JP2005028442A - コルゲートh形鋼、その製造方法及びユニバーサル圧延機 - Google Patents

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Abstract

【課題】座屈強度に優れたコルゲートH形鋼とその製造方法、さらにはこの製造方法を実施する際に好適に用いることができるユニバーサル圧延機を提供する。
【解決手段】相補的に噛み合う凹部16及び凸部17を周方向に設けられた中央部18と中央部18の両側に位置する段差部19、19とを有する一対の水平ロール14a 、14b を備えるユニバーサル圧延機UR2 を用いて、段差部19、19で被圧延材7のフランジを幅方向に圧下するとともに、 中央部18でフランジとの接続部を含むウェブの全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工を行うことにより、ウェブおよびフランジを有し、熱間圧延により製造されるH形鋼であってフランジの端部の線が略直線をなすとともに、フランジとの接続部を含むウェブの全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工が施されたコルゲートH形鋼22を製造する。
【選択図】図6

Description

本発明は、 座屈強度に優れたコルゲートH形鋼とその製造方法、さらにはこの製造方法を実施する際に好適に用いることができるユニバーサル圧延機に関する。
橋梁や梁材等といった高い座屈強度が要求される部材には、一般的にH形鋼ではなくて角形鋼管が使用される。 H形鋼は、 角形鋼管に比較すると、安価ではあるものの座屈強度が低いことから、その適用は制約される。 そのため、H形鋼の座屈強度を高めるために、H形鋼のウェブにコルゲーションを有するコルゲートH形鋼が提案されている。
たとえば、 特許文献1には、 フランジとの付け根部の近傍のウェブ部は直線状であるが、 ウェブの幅方向の中央部にコルゲーション加工が施された溶接H形鋼に係る発明が開示されている。
また、 特許文献2には、 ウェブとフランジとの接続部がフランジ端部と略平行に伸びており、 接続部とその近傍を除くウェブの高さの全長に渡ってコルゲート加工を行ったフルウェブコルゲートH形鋼に係る発明が開示されている。
特開昭55−92452 号公報 特開平6−328152号公報
特許文献1及び2のいずれに記載された発明によって得られる座屈強度は、ウェブ部がストレートである一般的なH形鋼に比較すると高いものの、 角形鋼管に比較するといまだ充分なレベルにあるとはいい難い。
ここで、圧延によりH形鋼を製造する際に、フランジとウェブとの接続部を含めたウェブ高さの全長に渡って、 コルゲーション加工を施すことができれば、座屈強度を著しく高めることができる。 しかしながら、 接続部を含めたウェブ全長に渡ってコルゲーション加工を施すと、ウェブとともにフランジの端部が長手方向に波打って変形する問題が生じてしまう。図10は、ウェブ1とともにフランジ2、2の端部がいずれも長手方向に波打って変形したH形鋼3を示す説明図である。このため、これまでは、圧延によりH形鋼を製造する際に、接続部を含めたウェブの全長に渡ってコルゲーション加工を施すことは、技術的に不可能であると考えられてきた。
本発明の目的は、座屈強度に優れたコルゲートH形鋼とその製造方法、さらにはこの製造方法を実施する際に好適に用いることができるユニバーサル圧延機を提供することである。
本発明者は、 H形鋼のユニバーサル圧延機を用いた圧延を研究している過程で、 パスラインを変更すると、極めて容易にウェブ中心偏りが発生することを知見した。そして、 この知見に基づきユニバーサル圧延機の水平ロールによりフランジを幅方向に圧下しながら周期的にウェブを上下させると、フランジが長手方向に波打つ現象を防止しながら、 フランジとの接続部を含めたウェブ高さの全長にわたってコルゲーション加工を施すことが可能となることを知見し、さらに検討を重ねて、本発明を完成した。
本発明は、ウェブおよびフランジを有し、熱間圧延により製造されるH形鋼であって、フランジの端部の線が略直線をなすとともに、フランジとの接続部を含むウェブの全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工が施されることを特徴とするコルゲートH形鋼である。
また、本発明は、相補的に噛み合う凹部及び凸部を周方向に設けられた中央部とこの中央部の両側に位置する段差部とを有する一対の水平ロールを備えるユニバーサル圧延機を用いて、段差部で被圧延材のフランジを幅方向に圧下するとともに、 中央部でフランジとの接続部を含むウェブの全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工を行うことを特徴とするコルゲートH形鋼の製造方法である。
さらに、本発明は、相補的に噛み合う凹部及び凸部を周方向に設けられた中央部とこの中央部の両側に位置する段差部とを有する一対の水平ロールを備えることを特徴とするユニバーサル圧延機である。
本発明により、座屈強度に優れたコルゲートH形鋼とその製造方法、さらにはこの製造方法を実施する際に好適に用いることができるユニバーサル圧延機を提供することができる。
〈第1の実施の形態〉
以下、本発明にかかるコルゲートH形鋼、その製造方法及びユニバーサル圧延機の実施の形態を添付図面を参照しながら、詳細に説明する。
図1は、本実施の形態で用いる、コルゲートH形鋼を製造するための圧延機の配列を示す説明図である。
図1に示す圧延機の配列では、 図示しない加熱炉の下流に、 ブレークダウン圧延機BDと、 第1のユニバーサル圧延機UR1及びエッジャー圧延機Eから構成される中間圧延機群と、 第2のユニバーサル圧延機UR2と、第3のユニバーサル圧延機UFとが順次配置されている。なお、 エッジャー圧延機Eの代わりに第4のユニバーサル圧延機UEを用いるようにしてもよい。
以下、ブレークダウン圧延機BD、第1のユニバーサル圧延機UR1、エッジャー圧延機E、第2のユニバーサル圧延機UR2及び第3のユニバーサル圧延機UFについて順次説明する。
[ブレークダウン圧延機BD]
図2は、ブレークダウン圧延機BDで用いる上下の孔型ロール4a、4bの構成を示す説明図である。
このブレークダウン圧延機BDは、ボックス孔型K1と、2個のクローズ孔型K2、K3と、オープン孔型K4とを、ロール軸方向 (図2における左右方向) に並んで刻設された上下1対の孔型ロール4a、4bを備える。
ブレークダウン圧延機BDのこれ以外の構成は、慣用されるブレークダウン圧延機と同じであり、当業者には周知であるため、ブレークダウン圧延機BDの構成に関するこれ以上の説明は省略する。
[第1のユニバーサル圧延機UR1]
図3は、第1のユニバーサル圧延機UR1の水平ロール5a、5b及び垂直ロール6a、6bの形状と、被圧延材7の圧延時の状況とを示す説明図である。
図3に示すように、第1のユニバーサル圧延機UR1は、一対の水平ロール5a、5bと、一対の垂直ロール6a、6bとを備える公知のユニバーサル圧延機である。 なお、 図3における角度αは95°程度であり、 角度βは85°程度である。
このように、第1のユニバーサル圧延機UR1はこの種のユニバーサル圧延機として慣用されるものであり、当業者には周知であるため、第1のユニバーサル圧延機UR1の構成に関するこれ以上の説明は省略する。
[エッジャー圧延機E]
図4(a) は、エッジャー圧延機Eの上下の水平ロール8a、8bの形状と、被圧延材7の圧延時の状況を示す説明図であり、図4(b) は、水平ロール8a、8bの孔型9の形状を拡大して示す説明図である。
エッジャー圧延機Eは、 ロール軸方向の両端部に孔型9、9を有する上下1対の水平ロール8a、8bを備える。 エッジャー圧延機Eによる被圧延材7の圧延では、 孔型9、9により被圧延材7のフランジの先端を幅方向に圧下するとともに、 フランジ先端の外側コーナー部10の面取り加工が行われる。
エッジャー圧延機Eのこれ以外の構成は、慣用されるエッジャー圧延機と同じであり、当業者には周知であるため、エッジャー圧延機Eの構成に関するこれ以上の説明は省略する。
なお、上述したように、本実施の形態のエッジャー圧延機Eの代わりに第4のユニバーサル圧延機UEを用いることとしてもよい。
図5は、このような第4のユニバーサル圧延機UEの水平ロール11a 、11b と、垂直ロール12a 、12b の形状と、被圧延材7の圧延時の状況を示す説明図である。
この第4のユニバーサル圧延機UEは、 上下一対の水平ロール11a 、11b と、左右一対の垂直ロール12a 、12b とを有する。水平ロール11a 、11b は、 軸方向の両端部に孔型13、13を備える。
この第4のユニバーサル圧延機UEの圧延では、 孔型13、13により被圧延材7のフランジの先端を幅方向に圧下するとともに、 フランジの先端の外側コーナー部の面取り加工が行われる。
なお、水平ロール11a 、11b によるフランジの幅圧下の際には、 垂直ロール12a 、12b により被圧延材7のフランジを厚さ方向に拘束しておくことが、フランジ座屈の防止の観点から望ましい。
[第2のユニバーサル圧延機UR2]
図6(a) は、第2のユニバーサル圧延機UR2の水平ロール14a 、14b 及び垂直ロール15a 、15b の形状と、被圧延材7の圧延時の状況とを示す説明図であり、図6(b) は、上下の水平ロール14a 、14b の噛合い時の状況を示す説明図である。
図6(a) 及び図6(b) に示すように、第2のユニバーサル圧延機UR2における水平ロール14a 、14b は、相補的に噛み合う凹部16および凸部17を周方向に設けられた中央部18と、その両側に設けた段差部19、19を有する一対の水平ロール14a 、14b と、左右一対の垂直ロール15a 、15b とを備える。
水平ロール14a 、14b に形成される凹部16の深さ及び凸部17の高さと、凹部16および凸部17のピッチは、 最終製品であるコルゲートH形鋼に形成するコルゲートの深さ及びピッチに基づいて決定すればよい。
すなわち、この第2のユニバーサル圧延機UR2は、相補的に噛み合う凹部16及び凸部17を周方向に設けられた中央部18と、この中央部18の両側に位置する段差部19、19とを有する一対の水平ロールロール14a 、14b を、備えている。
[第3のユニバーサル圧延機UF]
図7は、第3のユニバーサル圧延機UFの水平ロール20a 、20b 及び垂直ロール21a 、21b の形状と、被圧延材7の圧延時の状況とを示す説明図である。
第3のユニバーサル圧延機UFは、 一対の水平ロール20a 、20b と、一対の垂直ロール21a 、21b とを備える公知のユニバーサル圧延機である。
第3のユニバーサル圧延機UFの水平ロール20a 、20b では、被圧延材7のウェブ部は庄下せず、 水平ロール20a 、20b の側面と垂直ロール21a 、21b とにより被圧延材7のフランジ厚さを一定にする。
本実施の形態で用いる、H形鋼を製造するための各圧延機BD、UR1、E、UR2及びUFは、以上のように配置される。次に、これらの圧延機BD、UR1、E、UR2及びUFを用いて、コルゲートH形鋼を圧延により製造する状況を説明する。
図1に示す圧延機BD、UR1、E、UR2及びUFの配列において、素材である連続鋳造ビレットが、図示しない加熱炉に装入されて所定の温度に加熱される。加熱された連続鋳造ビレットは、図1におけるブレークダウン圧延機BDに供給される。ブレークダウン圧延機BDでは、 連続鋳造ビレットを、図2に示すボックス孔型kl、 クローズ孔型k2、k3、 及びオープン孔型k4による複数パスにより、ドッグボーン状の粗鋼片に粗圧延する。
次いで、 この粗鋼片を図3及び図4にそれぞれ示す第1のユニバーサル圧延機UR1及びエッジャー圧延機Eから構成される中間圧延機群に供給する。
この中間圧延により、複数パスの往復庄延により粗鋼片を所定のウェブ厚さ、 フランジ厚さ及びフランジ幅を有する被圧延材に造形する。 すなわち、 第1のユニバーサル圧延機UR1による圧延では、 水平ロール5a、5bによるウェブ厚さの圧下と、 水平ロール5a、5bの側面と垂直ロール6a、6bとによるフランジ厚さの圧下とが行われる。また、 エッジャー圧延機Eによる圧延では、 フランジ幅の圧下とともに、 フランジ先端部の外側コーナ部10の面取り加工が行われる。例えば、 面取り量は、 1mm〜数mm程度である。
次いで、 所定の寸法に造形された被圧延材7を、第2のユニバーサル圧延機UR2に供給する。 第2のユニバーサル圧延機UR2の圧延では、 図6(a) 及び図6(b) に示すように、 水平ロール14a 、14b の中央部18の周方向に設けられた凹部16及び凸部17により、被圧延材7のウェブに長手方向へコルゲーション加工が施される。 その際、 水平ロール14a 、14b の段差部19、19で被圧延材7のフランジが幅方向に圧下され、 フランジ幅が縮小される。フランジの幅方向の圧下量は、片側で、 コルゲーションの片側の波高さの20〜70%程度とすることが望ましい。これにより、フランジ端部の長手方向の波打ちの発生が防止され、かつ、フランジ端部の噛み出しの発生が防止される。
水平ロール14a 、14b によるコルゲーション加工では、 水平ロール14a 、14b により被圧延材7のウェブに長手方向への引張り力が作用する。 この引張り力により、 ウェブ厚が減少する。 したがって、 このコルゲーション加工により、 ウェブ厚さを3.O mm以下にすることができる。 例えば、 第2のユニバーサル圧延機UR2に供給する被圧延材7のウェブ厚を3.O mmとすると、 コルゲーション加工によりウェブ周長を20%増大すれば、 ウェブ厚が2.5mm のコルゲートH形鋼を製造することができる。
このように、本実施の形態では、相補的に噛み合う凹部16及び凸部17を周方向に設けられた中央部18と、この中央部18の両側に位置する段差部19、19とを有する一対の水平ロール14a 、14b を備える第2のユニバーサル圧延機UR2を用いて、段差部19、19により被圧延材7のフランジを幅方向に圧下するとともに、 中央部18でフランジとの接続部を含むウェブの全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工を行う。
そして、第2のユニバーサル圧延機UR2によリコルゲーション加工を施された被圧延材7を、第3のユニバーサル圧延機UFに供給する。 図7に示すように、 第3のユニバーサル圧延機UFでは、 コルゲーション加工を施されたウェブを水平ロール20a 、20b に未接触の状態で、 垂直ロール21a 、21b と水平ロール20a 、20b の側面とによりフランジを厚さ方向に拘束し、 フランジの幅方向にフランジの厚さを均一とする圧延が行われ、 目標とするコルゲートH形鋼が得られる。
図8は、本実施の形態により製造されるコルゲートH形鋼の形状を示す説明図である。同図に示すように、本実施の形態により、フランジの端部の長手方向の波打ちの発生を完全に解消しながら、 ウェブとフランジとの接続部を含むウェブ高さの全長、 すなわちウェブ全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工を施されたコルゲートH形鋼22を製造することができる。
このコルゲートH形鋼22は、ウェブおよびフランジを有し、熱間圧延により製造されるH形鋼であって、フランジの端部22a 、22a の線が略直線をなすとともに、フランジとの接続部を含むウェブの全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工が施されている。
このように本実施の形態のコルゲートH形鋼22は接続部を含めたウェブ高さの全長にわたってコルゲーション加工が施されるため、 従来のコルゲートH形鋼に比較すると、その座屈強度が著しく高い。
また、 従来の熱間圧延によるコルゲートH形鋼では、 圧延機の剛性の制約からウェブ厚さが3mm以下であるものを圧延により製造することは困難であったが、 本実施の形態によれば、ウェブ高さの全長にわたってコルゲーション加工を行うことによりウェブ厚さが3mm以下であるコルゲートH形鋼22を製造することもできる。
このようにして、本実施の形態によれば、座屈強度に優れたコルゲートH形鋼22とその製造方法、さらにはこの製造方法を実施する際に好適に用いることができるユニバーサル圧延機UR2を提供できる。
〈第2の実施の形態〉
さらに、本発明の第2の実施の形態を説明する。なお、以降の説明では、上述した第1の実施の形態と相違する点を説明し、共通する部分は適宜重複する説明を省略する。
図9は、本実施の形態で用いる、H形鋼を製造するための圧延機の配列を示す説明図である。
図9に示すように、 この圧延配置列は、 ブレークダウン圧延機BDの下流側に6台のユニバーサル圧延機UR1、UR2、UR3、UR4、UR5及びUR6と、3台のエッジャー圧延機E1、E2及びE3と、1台のユニバーサル圧延機UFとが近接されて配列されている。
ブレークダウン圧延機BDは上述した図2に示す孔型ロール4a、4bを備える。また、5台のユニバーサル圧延機UR1〜UR5は、 図3に示す水平ロール5a、5bと垂直ロール6a、6bを備えた公知のユニバーサル圧延機であり、 ユニバーサル圧延機UR6は、 図6(a) 及び図6(b) に示すように相補的に噛み合う凹部16及び凸部17を周方向に設けた中央部18と、その両側に設けた段差部19、19とを有する一対の水平ロール5a、5bと一対の垂直ロール6a、6bとを備えるユニバーサル圧延機である。
また、3台のエッジャー圧延機E1、E2及びE3は、 図4(a) 及び図4(b) に示すように被圧延材7のフランジを幅方向に圧下することが可能な水平ロール8a、8bを備える。さらに、エッジャー圧延機E2では、 図5に示すように水平ロール11a 、11b にフランジ先端の外側コーナの面取り加工が可能な孔型13、13を備える。
さらに、ユニバーサル圧延機UFは、図7に示すように一対の水平ロール20a 、20b と一対の垂直ロール21a 、21b とを備える公知のユニバーサル圧延機である。
図9に示す圧延機の配置列による圧延では、 先ず、 素材がブレークダウン圧延機BDに供給され、 第1の実施の形態と同様に粗鋼片に圧延される。
次いで、 粗鋼片を各圧延機UR1、UR2、E1、 UR3、UR4、E2及びUR5に順次供給し、 所定のウェブ厚、フランジ厚及びフランジ幅を有する被圧延材7に圧延し、 次いで、 この被圧延材7を圧延機UR6に供給して、 フランジを幅方向に圧下しながらウェブにコルゲーション加工を施す。次いで、 ウェブにコルゲーション加工が施された被圧延材7をユニバーサル圧延機UFに供給して、 フランジ厚をフランジ幅方向に均一とする圧延を行い、 目標とするコルゲートH形鋼7が得られる。なお、 上記の圧延においては、 圧延機E3での圧延は空パスとされる。
本実施の形態によっても、第1の実施の形態と同様に、接続部を含めたウェブ高さの全長にわたってコルゲーション加工が施されるため、 従来のコルゲートH形鋼に比較すると、その座屈強度を著しく高められたコルゲートH形鋼を製造することができ、第1の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、本発明を実施例とともに詳細に説明する。
図1に示すように圧延機が配列されたことを想定した試験設備を用いて、 実際の寸法がH200×lOO ×2.5/3.0 mmで片側の波高さが10mm、 ピッチ60mmのコルゲーションを有するコルゲートH形鋼に相当する縮尺1/2.5 の鉛材からなるモデル素材の圧延を行った。以下の寸法は、 実際のコルゲートH形鋼の寸法に換算した数値である。
寸法が220 ×200mm の素材を所定温度に加熱した後、図2に示すブレークダウン圧延機BDによる7パスの往復圧延を行ってウェブ厚さが20mm、 フランジ厚さが40mm、 フランジ幅が126mm の粗鋼片に粗圧延した。表1にパススケジュールを示す。なお、表1では、転回有は材料を90°転回することを意味する。
Figure 2005028442
次いで、 粗鋼片を図3に示す圧延機UR1と図4に示す圧延機Eとから構成させる中間圧延機群により5パスの往復圧延を行って、ウェブ厚さが3mmでありフランジ厚さが3mmであるとともにフランジ幅が106mm である圧延材に中間圧延した。 表2にパススケジュールを示す。
Figure 2005028442
ここで、 圧延機Eの圧延では、 孔型ロールによリフランジの先端の外側コーナに対し、 1C程度に相当する面取り加工を行った。
次いで、 被圧延材7を図6(a) に示す圧延機UR2に供給し、 1パスの圧延を行った。この圧延では、被圧延材7のフランジの端部を水平ロール14a 、14b の段差部19、19により幅方向に圧下するとともに、垂直ロール15a 、15b と水平ロール14a 、14b の側面により被圧延材7のフランジを厚さ方向に拘束して、 上下の水平ロール14a 、14b によりウェブにコルゲーション加工を施した。 なお、フランジの幅方向の圧下量は片側で3mmとした。
その結果、 ウェブ厚さは2.5mm まで減肉され、 フランジの端部の線が略直線であって、 ウェブとフランジとの接続部を含むウェブ全幅にわたって、 長手方向へのコルゲーション加工を施すことができた。なお、 フランジの先端部の厚さは、 フランジの幅方向への圧下により3.Omm 以上となった。
次いで、 被圧延材7を図7に示す圧延機UFで1パスの圧延により製品に仕上げた。 圧延機UFの圧延では、 ウェブのコルゲーション部を圧下することなく、 フランジを目標とする厚さ3.0mm に圧下した。 この圧延により目標とする寸法のコルゲーション加工を施されたコルゲートH形鋼を製造することができた。
比較のため、 図1に示すように圧延機が配列されたことを想定した試験設備を用いて、 圧延機UR2の水平ロール14a 、14b によりフランジの幅を非拘束としたこと以外は、 上述した実施例と同じ条件でモデル試験を行った。しかし、この方法により得られたコルゲートH形鋼は、図10に示すように、 ウェブとともに、 フランジが長手方向に波打つ形状となり、 目標とするコルゲートH形鋼が得られなかった。
第1の実施の形態で用いる、コルゲートH形鋼を製造するための圧延機の配列を示す説明図である。 ブレークダウン圧延機で用いる上下の孔型ロールの構成を示す説明図である。 第1のユニバーサル圧延機の水平ロール及び垂直ロールの形状と、被圧延材の圧延時の状況とを示す説明図である。 図4(a) は、エッジャー圧延機の上下の水平ロールの形状と、被圧延材の圧延時の状況を示す説明図であり、図4(b) は、水平ロールの孔型の形状を拡大して示す説明図である。 第4のユニバーサル圧延機の水平ロールと、垂直ロールの形状と、被圧延材の圧延時の状況を示す説明図である。 図6(a) は、第2のユニバーサル圧延機の水平ロール及び垂直ロールの形状と、被圧延材の圧延時の状況とを示す説明図であり、図6(b) は、上下の水平ロールの噛合い時の状況を示す説明図である。 第3のユニバーサル圧延機の水平ロール及び垂直ロールの形状と、被圧延材の圧延時の状況とを示す説明図である。 第1の実施の形態により製造されるコルゲートH形鋼の形状を示す説明図である。 第2の実施の形態で用いる、H形鋼を製造するための圧延機の配列を示す説明図である。 ウェブとともにフランジの端部がいずれも長手方向に波打って変形したH形鋼を示す説明図である。
符号の説明
7 被圧延材
14a 、14b 水平ロール
16 凹部
17 凸部
18 中央部
19 段差部
22 コルゲートH形鋼
UR2 ユニバーサル圧延機

Claims (3)

  1. ウェブおよびフランジを有し、熱間圧延により製造されるH形鋼であって、前記フランジの端部の線が略直線をなすとともに、前記フランジとの接続部を含む該ウェブの全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工が施されることを特徴とするコルゲートH形鋼。
  2. 相補的に噛み合う凹部及び凸部を周方向に設けられた中央部と該中央部の両側に位置する段差部とを有する一対の水平ロールを備えるユニバーサル圧延機を用いて、前記段差部で被圧延材のフランジを幅方向に圧下するとともに、 前記中央部で前記フランジとの接続部を含む前記ウェブの全幅にわたって長手方向へのコルゲーション加工を行うことを特徴とするコルゲートH形鋼の製造方法。
  3. 相補的に噛み合う凹部及び凸部を周方向に設けられた中央部と該中央部の両側に位置する段差部とを有する一対の水平ロールを備えることを特徴とするユニバーサル圧延機。
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