钢管冷却方法

文档序号:3249439阅读:296来源:国知局

专利名称::钢管冷却方法
技术领域
:本发明特别涉及一种有效地抑制在对薄壁钢管进行淬火时容易产生的钢管弯曲,而能制造出机械性能的均匀性得到提高的钢管的钢管冷却方法。
背景技术
:在对钢管进行淬火时,有时会使钢管发生弯曲。在本发明的说明书中,钢管的"弯曲"是指针对于钢管的轴向的弯曲。在下文中,将该淬火时产生的弯曲称为"淬火弯曲"。该淬火弯曲是因冷却不均等而引起的。特别是壁厚(t)与外径(D)的比值(t/D)例如为大约0.07以下较小数值的薄壁钢管在进行淬火时,容易发生被判断为品质不良的较大淬火弯曲。一直以来,提出过很多以抑制该淬火弯曲为目的冷却方法。例如,在日本特公平2-7372号公报中公开了一种热处理方法,即,在金属管的淬火过程中,通过在管的外表面冷却的初期阶段进行慢冷却来减小管的整个表面的温度差,其后通过进行通常的强制冷却来抑制淬火弯曲。在日本特7>昭61-4896号公才艮中7>开了一种冷却方法,即,从管的一端向管内喷入喷流水,并且使来自喷嘴的喷流水冲刷该管的外表面侧的大致全长,其中,通过增大与内表面喷流水的喷出侧的端部位置相对应的管外表面位置上的喷射水量、或者提早外表面冷却的冷却开始时刻,或者推迟外表面冷却的冷却结束时间,而能使整个管均勻且在短时间内冷却。在日本特公平2-7372号公报公开的方法中,因为在冷却的初期阶段进行慢冷却、以及只进行管的外表面冷却,所以必然使冷却时间延长,从而使管的制造效率下降。在日本特公昭61-4896号公报公开的方法中,需要改变沿着管的轴向对外表面进行冷却的喷射水的水量或喷射时机(开始或结束喷射的时刻),因而会使装置的结构、控制复杂化。另外,虽然公开了能使整个管均匀地冷却的方法,但是未具体公开是否能抑制淬火弯曲。在该专利文献中作为冷却对象而具体例示的仅仅是尺寸为114x8.6x29000mm的钢管(参照第4栏第13行),该钢管的壁厚/外径比(t/0)大约为0.075(=8.6/114)。而且,未提及更容易发生淬火弯曲的t/D为0.07以下的薄壁钢管。
发明内容本发明目的在于提供一种钢管冷却方法,其在t/D为0.07以下的薄壁钢管进行淬火时能抑制淬火弯曲,并且解决了上述的以往技术的难题。本发明是一种钢管冷却方法,该方法一边使水平配置的钢管沿圆周方向进行旋转,一边对钢管的内表面和外表面进行冷却,其中,钢管的壁厚/外径优选为0.07以下,进一步优选为0.06以下,钢管内表面的冷却是通过向钢管内喷射冷却水来进行的;而钢管外表面的冷却是通过在钢管最上部的两侧的距该最上部大致等距离的2个位置,分别使从钢管上方沿着轴向呈平面状的冷却水向下流到钢管外表面来进行的;使流下到钢管的旋转方向上游侧的位置的冷却水的流量大于或等于流下到旋转方向下游侧的位置流下的冷却水的流量,并且使钢管内表面的冷却比钢管外表面的冷却早7秒以上开始进行。根据本发明的钢管冷却方法,即使在对t/D为0.07以下的薄壁钢管进行淬火的情况下,也不会也降低钢管的制造效率,而能有效地抑制钢管发生淬火弯曲。另外,因为改善了钢管的圆周方向和轴向这两方向上的冷却的均匀性,而提高了淬火的均匀性,从而使钢管的机械性能的均勻性也获得了改善,即,提高了钢管的韧性。图l是示意性地表示用于实施本发明的钢管冷却方法的一方式的冷却装置的结构的纵剖视图。图2是表示通过数值计算而算出冷却钢管的内表面和外表面时的钢管表面温度、屈服应力YS以及轴向应力oz的结果的曲线图,图2(a)表示同时开始对钢管的内表面和外表面进行冷却的情况(内表面先开始0秒),图2(b)表示只进行钢管的内表面冷却时(内表面先开始°°秒)的情况。具体实施例方式下面,适当地参照附图,对用于实施本发明的钢管冷却方法的一实施方式进^于详细的i兌明。图l是示意性表示用于本实施方式的钢管冷却方法的冷却装置的结构的纵剖视图。在图l中,冷却装置l具有用于对水平配置的钢管2进行支承且使钢管向圆周方向旋转的旋转辊3、3。冷却装置l还包括配置于钢管2的一端附近、用于向钢管2的内部喷射冷却水的内表面冷却用喷嘴(未图示),和配置于钢管2的上方的外表面冷却用喷嘴7。内表面冷却用喷嘴可使用常用的喷射喷嘴。外表面冷却用喷嘴7具有狭缝状的喷出口6a、6b;该喷出口6a、6b用于在钢管2的外周面的最上部的两侧且距该最上部大致等距离的2个位置(即以该最上部为中心而作为大致对象的2个位5置)4a、4b上,使平面状的冷却水5a、5b分别从上方沿着轴向流下。喷出口6a、6b优选具有实际达到钢管2全长的长度。优选使外表面冷却用的冷却水形成从喷嘴7的喷出口6a、6b自然流下的层流(laminarflow),但这样也可以对该外表面冷却用水施加压力。有效地应用本实施方式的冷却方法的钢管2是容易产生作为质量问题的较大淬火弯曲的、且壁厚t与外径D的比值(t/D)为0.07以下的薄壁钢管。该冷却方法是能特别适合应用于由低强度且易于发生弯曲的低碳钢结构的管路用管,或API规格为X60等级(例如以质量百分计,(a)C:0.06%,Si:0.26%,Mn:1.24%,P:0.013%,S:0.001%,Cr:0.16%,V:0.06%,剩余部分为Fe以及杂质,Ceq:0.311%;或者(b)C:0.06%,Si:0.40%,Mn:1.60%,P:0.020%,S:0.003%,Cu:0.30%,Ni:0.50%,Cr:0.28%,Mo:0.23%,V:0.08%,其余部分为Fe以及杂质,Ceq:0.498%)以下的管路用管的内外表面的冷却。该冷却方法即使在应用到长度20m以上的较长的钢管2上的情况下,也能有效地抑制淬火弯曲的发生。在使用本实施方式的冷却装置l对钢管2进行冷却时,首先通过使旋转辊3、3向箭头方向旋转而带动钢管2向圆周方向进行旋转。并且,通过使来自未图示的内表面冷却喷嘴的冷却水从钢管一端向钢管的内部喷射,而开始对钢管2的内表面进行冷却。所喷射的冷却水从钢管2的另一端排出。其后,通过使冷却水5a、5b分别从外表面冷却用喷嘴7的喷出口6a、6b向钢管2的外周面流下,而开始对钢管2的外表面进4于冷却。如本技术所属领域公知那样,所使用的冷却水可根据需要含有腐蚀抑制剂等添加成分。钢管2的转速优选为30rpm以上且80rpm以下。若钢管2的转速小于30rpm,则容易使沿着钢管2的圆周方向进行的淬火状态发生变动。另一方面,为使钢管2的转速超过80rpm,则需要使设备大型化以及复杂化而增加设备成本。自内表面冷却喷嘴向钢管2内部喷射的冷却水量优选为2000m3/hr~6500m3/hr。若喷向钢管2内部的冷却水量小于2000m3/hr,则冷却能力不足;为使其冷却水量超过6500m3/hr,则需要使设备大型化以及复杂化而增加设备成本。本实施方式的冷却方法中,钢管2内表面的冷却先于钢管2外表面的冷却7秒以上开始。以下,对其理由进朽4兌明。图2是表示通过数值计算来算出冷却了钢管2的内表面和外表面时的钢管2的表面温度、屈服应力YS以及轴向应力(jz的结果的曲线图,图2(a)表示同时开始对钢管的内表面和外表面进行冷却的情况(内表面先开始O秒),图2(b)表示只进行钢管的内表面冷却时(内表面先开始w秒)的情况。由图2(a)以及图2(b)的曲线图显示的结果是在如下的条件下得出的,即,钢管2的外径412.3mm,壁厚8.30mm,长度30m,材质低碳素钢,自内表面冷却喷嘴喷向钢管2内部的冷却水量5400m3/hr,自外表面冷却用喷嘴7向钢管2外表面流下的冷却水量2700m3/hr、以及钢管2的转数65rpm。如图2(a)所示,在同时开始对钢管P的内外表面进行冷却时,对于因冷却开始后的初期阶段、即钢管2的表面温度为550°C以上的阶段中发生热膨胀以及收缩而产生的轴向应力(在图2(a)的曲线图中以记号A表示的区域中的轴向应力),以及钢管2在表面温度下降到低于550。C后还加上受贝氏体变态、马氏体变态等的影响而产生的轴向应力(在图2(a)的曲线图中以记号B表示的区域中的轴向应力),有时上述轴向应力的绝对值l(jzl大于屈服应力的绝对值IYSI。对此,如图2(b)的曲线图所示,当只进行钢管2的内表面冷却时,从冷却开始到结束,即在使钢管2的表面温度下降到常温为止的期间中,通常情况是轴向应力的绝对值lozl<屈服应力的绝对值IYSI。其理由被认为是,与瞬时仅对平面状的冷却水5a、5b流下的部分进行冷却的外表面冷却相比较,在内表面冷却中能对钢管2的整个圓周进行大致均匀的冷却,因此,钢管2上不容易发生温度不均,轴向应力oz的偏差变小。此外,在与为获得如图2(a)以及图2(b)的曲线图所示的结果而设定的诸条件同样的条件下,实际进行钢管2的冷却试验的结果为,相对于在以内表面和外表面进行同时冷却时发生了较大的淬火弯曲的情况,在只进行内表面冷却的情况下不发生较大的淬火弯曲的问题。根据如上所述的图2(a)以及图2(b)所示的结果以及冷却试验的结果,认为钢管2的淬火弯曲在轴向应力lozl〉屈服应力的绝对值IYSI时发生。因此,为了抑制钢管2发生淬火弯曲,通常情况下要使lozl<IYSI的关系成立,对钢管2进行冷却即可。如图2(b)所示,即使仅进行内表面冷却lazl<IYSI的关系也通常成立。但是,在只进行内表面冷却的情况下,因为对钢管2的单位时间冷却能力不足,致使冷却时间较长。其结果导致钢管2的制造效率下降,或者受到来自钢管2的回热的影响等而使钢管2不能进行充分并且均匀的冷却,从而无法获得具有均勻的机械性能的钢管。因此,在本实施方式中,为了防止制造效率出现下降、确保进行均匀的淬火,而不仅只对钢管2的内表面而且还同时对外表面进行冷却。在该情况下,为了至少在钢管2的表面温度为55(TC以上的冷却初期阶段使lcjzl<IYSI的关系成立,而使钢管2的内表面冷却先于外表面冷却进行较为有效。具体而言,通过将该先进行时间设为7秒以上,能够在钢管2的大致全冷却过程中保持IazI<IYSI的关系。根据以上所说明的理由,在本实施方式中,通过使钢管2内表面的冷却先于钢管2的外表面冷却7秒以上开始实施、即当从内表面冷却用喷嘴开始喷射冷却水的时刻比从外表面冷却用喷嘴6a、6b开始^f吏冷却水5a、5b流下的时刻早7秒以上,而在钢管2的大致整个冷却过程中保持lozl<IYSI的关系,由此,能有效且可靠地抑制钢管2淬火弯曲的发生。当该先开始时间超过30秒时,会使钢管2的冷却需要较长时间而降低生产效率,因此,优选该先开始时间为30秒以下。但是,为了提高钢管2的外表面的冷却效率,需要考虑使分别从喷出口6a、6b流下的冷却水5a、5b两者的流量均变大。但是,若冷却水5a、5b两者的流量均过大,而使积存于冷却水5a、5b各自流下的位置4a与4b之间的钢管2外表面上的水膜变厚到超出需要,这样会使冷却水的有效利用率(真正有助于钢管2冷却的冷却水比例)下降,并且^f吏冷却水无法顺畅地向钢管2的旋转方向流动o在钢管2的旋转方向上,使向作为上游侧的位置4a流下的冷却水5a、即乂人喷出口6a流下的冷却水以相当大的比例随着钢管2的旋转而在钢管2的外表面上向旋转方向流动。与此相对的是,向旋转方向的下游侧位置4b流下的冷却水5b、即从喷出口6b流下的冷却水也有一部分逆着钢管2的旋转方向流动,但其大部分在流下后随即流落到下游侧。即,关于对钢管2外表面的冷却能力的贡献度上,冷却水5a大于冷却水5b。因此,在本实施方式中,将向钢管2的旋转方向上游侧的位置4a流下的冷却水5a的流量设定为,大于等于向钢管2的旋9转方向下游侧的位置4b流下的冷却水5b的流量。冷却水5a、5b的流量可根据各喷出口6a、6b的狭缝宽度来进行调整。由此,可根据需要使沿着钢管2的外表面向旋转方向流动的冷却水的量变多,并且能将积存在冷却水5a、5b各自流下的钢管外表面上的位置4a与4b之间的水膜设定为适当厚度,从而进一步提高钢管2的外表面的冷却效率。优选向钢管2的旋转方向下游侧的位置4b流下的冷却水5b的流量与向钢管2的旋转方向上游侧的位置4a流下冷却水5a的流量的比值在l~0.6的范围内,更优选在l~0.8的范围内。将该比值设定为比l稍小,能使其弯曲量小于该比值为l(即冷却水5a、5b的流量相同)时的弯曲量。但是,若该比比值过小,则会使在钢管的外周面两侧的冷却水量不均等,反而使弯曲量增大。优选由2列冷却水5a、5b沖撞到钢管2外周面上的位置4a、4b与钢管2的中心结构所形成的角度0为12°~95°。若该夹角0小于12。时,则会使钢管2的表面上形成水膜的区域(位置4a与4b的间的区域)变得非常狭窄。若夹角e超过95。时,除了钢管2的外径非常大的情况之外,很难在冷却水5a、5b的钢管外表面上的流下位置4a与4b之间送出用于冷却的充分量的水,有时会特别使位于钢管2最上部的部分的冷却不充分。特别在夹角e较大的情况下,也可以将第3处呈平面状流下的冷却水的喷出口(未图示)优选设置于钢管2的最上部的正上方。优选从该第3喷出口流下的冷却水的流量小于来自其两侧喷出口6a、6b的冷却水的流量。虽然会使冷却装置变得较为复杂,但也可将第3处平面状的冷却水i殳为2列。例如,可在钢管最上部的两侧配置2组(即内侧1组和外侧1组)2列的喷出口,所述2列的喷出口用于4吏冷却水沿着距该最上部大致等距离的钢管外周面上。在该情况下,在各组的喷出口中,只要将向钢管2的旋转方向上游侧的位置流下的冷却水流量设定为,大于或等于向钢管2的旋转方向下游侧的位置流下的冷却水流量即可。这样一来,根据本实施方式,可有效地抑制在对比值(t/D)为0.07以下的薄壁钢管P进行淬火时产生的淬火弯曲、以及有效地抑制在不降低钢管的制造效率的情况下同一批量热处理当中的最大全长弯曲,其结果能改善经过冷却的钢管的韧性。与特公昭61-4896号公报中公开的方法不同,其外表面冷却沿着钢管的轴向实施的开始时刻、结束时刻不发生改变,而可以对钢管的整个长度按同一条件进行实施,因此,避免了装置结构、控制的复杂化。但是,对钢管整个长度实施的外表面冷却的开始时间晚于内表面冷却。实施例使用图l所示的冷却装置l,一边以60rpm的转速使具有如下表1所示的外径D、壁厚t、比值(t/D)以及长度的API规格的X60等纟及O乂质量百分t匕"i十,C:0.06%,Si:0.26%,Mn:1.24%,P:0.013%,S:0.001%,Cr:0.16%,V:0.06%,其余部分为Fe以及杂质,Ceq:0.311%)的钢管2进行旋转,一边按与表l所示相同的内表面流量(内表面冷却用的冷却水流量)、外表面总流量(外表面冷却用的冷却水总流量)、内表面先开始时间(从开始内表面冷却到开始外表面冷却的时间)、外表面冷却水的间隔(图1中的4a与4b之间的圆周方向距离)以及角度0的条件实施冷却。钢管2在开始冷却前的加热温度为920。C。外表面冷却用的喷出口6a、6b具有达到钢管全长的长度。实施冷却直到钢管的内外表面变为常温为止。为了进行比较,将以平面状流下到钢管2的外表面的冷却ii水设为l列,来对钢管2进行冷却。在该情况下,使冷却水的喷出口位于钢管2最上部的正上方。测定了冷却结束后的钢管2上产生的淬火弯曲量(mm/10m,对于在同一批热处理中产生最大弯曲的管,是指通过采用全长拉线来测定弯曲量(mm),并将其换算为每10m的弯曲量的值)、以及夏氏冲击试验中的最高断面变化温度vts(在钢管圆周方向的4个部位测定的最高值)。将这样求出的弯曲量在10mm以下的产品以符号来表示,且将弯曲量超过10mm且20mm以下的以符号O表示,将弯曲量超过20mm用30mm以下的以符号A来表示,将弯曲量超过30mm以上的以符号x来表示。对于夏氏冲击试验中的最高变化温度vts,将-40。C以下以符号〇表示,将超过-40°C且0。C以下以符号A表示,将超过0。C以符号x表示。综合评价是指从这些2种评价当中取用最差的评价,符号O表示最高评分。将评价结果表示于表l中。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表1的试验序号57、10、11、14以及15是按照本发明的方法实施冷却的例子(即将外表面冷却水设为2列,且先进行7秒以上的内表面冷却)。从所有例子中可知,即使是弯曲量为O或(D,且t/D比为0.07以下(0.0310.058)的薄壁钢管,也能在不降低钢管的制造效率的情况下有效地抑制淬火弯曲。另夕卜,夏氏最高断面变化温度(最高vts)为-4(TC以下,其韧性也良好。试验序号6及序号7中除了2列外表面冷却水的流量分配不同以外其他冷却条件都相同。与2列外表面冷却水的流量相同的试验序号6的淬火弯曲量为10mm的情况相比,在使钢管的旋转方向上游侧一列的流量大于下游侧一列的流量的试验序号7中,淬火弯曲量进一步降低至6mm。相对于此,在^f吏用l列外表面冷却水同时开始进行内表面冷却和外表面冷却的试验序号l中,发生的淬火弯曲量过大,并且最高vts为-30°C、韧性不良。在先开始进行内表面冷却且将外表面冷却水设为l列的试验序号2、3、8、12中,最高vts为-30°C、韧性不良。在将外表面冷却水设为2列而同时开始内表面冷却和外表面冷却的试验序号4中,发生的淬火弯曲量过大。在外表面冷却设有2列冷却水而内表面冷却的先开始时间少于7秒的试验序号9以及13中,淬火弯曲量比较的大,且最高vts为-30°C、韧性不良。权利要求1.一种钢管冷却方法,该方法是一边使水平配置的钢管沿圆周方向进行旋转一边对钢管的内表面和外表面进行冷却的钢管冷却方法,其特征在于,钢管内表面的冷却是通过向钢管内喷射冷却水来进行的,而钢管外表面的冷却是通过在钢管最上部的两侧的距该最上部大致等距离的2个位置,分别使从钢管上方沿着轴向呈平面状的冷却水流到钢管外表面来进行的;使流下到钢管的旋转方向上游侧的位置的冷却水的流量大于或等于流下到旋转方向下游侧的位置的冷却水的流量,并且使钢管内表面的冷却比钢管外表面的冷却早7秒以上开始实施。2.根据权利要求l所述的钢管冷却方法,其中,上述钢管的壁厚/外径为0.07以下。全文摘要本发明提供一种钢管冷却方法,其能在不降低钢管的制造效率的情况下有效地抑制对壁厚/外径为0.07以下的薄壁钢管进行淬火时发生的淬火弯曲,通过一边使水平配置的铜管(2)沿圆周方向进行旋转,一边向其内部喷射冷却水来使钢管2的内表面冷却,并且通过使平面状的冷却水(5a、5b)沿着钢管(2)的轴向从上方流过其外表面来使外表面冷却。使内表面的冷却比外表面的冷却早7秒以上开始实施。外表面的冷却是通过使平面状的冷却水(5a、5b)分别沿距钢管(2)的最上部大致等距离的2个位置(4a、4b)流下来进行的,使沿钢管(2)的旋转方向上游侧的位置流下的冷却水(5a)的流量大于沿旋转方向下游侧的位置流下的冷却水(5b)的流量。文档编号C21D9/08GK101490286SQ20078002747公开日2009年7月22日申请日期2007年5月30日优先权日2006年5月30日发明者中田顺司,大迫一申请人:住友金属工业株式会社
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