马氏体类不锈钢管的热处理工序用气冷设备 技术领域 本发明涉及一种用于马氏体类不锈钢管的热处理工序的气冷设备。 本发明特别是 涉及一种能够提高在热处理工序中对钢管内表面进行气冷时的冷却效率， 而缩短热处理工 序所需要的时间的气冷设备。
背景技术 由于马氏体类不锈钢管具有优良的耐 CO2 腐蚀性， 因此从以前开始被广泛用于油 井用途等。另一方面， 马氏体类不锈钢管， 由于其材料的淬透性极高， 因此若热处理工序中 的用于淬火的冷却全部由水冷进行， 则容易产生淬火开裂。 因此， 马氏体类不锈钢管的热处 理工序的淬火通常采用自然冷却、 或向钢管的外表面喷射空气的气冷方法， 由于冷却需要 很长的时间， 因此热处理效率变低。
以解决上述的热处理效率较低的缺点为其一目的， 提出了例如在国际公开第 2005/035815 号小册子 ( 以下称为专利文献 1) 中记载的方法。专利文献 1 所述的方法是利 用在 Ms 点 ( 当淬火冷却时， 钢的马氏体相变开始的温度 ) 附近以外的温度范围内即使水冷 也难以产生开裂的现象， 来组合快速冷却的水冷和气冷的方法。具体而言， 在专利文献 1 中 公开了一种对钢管进行加热而使其奥氏体化之后， 按水冷、 气冷、 水冷的顺序进行冷却的淬 火方法。
关于上述气冷， 在专利文献 1 中公开了一种具有如下结构的气冷装置， 即， 利用风 扇或鼓风机从下方开始使钢管的整个外表面冷却， 且能够利用空气喷嘴使管端内表面冷却 ( 专利文献 1 的说明书的 0062 段 )。
通常， 与钢管外表面的气冷相比， 钢管内表面的气冷的冷却效率较高。这是因为， 在进行钢管外表面的气冷时， 由于钢管内表面上滞留有高温空气， 因此成为难以冷却的状 态， 而与之相比， 在进行钢管内表面的气冷时， 由于没有上述高温空气的滞留而使钢管内表 面的容易散热， 且钢管外表面的热量被排放到四周， 所以能够缩短冷却所需要的时间。因 此， 为了提高钢管的气冷的冷却效率， 优选主要进行钢管内表面的气冷。
但是， 在专利文献 1 中， 关于钢管内表面的气冷， 仅公开了一种如以上所述那样的 具有能够利用空气喷嘴使管端内表面冷却的结构的气冷装置。换而言之， 在专利文献 1 中， 虽然公开了使用喷嘴对钢管内表面进行气冷的方法本身， 但是对于为了提高在使用喷嘴来 对钢管内表面进行气冷时的冷却效率应该采用什么样的结构， 一概没有公开。
发明内容 本发明是鉴于这样的现有技术而做出的， 其课题在于提供一种马氏体类不锈钢管 的热处理工序用气冷设备， 该气冷设备能够提高在热处理工序中对钢管内表面进行气冷时 的冷却效率， 而缩短热处理工序所需要的时间。
为了解决上述课题， 本发明提供一种马氏体类不锈钢管的热处理工序用气冷设 备， 其特征在于， 该气冷设备包括 ： 输送装置， 其沿与钢管的长度方向大致正交的方向间歇
性地输送钢管 ； 气冷装置， 其具有在由上述输送装置间歇性地输送的钢管的停止位置上， 以 沿该钢管的长度方向与该钢管的端部相对配置、 用于向该钢管的内表面喷射空气的喷嘴。
采用本发明的气冷设备， 在由输送装置间歇性地输送的钢管的停止位置上配置气 冷装置的喷嘴， 且由该喷嘴向钢管的内表面喷射空气。 因此， 在间歇性地输送的钢管的停止 时间内， 能够集中地对钢管内表面进行气冷。 因此， 例如与以通过喷嘴的设置位置的方式连 续输送钢管的结构等相比， 本发明的气冷设备能够提高冷却效率。
在此， 在本发明中， 从进一步提高钢管内表面的冷却效率的角度而言， 优选在由输 送装置间歇性地输送的钢管的所有的停止位置上配置喷嘴。但是， 这样结构的气冷设备需 要具有用于向各喷嘴供给空气的大型鼓风机或压缩机， 而使热处理工序所需的单位产品的 能源消耗上升， 不经济。
本发明人进行了专心研究， 若假设气冷之前的钢管的内外表面没有温度差， 则与 在低温钢管的停止位置上配置了喷嘴的情况相比， 在高温钢管的停止位置上配置了喷嘴的 情况下， 钢管的内表面温度和由喷嘴喷射出的空气的温度的温差较大， 因此提高了由喷嘴 喷射空气时的冷却效率 ( 内表面温度的降低量较大 )。 但是， 在钢管在喷嘴之间移动时 ( 即， 来自喷嘴的空气没有向钢管内表面喷射时 )， 由于钢管的外表面、 内部的热量向钢管的内表 面传递， 因此与刚完成空气的喷射时的钢管的内表面温度相比， 产生钢管的内表面温度上 升的回热现象。刚完成空气喷射的内外表面的温度差越大， 由该回热引起的内表面的温度 的上升量 ( 回热量 ) 越大。因此， 与钢管在低温时的回热量相比， 钢管在高温时的钢管在喷 嘴之间移动时的回热量较大。 而且， 回热量越大， 利用空气喷射的气冷使钢管冷却至规定温 度所需要的时间越长。因此可知， 与在低温钢管的停止位置上配置了喷嘴的气冷设备在冷 却工序整体的冷却效率相比， 在高温钢管的停止位置上配置了喷嘴的气冷设备在冷却工序 整体的冷却效率较低。
因此， 从经济角度而言， 不是在钢管的所有的停止位置上配置喷嘴， 而是限定在其 中一部分停止位置上配置喷嘴， 在该情况下， 尽可能在低温钢管的停止位置上喷嘴配置， 能 够提高冷却工序整体的冷却效率， 因此优选这种配置方式。
根据上述的观点， 优选至少在内表面温度为 400℃以下的钢管的停止位置上配置 上述喷嘴。
另外， 在本发明中， 从进一步提高钢管内表面的冷却效率的角度而言， 优选加大所 有的配置好的喷嘴的喷射空气流量。但是， 这样结构的气冷设备也不经济。
因此， 从经济角度而言， 不是加大所有的配置好的喷嘴的喷射空气流量， 而是加大 其中一部分喷嘴的喷射空气流量， 在该情况下， 加大配置在低温钢管的停止位置 ( 即， 回热 量小的钢管的停止位置 ) 上的喷嘴的喷射空气流量， 能够提高冷却工序整体的冷却效率， 因此优选。
根据上述的观点， 优选在内表面温度为 400℃以下的钢管的停止位置 ( 低温停止 位置 ) 和内表面温度超过 400℃的钢管的停止位置 ( 高温停止位置 ) 上配置上述喷嘴， 且设 定成由配置在上述低温停止位置上的喷嘴喷射出的空气流量大于由配置在上述高温停止 位置上的喷嘴喷射出的空气流量。
在此， 本发明人从进一步提高钢管内表面的冷却效率的角度出发， 专心研究了喷 嘴和钢管的端部之间的最佳距离， 得到如下见解。即， 喷嘴和钢管的端部之间的距离越短，由喷嘴喷射出的全部空气中的到达钢管内表面的空气的流量越大。 得知在喷嘴呈圆筒形状 的情况下， 当喷嘴和钢管的端部之间的距离为喷嘴内径的 8.0 倍以下 ( 优选 2.0 倍以下 ) 时， 由喷嘴喷射出的全部空气中的到达钢管内表面的空气的流量足够大。但并不是喷嘴和 钢管的端部之间的距离越短， 被卷入由喷嘴喷射出的空气中并与由喷嘴喷射出的空气一同 到达钢管内表面的保护气的流量 ( 卷入流量参照图 3) 越大， 而是在喷嘴呈圆筒形状的情况 下， 若喷嘴和钢管的端部之间的距离小于喷嘴内径的 1.5 倍， 则喷嘴和钢管的端部之间的 距离越短相反地卷入流量越低， 若喷嘴和钢管的端部之间的距离小于喷嘴内径的 1.0 倍， 则有卷入流量大幅度降低的倾向。结果， 可知到达钢管内表面而供钢管内表面冷却用的空 气的流量 ( 即， 由喷嘴喷射出的全部空气中的到达钢管内表面的空气的流量和卷入流量的 总和 )， 在喷嘴和钢管的端部之间的距离为喷嘴内径的 1.0 ～ 8.0 倍时较大， 在喷嘴和钢管 的端部之间的距离为喷嘴内径的 1.5 ～ 2.0 倍时最大。
因此， 优选上述喷嘴为圆筒形状的喷嘴， 且配置在到与其相对的钢管的端部的距 离为该喷嘴内径的 1.0 ～ 8.0 倍 ( 相对优选 1.5 ～ 2.0 倍 ) 的位置上。
采用本发明的马氏体类不锈钢管的热处理工序用气冷设备， 能够提高对钢管内表 面进行气冷时的冷却效率， 而缩短热处理工序所需要的时间， 进而高效率地制造马氏体类 不锈钢管。 附图说明
图 1 是表示本实施方式的气冷设备的概略结构的示意图， 图 1 的 (a) 表示俯视图， 图 1 的 (b) 表示主视图。
图 2 是表示在由图 1 所示的气冷设备中的喷嘴组 A ～ C 喷射出的空气的流量相同 的情况下 ( 由图 2 的虚线表示的曲线图 ) 和仅加大了喷嘴组 C 中的输送方向上游侧的两个 喷嘴的喷射空气流量的情况 ( 由图 2 的实线表示的曲线图 ) 下， 对钢管的内表面温度随时 间的变化进行了数值模拟的结果的一个例子的曲线图。
图 3 是表示对图 1 所示的喷嘴和钢管的端部之间的距离同钢管的内表面上的空气 流量之间的关系的实验调查结果的图。图 3 的 (a) 是表示实验的说明图， 图 3 的 (b) 是喷 嘴和钢管的端部之间的距离同钢管的内表面上的空气流量之间的关系的曲线图。 具体实施方式
以下， 一边适当地参照附图， 一边对本发明的马氏体类不锈钢管的热处理工序用 气冷设备的一实施例进行说明。
首先， 对适合使用本发明的气冷设备的马氏体类不锈钢管材料进行说明。
(1)C ： 0.15 ～ 0.20 质量％ ( 以下， 仅以 “％” 表示 )
C 是为了得到具有适当强度、 硬度的钢所必需的元素。当 C 的含量小于 0.15％时， 无法得到规定的强度。另一方面， 若 C 的含量超过 0.20％， 则钢的强度过高， 而难于调整屈 服比、 硬度。另外， 由于有效固溶 C 量增多， 而容易产生延迟破坏。因此， 优选 C 的含量为 0.15％～ 0.21％。更加优选为 0.17％～ 0.20％。
(2)Si ： 0.05％～ 1.0％
Si 作为钢的脱氧剂而被添加到钢中。为了得到脱氧效果， Si 的含量必须在0.05％以上。另一方面， 当 Si 的含量超过 1.0％时， 钢的韧性降低。因此， 优选 Si 的含量 为 0.05％～ 1.0％。更优选 Si 的含量的下限值为 0.16％， 最好优选 Si 的含量的下限值为 0.20％。另外， 更优选 Si 的含量的上限值为 0.35％。
(3)Mn ： 0.30％～ 1.0％
Mn 也和 Si 相同具有脱氧作用。当 Mn 的含量小于 0.30％时脱氧效果不好。另外， 当 Mn 的含量超过 1.0％时， 钢的韧性降低。因此， 优选 Mn 的含量为 0.30％～ 1.0％。若也 考虑确保热处理后的钢的韧性， 则优选 Mn 含量的上限值为 0.6％。
(4)Cr ： 10.5％～ 14.0％
Cr 是钢的用于得到必要的耐腐蚀性的基本成分。Cr 的含量为 10.5％以上， 能够 改善对点腐蚀和经时腐蚀的耐腐蚀性， 并且显著提高钢在 CO2 环境下的耐腐蚀性。另一方 面， 由于 Cr 是铁素体形成元素， 因此若其含量超过 14.0％， 则在高温下进行加工时容易生 成 δ 铁素体， 而有损热加工性。而且， 热处理后的钢的强度降低。因此， 优选 Cr 的含量为 10.5％～ 14.0％。
(5)P ： 0.020％以下
当 P 的含量过多时， 会使钢的韧性降低。因此， 优选 P 的含量为 0.020％以下。 (6)S ： 0.0050％以下
当 S 的含量过多时， 会使钢的韧性降低。而且， 由于会发生偏析， 而使钢管的内表 面质量恶化。因此， 优选 S 的含量为 0.0050％以下。
(7)Al ： 0.10％以下
虽然 Al 作为杂质存在于钢中， 但当其含量超过 0.10％时， 会使钢的韧性降低。因 此， 优选 Al 的含量为 0.10％以下。更优选为 0.05％以下。
(8)Mo ： 2.0％以下
当将 Mo 添加到钢中时， 能够得到提高钢的强度、 耐腐蚀性的效果。但是， 当其含量 超过 2.0％时， 会使钢的马氏体转变变得困难。因此， 优选 Mo 的含量为 2.0％以下。而且， 由于 Mo 是高价的合金元素， 因此若从经济角度而言， 则优选 Mo 的含量尽可能少。
(9)V ： 0.50％以下
当将 V 添加到钢中时， 能够得到提高钢的屈服比的效果。但是， 当其含量超过 0.50％时， 会使钢的韧性降低。因此， 优选 V 的含量为 0.50％以下。而且， 由于 V 是高价的 合金元素， 因此若从经济角度而言， 则优选 V 的含量为 0.30％以下。
(10)Nb ： 0.020％以下
当将 Nb 添加到钢中时， 能够得到提高钢的强度的效果。但是， 当其含量超过 0.020％时， 会使钢的韧性降低。因此， 优选 Nb 的含量为 0.020％以下。而且， 由于 Nb 是高 价的合金元素， 因此若从经济角度而言， 则优选 Nb 的含量尽可能少。
(11)Ca ： 0.0050％以下
当 Ca 的含量超过 0.0050％时， 钢中的夹杂物增多， 钢的韧性降低。因此， 优选 Ca 的含量为 0.0050％以下。
(12)N ： 0.1000％以下
当 N 的含量超过 0.1000％时， 会使钢的韧性降低。 因此， 优选 N 的含量为 0.1000％ 以下。另外， 在该范围内， 当 N 的含量较多时， 由于有效固溶 N 量增多， 而容易产生延迟破
坏。另一方面， 当 N 的含量较少时， 会使脱氮工序的效率降低， 而成为阻碍生产性的主要原 因。因此， 更加优选 N 的含量为 0.0100％～ 0.0500％。
(13)Ti、 B、 Ni
Ti、 B、 Ni 能够作为少量的添加物、 或杂质包含在钢中。但是， 当 Ni 的含量超过 0.2％时， 会使钢的耐腐蚀性降低， 因此优选 Ni 的含量为 0.2％以下。
(14)Fe 和不可避免的杂质
本发明制造的马氏体类不锈钢管的材料不仅包含上述 (1) ～ (13) 的成分， 还包含 Fe 和不可避免的杂质。
接下来， 对包含以上说明成分的马氏体类不锈钢管的热处理工序用气冷设备进行 说明。
图 1 是表示本实施方式的气冷设备的概略结构的示意图， 图 1 的 (a) 表示俯视图， 图 1 的 (b) 表示主视图。
如图 1 所示， 本实施方式的气冷设备 100 包括 ： 输送装置 10， 其沿与钢管 P 的长度 方向大致正交的方向间歇性地输送钢管 P ； 气冷装置 20， 其具有在由上述输送装置 10 间歇 性地输送的钢管 P 的停止位置上， 以沿该钢管 P 的长度方向与该钢管 P 的端部相对配置、 用 于向该钢管 P 的内表面喷射空气 Bi 的喷嘴 21。 输送装置 10 是带式或链式的输送装置， 其按规定的时间间隔反复移动 / 停止， 并 沿与钢管 P 的长度方向大致正交的方向输送钢管 P。
气冷装置 20 包括 ： 空气源 ( 未图示 ) ； 鼓风机 ( 未图示 )， 其用于将来自该空气源 的空气供给到喷嘴 21 ； 喷嘴 21， 其用于将供给来的空气向钢管 P 的内表面喷射。本实施方 式的喷嘴 21 采用圆筒形状的喷嘴。
为了使本实施方式的气冷设备 20 对钢管 P 的整个内表面有效地进行气冷， 优选其 结构包括配置在钢管 P 的长度方向的一端侧的喷嘴 21( 喷嘴组 A) 和配置在钢管 P 的长度 方向的另一端侧的喷嘴 21( 喷嘴组 B、 C)。
还优选本实施方式的气冷设备 100 的结构包括用于向钢管 P 的外表面喷射空气 Bo， 来使钢管 P 的外表面冷却的风扇或鼓风机 ( 未图示 )。 该风扇或鼓风机不仅对在停止位 置上的钢管 P 喷射空气 Bo， 而且还对移动中的钢管 P 喷射空气 Bo。与仅利用由喷嘴 21 喷 射出的空气 Bi 进行气冷相比， 采用该优选结构， 能够更进一步提高钢管 P 的冷却效率。
图 2 是表示在由图 1 所示的气冷设备 100 中的喷嘴组 A ～ C 喷射出的空气 Bi 的 流量相同的情况 ( 情况 1， 由图 2 的虚线表示的曲线图 ) 下和仅加大了喷嘴组 C 中的输送方 向上游侧的两个喷嘴 21 的喷射空气 Bi 的流量的情况 ( 情况 2， 由图 2 的实线表示的曲线 图 ) 下， 对钢管 P 的内表面温度随时间的变化进行了数值模拟的结果的一个例子的曲线图。 图 2 的横轴表示气冷开始的经过时间， 纵轴表示钢管 P 的内表面温度及自钢管 P 的内表面 散热的比例 ( ＝自钢管 P 内表面的散热量 /( 自钢管 P 外表面的散热量 + 自钢管 P 内表面 的散热量 ))。
在本数值模拟中， 钢管 P 的外径为 114.3mm， 内径为 100.5mm， 长为 12m。 另外， 情况 1 和情况 2 的气冷开始时的钢管 P 的内表面温度 ( 及外表面温度 ) 为 650℃， 对该两种情况 的钢管 P 的内表面温度降低到 220℃时所需的经过时间进行了比较。其中， 情况 1 为以 33 秒作为一个周期 ( 移动 ： 13 秒， 停止 ： 20 秒 ) 间歇性地输送钢管 P， 情况 2 为以 30 秒作为一
个周期 ( 移动 ： 13 秒， 停止 ： 17 秒 ) 间歇性地输送钢管 P。
如图 2 所示， 可知尽管情况 2 的钢管 P 的停止时间短 ( 因此， 向钢管 P 的内表面喷 射空气 Bi 的时间短 )， 其在完成在气冷设备 100 中的输送， 且钢管 P 的内表面温度降到大约 为 220℃时所需的经过时间比情况 1 达到同样条件时所需的经过时间还短 ( 减少 10％ )。
对仅加大了由喷嘴组 A 中的输送方向上游侧的两个喷嘴 21 喷射出的空气 Bi 的流 量的情况 ( 情况 3)、 仅加大了由喷嘴组 B 中的输送方向上游侧的两个喷嘴 21 喷射出的空气 Bi 的流量的情况 ( 情况 4) 也进行了与上述相同的数值模拟， 结果如下述的表 1 所示， 在情 况 2 的情况下， 在完成在气冷设备 100 中的输送时的钢管 P 的内表面温度最低。
【表 1】
因此， 从经济角度而言， 不是加大由配置在气冷设备 100 中的所有的喷嘴 21 喷射 出的空气 Bi 的流量， 而是加大由其中一部分喷嘴 21 喷射出的空气 Bi 的流量， 在该情况下， 加大由配置在低温 ( 具体而言， 内表面温度为 400℃以下 ) 的钢管 P 的停止位置上的喷嘴组 C 喷射出的空气 Bi 的流量， 能够提高冷却工序整体的冷却效率， 因此优选。
同样， 从经济角度而言， 不是在钢管 P 的所有的停止位置上配置喷嘴 21， 而是在其 中一部分停止位置上限定配置喷嘴 21， 在该情况下， 将喷嘴 21 配置在低温 ( 具体而言， 内表 面温度为 400℃以下 ) 的钢管 P 的停止位置上 ( 即， 仅配置喷嘴组 C)， 能够提高冷却工序整 体的冷却效率， 因此优选。
图 3 是表示对喷嘴 21 和钢管 P 的端部之间的距离同钢管 P 的内表面上的空气流 量之间的关系的实验调查结果的图。图 3 的 (a) 是表示实验的说明图， 图 3 的 (b) 是喷嘴 21 和钢管 P 的端部之间的距离同钢管 P 的内表面上的空气流量之间的关系的曲线图。图 3 的 (b) 的横轴表示喷嘴 21 和钢管 P 的端部之间的距离 L 同喷嘴内径 D0 的比， 纵轴表示钢 管 P 的内表面上的空气流量和钢管 P 的内表面上的最大空气流量的比。
在本实验中， 使用了内径为 54.6mm 的钢管 P， 内径 D0 为 11.98mm、 9.78mm、 5.35mm 的 3 种喷嘴 21， 使各喷嘴 21 和钢管 P 的端部 ( 与喷嘴 21 相对一侧的端部 ) 之间的距离变 化。使用配置在钢管 P 的端部 ( 与喷嘴 21 相对一侧的反向侧的端部 ) 的流量计对钢管 P 的内表面上的空气流量进行了测量。
如图 3 所示， 可知任意一种喷嘴 21， 当 L/D0 在 1.0 ～ 8.0 的范围内时， 钢管 P 的内 表面上的空气流量为最大空气流量的 97％以上， 当 L/D0 在 1.5 ～ 2.0 的范围内时， 钢管 P 的内表面上的空气流量最大。因此， 从进一步提高钢管 P 的内表面的冷却效率的角度而言， 优选将喷嘴 21 配置在到与其相对的钢管 P 的端部的距离 L 为喷嘴 21 的内径 D0 的 1.0 ～ 8.0 倍的位置上， 更优选配置在 1.5 ～ 2.0 倍的位置上。