JPH0137452B2 - - Google Patents

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から中
径までの広範囲の外径の鋼管を同一冷却設備で焼
入れする際に、比較的小径の鋼管に曲り、特に管
端曲りを防止する機能を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に
対しては矯正処理、周方向の楕円変形に対しては
温間定形処理によりかなり修正されるが、それで
もときには有害な変形が残つたままとなり、後工
程における加工、例えば管端部へのネジ切り加工
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能率
を左右する。

これら製品品質に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
ほとんど残つたままとなる。

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、前記焼戻し後さらには矯正後において
も曲りが残つたままとなり、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。

一方鋼管周方向の楕円変形に対する修正は、円
形のカリバーをもつ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を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、焼入冷却時
極端に楕円となつ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
り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
な水量を与えること、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つて熱伝達が
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つて、冷却過程
において場所的に収縮差、変態膨脹差が生じ鋼管
の変形となつ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
して現われる。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つ
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
特に管端部曲りに対して著しい防止効果のあるこ
とを発見した。今回発明の焼入方法は管端曲りの
生じやすい少なくとも100A以下の鋼管を焼入れ
冷却するに当り管の両端ともに管端から500mm以
内、好ましくは250mm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
サイズによつて異るが、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り250mm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
部より鋼管を押えるクランプ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よる鋼管回転焼入れ方式があ
り、ともに同条件でほゞ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つて
曲り、特に管端部曲り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、自由端長が長いほど、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曲りと自由端長との
関係を調べた結果の代表例であるが、自由端長が
500mm以下であれば50Aの鋼管でも端曲りが６mm
以下となり、更に250mm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
端曲りとの間に相関があり、全体の曲りが大きい
冷却条件や設備条件ほ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。自由端長を種々
変えた内外面焼入れ後の端曲り測定結果の代表例
を第１図に示したが、自由端長が長いほど内外面
焼入れ後の曲りも大きいことが確認された。第２
図からも自由端長を500mm以下に、更には250mm以
下にすれば全体曲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〜1.8
ｍの多点拘束であるから、鋼管の全長が約12ｍ〜
14ｍであつ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
りが全体曲りを防止する機構は、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
放した後も曲りをほとんど生じないものと考えら
れる。

鋼管の両管端部を拘束することにより曲り、特
に管端曲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
管長さによつ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つて管端位置近傍
を拘束する固定の拘束装置にて鋼管の一方端の定
位置に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
のピツチ以下の寸法で位置が変化することから管
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てある。

一方内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に拘
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
両管端位置を500mm以内の所で拘束しようとすれ
ば固定の拘束装置を500mm以内のピツチにいくつ
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上の
問題、特に厚肉鋼管や焼入性の劣る鋼管で不均一
焼入や、あるいは真円度不良が生ずる原因だとも
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つて発生
するが、楕円変形を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
ルを鋼管円周平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、該設備によつて水流が乱されるなど大巾な
効果は期待できない。又単に外面水量を非常に多
くして水槽内を強撹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の長手
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。

本発明者等はコスト的に有利でかつ偏冷却を最
小に押え楕円変形のない最適方法を実験によつて
明らかにした。即ち使用水量を最小限にしかつ水
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例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を防止するために、
前記外面ノズルピツチを300mm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を毎分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。

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30rpm
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60.3mmの細径・薄肉鋼管
の焼入れでは、60〜150rpm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ユレーシヨン計算から、適正
鋼管回転数範囲は30〜150rpm程度と確認された。
したがつて、冷却装置設計に当つて、所要鋼管回
転数として30〜150pmとすれば実用上十分であ
り、150rpm以上の回転数を与えるのは、電力的
にも無駄である。

次に本発明にもとづく実施例を図面にもとづい
て説明する。第４図〜第７図は本発明による焼入
装置の図面であるが、鋼管２０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１の後方にスキツド２を配置し、該スキツド
後方にアイライニングテーブル３を配置する。該
アイ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２０の基準位置ａ，ｂ，
ｃとなるように昇降ストツパ５ａ，５ｂ，５ｃを
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２０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２０を後方の焼入装置まで転送するスキ
ツド７が配置してある。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
ツパ５ａ，５ｂ，５ｃそれぞれに対応した位置と
移動拘束装置との間において一定ピツチに配置さ
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１０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を設置し、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
つている。又該台車に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
つて前記移動する拘束装置と相対位置が変えられ
るようになつている。これら焼入装置後方には該
水槽より鋼管２０を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ツド１９が配置して
ある。

鋼管２０の長さを２０ａ，２０ｂ，２０ｃの３
種として説明すると、２０ａの鋼管を流す場合に
はストツパー５ａを上昇させ右方向管端基準ａを
使用する。２０ｂの鋼管の場合は５ｂ，２０ｃの
鋼管の場合は５ｃのストツパを上昇させ、それぞ
れの管端基準ｂ，ｃを使用する。即ち鋼管の長さ
に応じてストツパ５ａ，５ｂ，５ｃを使いわけ
る。鋼管２０の第４図上右方端をａ又はｂあるい
はｃの基準位置にそろえた場合鋼管２０の第４図
上左方端については２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそ
れぞれ位置が異なり、該管端位置によつて拘束装
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２０ａの
鋼管の場合の台車１１の位置を示している。

上に述べたように熱処理鋼管の長さは大幅に変
化するので、任意に管長が変化しても常に両管端
から500mm以内の位置を拘束し、該“首ふり運動”
を抑制し、管端曲りを防止する方法を構築する必
要がある。

従来開示されている冷却装置に固定した複数個
の拘束装置を設置する方法では、拘束装置を500
mm以内の間隔で非常に沢山配列する必要がある。
何故なら、こうしなければ任意に管長が変化した
場合、管端自由長が500mm以上となるからである。
この方法では、拘束装置が非常に多数になるので
構造が複雑となり、冷却装置が非常に高価となり
実用的でない。

そこで、本願発明者等は、第４図に示す方法を
提供する。すなわち、鋼管を冷却するに先立つ
て、該鋼管の管長に応じて、冷却装置本体に固定
された複数個の固定拘束装置の各々に対応するよ
うに定めた複数の搬入基準位置のひとつに該鋼管
の一方の管端を合せる。該鋼管のもう一方の他端
は管軸方向に移動可能な管端拘束装置に合せる。
この操作の際の搬入基準位置は、移動可能な管端
拘束装置の移動と併せて、両管端の拘束位置が冷
却時に、各々の管端より500mm以内となるように
選定する。この方法により冷却装置に固定され
た、鋼管の中間部を拘束する拘束装置数が少なく
でき、しかも、任意に管長が変化しても、常に両
管端より500mm以内を拘束することが可能となる。
なお、１個の移動可能な拘束装置の移動距離は前
記中間部の拘束装置の間隔とほぼ等しい。

次に鋼管の流れにそつて説明すると、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、スキツド２の上を転送し
アイライニングテーブル３の上に落下する。該ア
イライニングテーブル３上のローラ４はただちに
回転し、鋼管２０を第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ツパ５に突当つ
て停まり、キツカー６でけり出され、スキツド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を内
面より冷却する。外面冷却については水槽内水没
と同時に始まつており、必要に応じたタイミング
で外面ノズル２３より冷却水を噴出させ冷却す
る。鋼管２０は完全に冷却された所でキツカー１
８にてけり出されスキツド１９上を転送し次工程
に送られる。

本発明にもとずくもう一つの実施例は前述の焼
入装置に鋼管の回転機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１３の組合せによる鋼管２０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のかわりに、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
よつ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２０が水槽８に入る
前にはピンチロール２２は左右方向に開となつて
いる。鋼管２０が搬入装置（図示せず）によつて
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を拘
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２１の回転を止めた上でピンチロール２２を開
とし、鋼管２０は搬出装置（図示せず）によつて
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ツ
ド転送による搬入とキツカーによる搬出を採用し
たが、搬入に対してキツカーやチエンコンベアを
用いても良く、又搬出についてもチエンコンベア
を用いても良い。

以上説明した様に本発明による冷却方法及びそ
の装置によれば、曲り、特に管端曲りが最小に押
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曲がりと自由
端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端長との関係を示すグラ
フ、第３図は本発明による冷却条件で回転を付加
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図は該焼装置の側面図で鋼管２０ａを拘
束している関係図、第６図は該焼入装置の側面図
で鋼管２０ｃを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
転焼入方式を採つた場合の拘束装置例の断面図で
ある。 １……焼入炉、２……スキツド、３……アライ
ニングテーブル、４……ローラー、５……昇降ス
トツパ、６……キツカー、７……スキツド、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
……スキツド、２０……鋼管、２１……ターニン
グロール、２２……ピンチロール、２３……外面
冷却ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温の金属管を冷却する方法であつて、前記
   金属管の長さに応じて冷却装置本体に固定され
   た、管の半径方向の変位を拘束する複数個の固定
   拘束装置の各々に対応するように定めた複数の金
   属管搬入基準の１つに前記金属管の一端を合せて
   金属管をその軸方向に直交する方向に移動させて
   冷却装置本体に搬入し、前記複数個の固定拘束装
   置を作動させて、管の一端から500mm以内の位置
   および軸方向における所定間隔の位置で管の半径
   方向の変位を拘束するとともに、管内流噴射ノズ
   ルおよび管の半径方向の位置を拘束する拘束手段
   を搭載した移動台車を管軸方向に移動させ、前記
   拘束手段が管の軸方向の他の端部から500mm以内
   となる位置で停止せしめ、前記拘束手段によつ
   て、管の軸方向端部の管半径方向の変位を拘束し
   た状態下で管内流噴射ノズルから液状冷却媒体を
   噴射するとともに、外部から管外周面に液状冷却
   媒体を適用して鋼管を内外面から冷却するように
   したことを特徴とする鋼管の冷却方法。 ２ 金属管を管内軸方向に高速の液状冷却媒体を
   適用して冷却するための装置であつて、冷却装置
   本体に管長方向に所定間隔をおいて固定された、
   管の半径方向の変位を拘束する複数個の固定拘束
   装置と、前記冷却装置本体に管軸方向に直交する
   方向に所定距離をおいて前記固定拘束装置の各々
   に対応するよう管軸方向に500mm以内の位置とな
   るように位置を規定して設けられ、金属管の長さ
   に応じて選択使用される複数の搬入基準と、管の
   軸方向端部から500mm以内において管の半径方向
   の変位を拘束する拘束手段を搭載し、管軸方向に
   移動自在な移動台車と、該移動台車に搭載され
   た、金属管内軸方向に臨んで液状冷却媒体を噴出
   するノズルとからなるとともに、金属管の外周面
   に液状冷却媒体を適用する水槽を設けてなる鋼管
   の冷却装置。 ３ 鋼管を、毎分30〜150回転させながら冷却す
   る、鋼管回転機構を付加したことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の鋼管の冷却装置。