範囲内に収まったが約５０％の割合で焼割れ
を生じた。

第　　１　　表 第７図にこの実施例の熱応力解析結果を示す。

各外面及び内面冷却ヘッダーの冷却条件は第１表の如く
である。肉厚中央部の最遅冷却速度も４６’Ｃ／ｓｃｅ
と要求冷却速度（４６℃／ｓｃｅ以上）を満足しており
、内表面同方向熱応力最大値も４ｋｇ／鶴２と焼割れ防
止するに充分なレベルである。

第８図は内面冷却開始タイミングを変化させたときの制
御効果例を示したものである。すなわち、内面冷却ヘッ
ダー固定位置ｊ！ｉｏを（イ）Ｏｍ、（ロ）５００ｍ、
（ハ）１１００ｍｍの各個に設定して周方向熱応力最大
値と最遅冷却速度を比較したものである。

前述した（口）の５００ｍ時には、最遅冷却速度も４６
℃／ｓｃｅと要求冷却速度を満足し、かつ周方向熱応力
最大値も４ｋｔ／１ｍ”と焼割れしない程度におさまっ
ているが、（イ）のＯｎ時には要求冷却速度を満足して
いるものの周方向熱応力最大値も１３ｋｇ　／　ｍ　”
と高く焼割れの危険性があり、（ハ）の１１００Ｉｉ時
には要求冷却速度、焼割れの可能性ともに問題がある。

第９図は内面冷却ヘッダー固定位置１ｉｏＱｍの状態で
内面冷却能力のみを変化させたときの制御効果例を示す
、（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ内面冷却能力を小
中大と変化させて、周方向熱応力最大値と最遅冷却速・
度を比較したものである。最遅冷却速度は、（イ）で４
３℃／　ｓ　ｅ　Ｃ％　（ｏｌで４７℃／　ｓ　ｅｃ、
、ｌ／′１１で４９℃／　ｓ　ｅ　ｃと順に向上してい
る。また、周方向熱応力最大値については、内面冷却能
力の違いにより、（ロ）、（ハ）では外表面より内表面
の方が大きく、その絶対値にも差がみられるが、（イ）
では内面冷却能力が小さく、内表面より外表面の方が大
きくなっている。

以上のことからも、各外面冷却ヘッダー及び内面冷却ヘ
ッダーの冷却能力と内面冷却開始タイミングの調整によ
り、冷却後の製品に要求される金属組織、機械的性質を
保証し、しかも焼割れを防止できることがわかるであろ
う。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな様に、本発明の方法はその厳密
冷却制御により所望の機械的性質及び金属組織を焼割れ
を生じることなく確保できることは勿論のこと、更に次
の様な効果も得られる。

■　従来は、所定の製品品質を得るために完全マルテン
サイト組織を生成させる焼入れを行う必要があるような
場合、焼割れ発生を起こす危険があるため高価な合金元
素を添加したり、油を使った浸漬方式での焼入れを採用
したりしており、これが高級鋼管の製造コストを高くし
ている。しかるに、本発明の方法によれば、これらの焼
割れ対策が一切不要となり、製造コストの大幅な低減を
図ることが可能となる。

■　また、焼入れプロセスとテンパープロセスが連続し
たラインを使用する場合には、焼入れ終点温度を必要最
小限の温度（マルテンサイト変態終了温度直下）とする
ことにより、テンパー類への装入温度を高（することが
でき、省エネルギーが可能となる。

■　さらに、本発明の方法では、ＣＣ７ｇ図に基づいた
最低冷却速度制御を行うことができ、製品品質の安定化
、即ち機械的性質の安定化が実現できる。例えば、引張
強度について言えば、従来、強度偏差σが１．２ｋｇ／
ｗ”程度生じていたものが０．８ｋｇ／龍”はどになる
等、全体的に強度偏差を１／２〜２／３に減少させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するのに適した装置の構成
図、第２図は各冷却ヘッダーの冷却能力調整装置を示す
模式図、第３図は本発明の説明に用いた材質のＣＣＴ線
図、第４図は本発明の冷却制御方法の計算流れ図、第５
は外面冷却制御の考え方を示すグラフ、第６図は内外冷
却時の銅管肉厚方向の冷却速度パターンを示すグラフ、
第７図は熱応力解析結果例を示すグラフ、第８図は内面
冷却開始タイミング制御の効果を示すグラフ、第９図は
内面冷却能力制御の効果を示すグラフ、第１０図は冷却
水供給量と熱伝達係数との関係を示すグラフである。 ｌ：加熱炉、２：鋼管、４：搬送ローラ、５．〜５、：
外面冷却ヘッダー、６．１７：冷却水供給量、’ｙ、ｔ
ｓ：冷却水流量制御装置、８．１９：エア供給源、９．
２０エア流量制御装置、１５：内面冷却ヘソグー、１６
：駆動装置。 明　　姻　ρ 第　５　図 第　　６　図 □：外表面冷却 開始タイミング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）水量と気水比とが調節可能なミスティングジェッ
   トノズルを用いて構成された冷却能が可変で、且つ速度
   可変ローラコンベア中に鋼管移動方向に複数個連設され
   た環状外面冷却ヘッダーと、同じく水量と気水比とが調
   節可能なミスティングジェットノズルを用いて構成され
   た冷却能が可変で且つ鋼管内部で鋼管移動方向に可動式
   の棒状内面冷却ヘッダーとを併用し、所定温度に加熱し
   た鋼管を前記環状外面冷却ヘッダーと棒状内面冷却ヘッ
   ダーとの間を挿通移動させて冷却を行い、その際、鋼管
   の移動速度、各外面冷却ヘッダーの冷却能、内面冷却ヘ
   ッダー固定位置および内面冷却ヘッダーの冷却能を、下
   記冷却速度パターンを確保し且つ下記過渡熱応力最大値
   が確保されるように各々設定することを特徴とする鋼管
   の冷却方法。 冷却速度パターン：冷却後の鋼管に要求される機械的性
   質および金属組織を鋼管肉厚方向全体について確保する
   のに必要な被熱処理鋼種に固有の冷却中の温度履歴を満
   足させる冷却速度パターン。 過渡熱応力最大値：冷却中の鋼管内外表面付近がマルテ
   ンサイト変態進行中に焼割れを生じない鋼管内外表面付
   近の過渡熱応力最大値。