JP2001129607A - Ｈ形鋼の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、仕上げ圧延後、加速冷却を行なう
Ｈ形鋼の製造において、熱歪が少なく歪矯正のための工
程を必要としない製造方法を提供する。 【解決手段】仕上げ圧延後、フランジ内外面を加速冷却
する工程とフランジ外面のみから加速冷却する工程と
を、順次連続して行い、更に加速冷却工程におけるこれ
ら工程の時間的配分及び内外面水量密度比（内外面を加
速冷却する工程における内面水量密度／外面水量密度）
を熱歪（Ｈ形鋼の足先の開き量Δｈ／許容足先開き量ｈ
ｍ）が許容範囲内となるように選定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、熱間圧延後、冷
却を行うＨ形鋼の製造方法に関し、特に冷却後、矯正機
あるいはプレスによる矯正作業なく能率よくＨ形鋼を製
造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、建築用の部材に対する耐震性の要
望が強まり、柱材や梁材用に強度や靭性に優れたＨ形鋼
が求められ、その製造方法として制御圧延や制御冷却が
適用されている。

【０００３】制御圧延や制御冷却は高強度・高靭性の鋼
材の一般的な方法であり、制御圧延は１０００℃以上に
加熱したスラブやＣＣＢＢ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃ
ａｓｔｉｎｇ ｂｅａｍ ｂｌａｎｋ）素材を一旦中程
度の厚みまで粗圧延し、その後、鋼板の温度が未再結晶
温度域やあるいはその近傍の温度域で最終の仕上げ圧延
を行うもので、制御冷却は圧延後加速冷却によってＡｒ
３温度以上から５００℃程度まで冷却し、強度を確保す
るものである。

【０００４】Ｈ形鋼のフランジに対して、仕上げ圧延機
後方の加速冷却装置により制御冷却を行う方法として、
フランジ内外面から同時に冷却する方法（特公平５−７
３８０６号公報、以下先行技術１）、多段にスプレーノ
ズルを配置しガイドの後方からガイドに設けたスリット
を通してＨ形鋼のフランジ外面を冷却する方法（特開平
５−３１７９４８号公報、以下先行技術２）がある。

【０００５】先行技術１の場合、図１に示すようにＨ形
鋼１において、フランジ２，フランジ幅（Ｈ），フラン
ジ厚み（ｔ２），ウエブ２、ウエブ高さ（Ｂ），ウエブ
厚み（ｔ１）の各寸法が多様であるため、多品種のＨ形
鋼を能率よく製造するためにはフランジ内面の冷却装置
の幅、位置、高さ等を容易に変更できる複雑な構造とす
るか、あるいは冷却装置の位置調整を自在とする機構が
必要であり、更に内面に冷却装置を設けるため、Ｈ形鋼
との衝突の危険性もあり、安定操業の点でも問題があっ
た。

【０００６】先行技術２の場合、スプレーノズルを多段
に配置し、フランジ外面を冷却する方法であり、フラン
ジが外面側からのみ冷却されるため加速冷却等の強冷却
の場合、冷却中にフランジ外面を凹にした反り（図２
（１））が発生する。冷却後、冷却床上で全体の温度が
下がるにつれ、フランジ外面を凸にした曲がり（図２
（２））が発生し、結局Ｈ形鋼が常温になった状態では
フランジ外面を凸にした曲がりが残留し、その後、矯正
機やプレスによる矯正作業が発生していた。特に、残留
曲がりがフランジ外面を凸にした曲がりは矯正作業が難
しく、コスト高となっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、仕上
げ圧延機後方の加速冷却装置により制御冷却を行う方法
において、内外面から同時に冷却する方法は装置が複雑
で、必ずしも十分な形状が得られず、外面から冷却する
方法は冷却後、矯正する工程が不可欠であった。本発明
は、複雑な装置を用いることなく、冷却条件の調整のみ
により熱歪が少ないＨ型鋼の製造方法を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、フランジ
を外面、内外面及びこれらの組合わせによって冷却した
場合のＨ形鋼の形状に及ぼす影響について検討し、以下
の知見を得た。冷却によるＨ形鋼の変形状況を示す図２
を用いて説明する。

【０００９】１．外面冷却：フランジ外面のみ冷却した
場合、冷却中にフランジ外側が収縮するためにＸ形状に
変形する（図２（１））。

【００１０】この段階でフランジ外側が引張られて降伏
し、塑性変形を生じ、伸びる。水冷終了後はフランジの
内側が遅れて縮むため、常温となった段階では図２
（２）のようにフランジ外側を凸にした形状となる。

【００１１】２．内外面同時冷却：内外面を同時に冷却
した場合、フィレット部外側は急冷されるが、内側はウ
エブにより温度の降下が外側に対し遅れるため冷却初期
に図２（１）に示す変形が生じ、フランジが外側に倒れ
る。この状態で、常温まで冷却されると、冷却後の形状
は図２（１）となる。

【００１２】３．内外面同時冷却後、外面のみ冷却：こ
の場合は、内外面同時に冷却しているので冷却初期に外
面が伸びるのが防止され、内外面水冷終了段階では図２
（１）に示す変形が生じる。その後、内面の冷却をやめ
るとフランジ内面およびウエブは復熱し、水冷終了後は
フランジの内側が遅れて縮むようになる。これらの結
果、常温に至った段階では図２（３）に示すようなフラ
ンジがウエブに対してほぼ直角な熱歪の少ないＨ形鋼に
なる。

【００１３】この冷却方法の場合、水量密度比（内面水
量密度／外面水量密度）、内外面冷却比（内外面冷却時
間／全冷却時間）によって熱歪が影響を受け、これらを
適正に選択することによって優れた熱歪とすることが可
能である。例えば、水量密度比７０％とし、内外面冷却
比を１／３〜０．７とすれば、熱歪を許容範囲内の優れ
た値とすることが可能である。

【００１４】本発明はこれらの知見を基に更に検討を加
えてなされたもので、要旨は以下のとおりである。

【００１５】１． 仕上げ圧延後、フランジ内外面から
加速冷却する工程と、フランジ外面のみから加速冷却す
る工程とを、順次連続して行うことを特徴とするＨ形鋼
の製造方法。

【００１６】２． 熱歪が許容範囲内となるように、加
速冷却工程における、内外面冷却工程時間比（内外面を
冷却する工程時間／全冷却工程時間）、内外面水量密度
比（内外面を冷却する工程における内面水量密度／全冷
却工程における外面水量密度）を選択することを特徴と
する１記載のＨ形鋼の製造方法。

【００１７】３． Ｈ形鋼の上部凹部および下部凹部の
フランジ内面から冷却する機構と、フランジ外面から冷
却する機構とを備え、前記フランジ内面から冷却する機
構は冷却水の水量密度及び冷却長を可変とし、前記フラ
ンジ外面から冷却する機構は冷却水の水量密度を可変と
したことを特徴とするＨ形鋼の通過型冷却装置。

【００１８】４． 上部凹部のフランジ内面冷却長の前
後から、Ｈ形鋼のウエブ上に滞留する冷却水が流出する
ことを防止する機構を付加した３記載のＨ形鋼の通過型
冷却装置。

【００１９】

【発明の実施の形態】図３は本発明を実施する圧延法に
よるＨ型鋼の製造設備列を示す概略図である。スラブを
加熱炉８により加熱後、ブレークダウンミル９によりＨ
形鋼形状の素材に圧延し、第１の粗圧延機群１０及び第
２の粗圧延機群１１でのリバース圧延により、各部寸法
を制御圧延により圧延成形する。粗圧延機の前後のサイ
ドガイド１２にはスプレーノズルが配置され、圧延中の
フランジ温度を制御する。その後、仕上げ圧延機１３に
よりフランジを垂直にたてる圧延を行い、冷却装置１４
により加速冷却を施す。ホットソー１８で所望の長さに
切断後、冷却床１９で冷却する。

【００２０】図４は図３の冷却装置１４を示し、冷却装
置１４はサイドガイドを兼ねたＨ形鋼Ｓフランジ外面ｆ
１を冷却する多孔板方式のフランジ外面冷却装置１５と
フランジ内面ｆ２を冷却するスプレー方式のフランジ内
面冷却装置１６から構成されている。

【００２１】多孔板方式のフランジ外面冷却装置１５は
多数の円柱のラミナー状の水流がサイドガイドの孔から
噴射されてフランジ外面ｆ１に衝突し、外面を冷却する
ものであり、冷却装置１４の全長に配されている。ラミ
ナー状の水流とすることにより、フランジ外面に衝突す
る冷却水の衝突速度は小さく、冷却水がフランジを乗り
越えてウエブに流入し、ウエブの冷却が過冷却となるこ
とを防止することができる。

【００２２】ラミナー状の水流は分散しないので面内を
均一に冷却するため、多数の円柱のラミナー状の水流を
単位面積あたりに配置する。フランジ内面冷却装置１６
はスプレー冷却装置が長手方向１ｍ毎に冷却装置１４の
全長に設けられているが、各スプレー冷却装置毎に冷却
のオンオフが可能で、冷却長を可変とすることができ
る。

【００２３】スプレー冷却により、形鋼との衝突を避
け、ノズルの配置が可能で、特に、少ないノズルで広い
面積を効率的に冷やすために、噴射角度の広いスプレー
ノズルとし、形鋼下面冷却ではテーブルローラより下
に、上面についてはフランジ上端の上方へ離して設置す
る。

【００２４】又、ウエブ上に滞留する冷却水が未だ冷却
装置に入る前のウエブと既に冷却後のウエブに流出する
のを防止するため、フランジ内面の冷却長の変化に応じ
てＨ形鋼長手方向に移動可能な冷却水のパージ機構１７
を設けることができる。冷却部前後に、流出する内面の
冷却水を吹き飛ばし、ウエブ上から排除するので、非冷
却部に冷却水が流出するのを防止することができる。
尚、内面、外面の冷却装置は、本実施例に限定されず、
例えばスプレーノズルを稠密に配置した外面冷却装置
で、高い水量密度で冷却してもよい。

【００２５】Ｈ形鋼の場合、フランジ内外面では冷却特
性が相違するが、フランジ外面表層とフランジ内面表層
の冷却中の温度差を小さくなるように冷却を制御し、冷
却中および冷却後の歪発生を防止することが可能であ
る。本発明では冷却工程における内外面冷却工程（内
面、外面を同時に冷却する工程）、外面冷却工程（外面
のみを冷却する工程）の配分及び内面、外面の冷却水量
密度比を熱歪を抑制する観点から最適化する。尚、外面
の冷却水量密度は内外面冷却工程、外面冷却工程の全冷
却工程を通じて一定とする。

【００２６】１．冷却は冷却開始時に内外面を冷却し、
その後外面を冷却する。冷却開始時に外面を冷却し、次
に内外面を冷却、最後に再度外面を冷却を行った場合、
冷却初期に表層温度が急激に低下し、塑性変形を起こす
可能性が高く、冷却後常温に至った段階の熱歪を抑制す
る効果が小さい。従って、本発明では冷却開始時に内外
面を冷却し、その後外面を冷却する。図７に本発明の冷
却パターンを模式的に示す。

【００２７】２．更に本発明では、熱歪が許容範囲内と
なるように熱歪と全冷却時間における内外面冷却時間、
及び内外面水量密度比の関係を求め、冷却条件を決定す
る。図６は内外面水量密度比を０．３、０．５、０．
７、１．０とした場合において、内外面冷却時間を全冷
却時間に対して変化させ、熱歪（フランジ足先の開き量
Δｈ／許容される足先の開き量ｈｍ）に及ぼす影響を整
理したものである。

【００２８】例えば、内外面水量密度比を０．７とし，
フランジ内面の冷却時間をフランジ外面の冷却時間（全
冷却時間）の０．３３〜０．７とした場合、熱歪は−１
〜１となり、フランジ足先の開き量は許容範囲内とな
り、形状に優れたＨ形鋼が得られる。

【００２９】図５はフランジ内外面の冷却時間を全冷却
時間の１／３とした場合における熱歪と内外面水量密度
比の関係を示すもので、内面水量密度を外面水量密度の
７０％以上とした場合、熱歪は−１〜０となり、フラン
ジ足先の開き量は許容範囲内となり、形状に優れたＨ形
鋼が得られる。

【００３０】尚、フランジ足先の開き量Δｈは図２
（１）のようにフランジ外側に凹に変形した場合を正と
し、図２（２）のようにフランジ外側に凸に変形した場
合を負とし、フランジ足先の開き量Δｈ＝（Ｂ−ｔ１）
／２・ｓｉｎαとする。

【００３１】

【実施例】本発明の効果を実施例により説明する。

【００３２】［実施例１］上述したＨ形鋼の圧延設備と
冷却設備を用いて、仕上げ圧延終了時点でウエブ高さＨ
が５７２ｍｍ，フランジ幅Ｂが５１０ｍｍ，ウエブ厚み
が６０ｍｍ，フランジ厚みが８０ｍｍ，長さが１３ｍの
Ｈ形鋼を冷却装置１４内で１２０秒間滞在させて加速冷
却を施した。

【００３３】冷却は外面の水量密度１０００ｌ／ｍｉｎ
・ｍ2、内面の水量密度７００ｌ／ｍｉｎ・ｍ2とし、内
面のスプレーノズルからの冷却水の噴射時間は全冷却時
間１２０秒の４０％である４８秒とした。冷却後、常温
に至った状態での熱歪（Ｈ形鋼の足先の開き量Δｈ／許
容足先開き量ｈｍ）はー０．２程度で許容値以下であっ
た。尚、このＨ形鋼の許容足先開き量は１．５ｍｍとし
た。

【００３４】［実施例２］次に、上述したＨ形鋼の圧延
設備と冷却設備を用いて、仕上げ圧延終了時点でウエブ
高さＨが６００ｍｍ，フランジ幅Ｂが３００ｍｍ，ウエ
ブ厚みが１９ｍｍ，フランジ厚みが３２ｍｍ，長さが６
０ｍのＨ形鋼を冷却装置１４内を１．８ｍ／ｓで通過さ
せながら加速冷却を施した。

【００３５】冷却は外面の水量密度を１０００ｌ／ｍｉ
ｎ・ｍ2、内面の水量密度を７００ｌ／ｍｉｎ・ｍ2と
し、サイドガイドの外面の冷却装置は４０ｍすべて噴射
したが、内面は冷却装置入り側から１４ｍの部分のみ冷
却水を噴射した。全冷却時間における内外面冷却時間は
３５％であった。

【００３６】本実施例の通過型冷却においてはＨ形鋼内
面を冷却するために噴射した冷却水が通過前後のＨ形鋼
内面のウエブ上に流出しないよう冷却装置入側および冷
却長の終端部（冷却装置入り側から１４ｍ付近）に空気
を噴射するノズルをそれぞれ４本ずつ配置した。冷却
後、常温に至った状態での熱歪（Ｈ形鋼の足先の開き量
Δｈ／許容足先開き量ｈｍ）はー０．９程度で許容値以
下であった。

【００３７】［比較例］本発明の実施例に用いた製造設
備で，冷却条件を本発明の範囲外とし、４例のＨ形鋼を
製造した。板厚２５０ｍｍのスラブを加熱炉により１２
５０℃まで加熱し、その後、ブレークダウンミル、ユニ
バーサル方式の粗圧延機によりフランジの各部形状、寸
法を整え、仕上げ圧延機でフランジを立てた後、加速冷
却を行った。

【００３８】Ｈ形鋼はウエブ高さＨが５７２ｍｍ，フラ
ンジ幅Ｂが５１０ｍｍ，ウエブ厚みが６０ｍｍ，フラン
ジ厚み８０ｍｍ，長さが１３ｍである。以下の比較例で
は加速冷却の停止温度（冷却終了温度）が５００℃とな
るように全冷却時間を調整した。

【００３９】１．加速冷却の全冷却時間を内外面冷却と
し、水量密度は内外面とも１０００ｌ／ｍｉｎ・ｍ2と
した。冷却後、常温に至った状態で熱歪（Ｈ形鋼の足先
の開き量Δｈ／許容足先開き量ｈｍ）は２．５程度で許
容値を超えていた。

【００４０】２．加速冷却の全冷却時間を外面のみの冷
却とし、水量密度は１０００ｌ／ｍｉｎ・ｍ2とした。
冷却後、常温に至った状態で熱歪（Ｈ形鋼の足先の開き
量Δｈ／許容足先開き量ｈｍ）は−５．５程度で許容値
を超えていた。

【００４１】３．加速冷却の開始後、全冷却時間の１／
３を経過まで内外面を冷却し、その後外面のみを冷却し
た。外面の水量密度を１０００ｌ／ｍｉｎ・ｍ2、内面
の水量密度を５００ｌ／ｍｉｎ・ｍ2とし、水量密度比
を０．５とした。冷却後、常温に至った状態で熱歪（Ｈ
形鋼の足先の開き量Δｈ／許容足先開き量ｈｍ）は−
２．５程度で許容値を超えていた。

【００４２】４．加速冷却の開始後、全冷却時間の１／
４を経過まで内外面を冷却し、その後外面のみを冷却し
た。内外面の水量密度を１０００ｌ／ｍｉｎ・ｍ2とし
た。冷却後、常温に至った状態で熱歪（Ｈ形鋼の足先の
開き量Δｈ／許容足先開き量ｈｍ）は−１．１程度で許
容値を超えていた。、

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、加速冷却により強度と靭性に優れたＨ形鋼を変形を
生じることなく製造可能であり、精整工程における矯正
作業が不要となるなど、低コストで高能率な生産が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｈ形鋼の各部の名称を示す図

【図２】Ｈ形鋼の断面形状を模式的に示す図

【図３】Ｈ形鋼を製造する設備の配置を示す図

【図４】本発明装置の実施態様を示す正面断面略図

【図５】内外面冷却時間比＝１／３において、熱歪に及
ぼす内外面水量密度比の影響を示す図

【図６】水量密度比０．３〜１．０において、熱歪に及
ぼす内外面冷却時間比の影響を示す図

【図７】本発明の加速冷却工程を模式的に示す図

【符号の説明】

１…Ｈ形鋼 ２…フランジ ３…ウエブ ４…フィレット ５…フランジ開き角度α ６…フランジの足先の開き量Δｈ＞０の場合 ７…フランジの足先の開き量Δｈ＜０の場合 ８…加熱炉 ９…ブレークダウン圧延機 １０…第一の粗圧延機群 １１…第二の粗圧延機群 １２…サイドガイドの冷却装置 １３…仕上げ圧延機 １４…加速冷却装置 １５…多孔板方式のフランジ外面の冷却装置 １６…スプレー方式のフランジ内面の冷却装置 １７…ウエブ上の冷却水除去用空気噴射ノズル １８…ホットソー １９…冷却床

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有村 鶴和 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 4E002 AC03 BD07 CA15 CB08

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 仕上げ圧延後、フランジ内外面から加速
   冷却する工程と、フランジ外面のみから加速冷却する工
   程とを、順次連続して行うことを特徴とするＨ形鋼の製
   造方法。
2. 【請求項２】 熱歪が許容範囲内となるように、加速冷
   却工程における、内外面冷却工程時間比（内外面を冷却
   する工程時間／全冷却工程時間）、内外面水量密度比
   （内外面を冷却する工程における内面水量密度／全冷却
   工程における外面水量密度）を選択することを特徴とす
   る請求項１記載のＨ形鋼の製造方法。
3. 【請求項３】 Ｈ形鋼の上部凹部および下部凹部のフラ
   ンジ内面から冷却する機構と、フランジ外面から冷却す
   る機構とを備え、前記フランジ内面から冷却する機構は
   冷却水の水量密度及び冷却長を可変とし、前記フランジ
   外面から冷却する機構は冷却水の水量密度を可変とした
   ことを特徴とするＨ形鋼の通過型冷却装置。
4. 【請求項４】 上部凹部のフランジ内面冷却長の前後か
   ら、Ｈ形鋼のウエブ上に滞留する冷却水が流出すること
   を防止する機構を付加した請求項３記載のＨ形鋼の通過
   型冷却装置。