JP2014014853A

JP2014014853A - 形鋼の曲り矯正方法

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Publication number: JP2014014853A
Application number: JP2012155247A
Authority: JP
Inventors: Yukio Takashima; 由紀雄高嶋; Ryota Yamauchi; 亮太山内; Kentaro Hirayama; 健太郎平山; Satoshi Seto; 聡瀬戸
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: JP6064398B2

Abstract

【課題】フランジを有する形鋼の曲りを効率良く矯正することのできる曲り矯正方法を提供する。
【解決手段】フランジを有する形鋼の曲り矯正方法であって、前記形鋼の曲り部の長手方向の残留応力の前記曲り部のフランジ幅方向の分布状況に応じて、前記曲り部のフランジ幅方向の圧下率が変化するように圧延することを特徴とする、形鋼の曲り矯正方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、端部にフランジを有する形鋼に生じた曲りを効率良く矯正するための形鋼の曲り矯正方法に関する。

Ｈ形鋼、Ｉ形鋼、Ｔ形鋼などのフランジを有する形鋼は、鋼板の溶接組立や熱間圧延で製造されているが、製造工程における加熱や冷却により、また、塑性変形が不均一になるために曲りや反りが発生し、まっすぐな形状の製品が得られない場合がある。例えば、ウェブ１２とウェブ１２の両側に位置するフランジ１１とからなるＨ形鋼においては、図１２（ｂ）に示されるように、Ｈ形鋼をＨ形の姿勢で見た場合に、左右方向及び上下方向に湾曲されることがある。本明細書においては、「曲り」とは、フランジ１１の厚さ方向への湾曲、すなわち、図１２（ａ）に示される湾曲δを意味し、「反り」とは、フランジ１１の幅方向への湾曲、すなわち、Ｈ姿勢における上下方向の湾曲を意味する。このような曲りや反りを除去し、まっすぐな形状の製品とするために、一般に製品出荷前に冷間矯正が行われている。

形鋼の矯正方法としては、一般的に、特許文献１に開示されるようなプレスを用いて曲げを付与する方法がある。しかしながら、プレスを用いた矯正方法では、曲りと反りの両方を矯正することができるものの、圧下する位置を曲りの状況に応じて選定してから適切な圧下力で矯正する必要があり、また複数回の圧下が必要な場合も多いため、矯正に要する時間が長くかかるという問題があった。

また、特許文献２に開示されるようなローラ矯正も公知である。ローラ矯正とは、上下に千鳥状に配置した複数のローラによる矯正方法であり、処理時間が短い上に様々な大きさの反りを同じロール間隔の設定でまっすぐにすることができる高能率な矯正方法であるが、左右の曲りに対しては矯正能力が低いという問題があった。
そこで、特許文献２では、水平ロールだけでなく堅ロールも設置したローラ矯正機による矯正方法が提案されているが、本発明者らの検討によれば、堅ロールを追加してもローラ矯正機の曲り矯正能力は十分でないことがわかった。

特許文献３では、フランジを圧延して延伸させることにより、曲りを効率よく矯正する方法が開示されている。この方法は、フランジをウェブとは反対側の面から押圧する外面ロールと、左右に張り出す右フランジ部および左フランジ部を有するフランジを外面ロールとの間でウェブ側の面から支持して左右のフランジそれぞれを挟圧する一対の矯正ロールとを用い、フランジ内外の対向するロールに所定の圧下力を加えてフランジを延伸させる曲り矯正方法である。このような圧延矯正方法は、成形された形鋼の局所的な曲りを矯正でき、また、形鋼を搬送しながらの矯正なので、処理効率の点でも有利である。

特許文献３で提案されている、曲がっている側のフランジ面をローラにより圧延することでフランジ面を延伸させて曲りを矯正する方法は、曲り矯正効果が高く処理能力の点においても優れている。特許文献３に開示される装置では、フランジ外面を押圧する外面ロールとフランジ内面を支持する左右ロールの矯正ロールのいずれも円筒形で平行に配置されることから、圧延されるフランジは幅中央の非圧延部を除いて幅方向のどの位置でも同じ板厚圧下率で圧延する方法がとられていた。一方、熱間圧延や溶接組立で製造されたＨ形鋼には、圧延または組立加工終了時のウェブとフランジの温度分布に応じて長手方向の残留応力が存在する。熱間圧延Ｈ形鋼の場合を例に取ると、長手方向の残留応力は一般にウェブ部に圧縮応力が残留し、フランジ部に引張応力が残留している。さらにフランジにおいては、例えばウェブ近傍となるフランジ幅中央部の引張残留応力が高く、フランジ先端に向かってなだらかに残留応力が低下するような分布を有することが多い。しかし、特許文献３の装置を用いた従来の曲り矯正では、形鋼のフランジの残留応力を考慮せずに、矯正を実施していた。

特開２００８−３００９０号公報特公平８−１７４０６９号公報特開２００２−２８２９４３号公報

上記のように、従来の装置を用いた曲り矯正では、形鋼のフランジの残留応力分布を考慮していないため、矯正前の残留応力分布を考慮した圧延条件で矯正を行うことによって曲り矯正効果をさらに向上させることができると考えられる。
したがって、本発明は、フランジを有する形鋼の曲り矯正方法として、矯正前の残留応力分布を考慮した圧延条件で矯正を行うことによって曲り矯正効果をさらに向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らは、以下の矯正方法を採用することが有効であることを見出した。本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）フランジを有する形鋼の曲りを該フランジを圧延することにより矯正する形鋼の曲り矯正方法であって、前記形鋼の曲り部の長手方向の残留応力の前記曲り部のフランジ幅方向の分布状況に応じて、前記曲り部のフランジ幅方向の圧下率が変化するように圧延することを特徴とする、形鋼の曲り矯正方法。
（２）製造加工後の曲り部の幅方向のフランジ幅方向の温度分布を用いて、前記長手方向の残留応力の前記フランジ幅方向の分布を算出し、前記算出された残留応力分布に応じて、前記曲り部の幅方向の圧下率が変化するように圧延することを特徴とする、上記（１）に記載の形鋼の曲り矯正方法。

（３）前記長手方向の残留応力が大きい部分ほど圧下率を大きくすることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の形鋼の曲り矯正方法。
（４）フランジを有する形鋼の曲りを該フランジを圧延することにより矯正する形鋼の曲り矯正方法であって、前記形鋼の曲り部の製造加工終了後のフランジ幅方向の温度分布状況に応じて、前記曲り部のフランジ幅方向の圧下率が変化するように圧延することを特徴とする、形鋼の曲り矯正方法。
（５）前記製造加工終了後の温度が高い部分ほど圧下率を大きくすることを特徴とする上記（４）に記載の形鋼の曲り矯正方法。

（６）前記形鋼が熱間圧延により製造されたものであることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の形鋼の曲り矯正方法。
（７）ロールの直径がロール軸方向において変化したロール外周面を有する矯正ロールにより圧延することによって、圧下率を変化させることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の形鋼の曲り矯正方法。

本発明によれば、形鋼のフランジを圧延する曲り矯正方法において、フランジの長手方向残留応力のフランジ幅方向分布に合わせてフランジ幅方向で圧下率を変化させて圧延矯正しているので、同じ圧延荷重によってもより大きな曲り矯正効果を得ることができる。

本発明の形鋼の矯正方法に用いる装置の一例を示す。熱間圧延Ｈ形鋼のフランジにおける圧延終了後の幅方向温度分布状況の例を示す。熱間圧延Ｈ形鋼のフランジにおける長手方向残留応力の幅方向の分布状況を示す。従来のフランジ圧延による曲り矯正法を実施した後の長手方向の残留応力の幅方向の分布状況を示す。本発明の曲り矯正方法を実施した後の長手方向残留応力の幅方向の分布状況を示す。熱間圧延Ｈ形鋼のフランジにおける圧延終了後の幅方向の温度分布状況の例を示す。熱間圧延Ｈ形鋼のフランジにおける長手方向残留応力の幅方向の分布状況を示す。従来のフランジ圧延による曲り矯正方法を実施した後の長手方向残留応力の幅方向の分布状況を示す。本発明の曲り矯正方法を実施した後の長手方向残留応力の幅方向の分布状況を示す。本発明の曲り矯正方法に使用するフランジ内面ロールの一例を示す。本発明の曲り矯正方法に使用するフランジ内面ロールの一例を示す。Ｈ形鋼の曲りを示す。

本発明者らは、フランジを有する形鋼の曲りを効率良く除去することができる新たな矯正方法を開発するため、鋭意検討を重ねた。以下に、本発明の形鋼の曲り矯正方法を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の形鋼の矯正方法に用いる装置の一例を示す模式図である。Ｈ形鋼１０の片側フランジ１１の外側に位置する外面ロール１０２と、内側に位置する２個の内面ロール１０１によってフランジ圧延が行われ、Ｈ形鋼の曲りが矯正される。本発明は、このような装置を用いる形鋼の曲り矯正において、矯正される形鋼のフランジ長手方向の残留応力の分布状況に応じて、被圧延部の圧下率を変化させて圧延することで、曲り矯正効果をより大きくするものである。

熱間圧延や溶接組立で製造される形鋼には、製造時の温度履歴に応じて、フランジ長手方向の残留応力がフランジ幅方向において異なる大きさで分布している。熱間圧延Ｈ形鋼を例として説明すると、圧延終了直後のフランジ温度がウェブ温度よりも高いため、フランジに引張残留応力が発生し、ウェブに圧縮残留応力が発生することが多い。さらに、フランジにおいては、図２に示すように、熱間圧延終了直後の温度はフランジ幅方向において中央部が高く、先端部が低いため、フランジ幅の中央部ほど引張残留応力が大きくなる場合が多い。このような場合のフランジ幅方向の位置と残留応力の関係を模式的に図３に示す。なお、本明細書において、引張方向の残留応力を正の値とする。

また、溶接組立で製造される形鋼の場合には、熱間圧延による場合と異なる長手方向残留応力分布を有するので、予め残留応力分布を調査する必要がある。形鋼の溶接を含む製造工程における熱履歴を調査することにより、残留応力分布を推定することができる。
従来は、曲り矯正のためにフランジを圧延する際の圧下率は、圧延される部分をできる限り均一にすることが望ましいとされていた。しかしながら、例えば、図３に示されるような初期の残留応力分布を有する形鋼を均一な圧下率で矯正圧延すると、圧延された部分には圧延後も図４に示されるような残留応力分布が残ることになる。

したがって、本発明の第一の実施態様においては、形鋼の曲り部の長手方向の残留応力の曲り部の幅方向の分布状況に応じて、曲り部の幅方向の圧下率が変化するように圧延する。例えば、フランジ幅方向に図３に示されるような残留応力分布を有する形鋼を曲り矯正する場合には、引張り残留応力が大きいフランジ幅中央部の圧下率を大きくし、フランジ幅先端部の圧下率を小さくする圧下率分布により圧延する。そうすると、引張残留応力が大きい部分がより多く延伸することになるので、図５に示されるように、圧延後の残留応力分布が図４の場合より均一となり、製品加工時の寸法安定性が向上する。また、高い引張残留応力が存在する部分はより延伸が生じやすいため、同じ圧延荷重で曲り矯正するとより大きな曲り変化が得られる。逆に、引張残留応力が大きい部分の圧下率を増やすことによって、ある曲り量を矯正する場合の圧延荷重を小さくすることが可能である。

また、熱間加工終了後のフランジ幅方向の残留応力分布は、製造加工終了後のフランジ幅方向の温度分布と相関関係にあるため、同温度分布に基づいてフランジ長手方向の残留応力のフランジ幅方向の分布を算出し、前記算出された残留応力分布に応じて、前記曲り部の幅方向の圧下率が変化するように圧延する。その際、上記と同様に、残留応力が大きい部分ほど圧化率が大きくなるように圧延することにより、圧延後の残留応力分布がより均一となり、製品加工時の寸法安定性が向上する。

本発明の第二の実施態様においては、形鋼の曲り部の製造加工終了後の幅方向の温度分布状況に応じて、前記曲り部の幅方向の圧下率が変化するように圧延する。例えば、製造加工終了後の温度が高い部分ほど圧下率が大きくなるように圧延を行う。
また、熱間圧延により製造されるＨ形鋼では、熱間圧延の途中や終了後にフランジを水冷することが行われている。この場合、冷却前においては、フランジ幅中央部の温度が高いため、フランジの温度分布の均一化を狙って高温部を重点的に冷却すると、図６に示されるように、冷却後は逆にフランジ幅中央部の温度がフランジ幅先端部の温度よりも低くなる場合がある。このような温度分布で圧延を終了した場合には、図７に示されるように、フランジ幅先端の引張残留応力がフランジ幅中央部の引張残留応力よりも大きい残留応力分布が生じる。このような残留応力分布を有する形鋼を均一な圧下率で圧延すると、図８に示されるように、圧延後の残留応力分布は初期の分布が残ったものとなるが、本発明の第二の実施態様に沿ってフランジ幅先端部の圧下率をフランジ幅中央部よりも大きくすると、図９に示されるように、圧延後の残留応力分布はより均一なものとなり、圧延荷重の減少効果も得られる。

なお、図１に示す形鋼の形鋼の曲り矯正装置では、フランジ中央部のウェブとの境界付近を圧延することができないため、この部分の残留応力を制御することができない。したがって、図１に示す装置の場合、被圧延部の圧下率を変化させる対象は、フランジの内面ロールが接触する範囲に限定される。
本発明の好ましい実施態様では、初期の残留応力が小さい部分ほど圧下率を小さくするため、図５や図９に示されるように、幅方向の残留応力がより均等になり、均一な圧下率を付与する場合よりも小さな荷重で同じフランジ延伸量を付与することができる。したがって、曲り矯正用のフランジ圧延機に必要とされる圧延荷重を小さくでき、圧延機の設備費用を低廉化することが可能である。また、曲り矯正で圧延された後の残留応力にばらつきが小さいので、Ｈ形鋼に切断や孔空けの加工をしても残留応力が原因の変形を抑制することができる。

また、フランジの幅方向に圧下率の異なる圧延を行う方法としては、ロールの直径をロール軸方向に変化させた外周面を有する内面ロールや外面ロールを使用して圧延する方法や、内面ロールのロール軸を傾斜させて圧延する方法などがある。図１０及び図１１には、内面ロールの直径をロール軸方向に変化させたロール断面形状の一例を示す。図１０は図３の残留応力分布を有するＨ形鋼の矯正に適した形状であり、ロール外周面１０１ａがフランジ先端側に位置する側に向かってロール直径が小さくなるようにロール断面を凸形状となっている。図１１は図７の残留応力分布を有するＨ形鋼の矯正に適した形状であり、ロール外周１０１ｂをロール断面が凹形状となるように形成している。

残留応力の分布が異なる形鋼を同じロールで曲り矯正する場合、ロール形状による方法とロール軸を傾斜させる方法の両方を同時に適用することもできる。なお、ロール外周の両端部は図１０及び図１１に示すような円弧状やテーパ状に成形し、圧延によってフランジ内面に段差が生じないようにすることが望ましい。
本発明に適用するロール形状は以上の例に限るものではなく、フランジの長さ方向残留応力分布に応じてフランジ幅方向の圧下率を変化させることができる形状であれば他の形状でもよい。例えば、ロール外周を曲線に加工することが困難な場合には、複数の直線を結んだロール外周形状でも同様の効果が得られる。

また、溶接組立で製造される形鋼の場合には、形鋼の溶接を含む製造工程における熱履歴を調査することにより推定した残留応力分布に基づき、引張残留応力が大きい部分の圧下率が大きくなるように圧延すればよい。
溶接組立で製造される形鋼の場合においても、上述の本発明の第二の実施態様のように、製造加工終了後の幅方向の温度分布状況に応じて、曲り部の幅方向の圧下率が変化するように圧延するようにしてもよい。

本発明の実施例として、図１に示す曲り矯正装置を用いて、ウェブ高さが６００ｍｍ、フランジ幅が３００ｍｍ、ウェブ厚が１６ｍｍ、フランジ厚が２２ｍｍの熱間圧延Ｈ形鋼に曲り矯正を施した。熱間圧延終了後のフランジ温度分布が図４に示すフランジ端部ほど低温の状態であったため、円筒形で直径が幅方向に均一なフランジ外面ロールと、図１０に示す片側に傾斜を設けたフランジ内面ロールを使用した。フランジ外面ロールの直径は４００ｍｍ、幅は５００ｍｍであった。また、フランジ内面ロールの幅は１５０ｍｍで、フランジ中央側の端部からロール幅の半分までを直径３００ｍｍとしてそこからフランジ先端側の端部に向かって凸形状の曲線部を設けた。ロール外周部の幅端部には半径１０ｍｍの円弧加工を施した。この円弧加工部と凸形状曲線部の接続部において、ロール直径が２９８ｍｍとなるようにロール直径に分布を持たせた。左右の内面ロールの間隔は、ウェブと接触しないように隙間を持たせたため、４０ｍｍであった。

長さ６ｍで初期曲りが１６ｍｍの上記断面寸法のＨ形鋼を、１３０ｔｏｎの圧延荷重で曲り矯正したところ、フランジ先端から５０ｍｍの部分にフランジ先端ほど圧下率が小さい圧下率分布が得られた。フランジ内面ロールの平坦部では圧下率が０．５％であり、フランジ先端の圧下率は０．２％であった。矯正後の曲り量は１ｍｍとなり、ほぼまっすぐなＨ形鋼が得られた。

一方、従来技術としてフランジ内面ロールを円筒形にして直径が均一なものを用いた。本発明の実施例と同じ断面寸法で、長さが６ｍ、初期曲りが１５ｍｍのＨ形鋼を同じく１３０ｔｏｎの圧延荷重で曲り矯正した。矯正で圧延された部分の圧下率はほぼ等しく、０．４％±０．１％の範囲であった。矯正後の曲り量は３ｍｍとなり、曲りの変化量が本発明の実施例よりも４ｍｍ小さかった。

同様に、長さ６ｍで曲り量がほぼ等しい上記断面寸法のＨ形鋼を２本ずつ５組用意し、圧延荷重を５０〜２００ｔｏｎの範囲で調整して矯正前後の曲り変化量を比較した。その結果、本発明の熱間圧延Ｈ形鋼の曲り矯正方法では、従来技術と同じ圧延荷重で約１．２倍の曲り変化量が得られ、従来技術に対して高い曲り矯正能力を有することが確認できた。

１０形鋼
１１フランジ
１０１フランジ内面ロール
１０１ａ凸曲線状フランジ内面ロール
１２ウェブ
１０２フランジ外面ロール
１０１ｂ凹曲線状フランジ内面ロール

Claims

フランジを有する形鋼の曲りを該フランジを圧延することにより矯正する形鋼の曲り矯正方法であって、前記形鋼の曲り部の長手方向の残留応力の前記曲り部のフランジ幅方向の分布状況に応じて、前記曲り部のフランジ幅方向の圧下率が変化するように圧延することを特徴とする、形鋼の曲り矯正方法。
製造加工後の曲り部の温度分布を用いて、前記長手方向の残留応力の前記フランジ幅方向の分布を算出し、前記算出された残留応力分布に応じて、前記曲り部のフランジ幅方向の圧下率が変化するように圧延することを特徴とする、請求項１に記載の形鋼の曲り矯正方法。
前記長手方向の残留応力が大きい部分ほど圧下率を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の形鋼の曲り矯正方法。
フランジを有する形鋼の曲りを該フランジを圧延することにより矯正する形鋼の曲り矯正方法であって、前記形鋼の曲り部の製造加工終了後のフランジ幅方向の温度分布状況に応じて、前記曲り部のフランジ幅方向の圧下率が変化するように圧延することを特徴とする、形鋼の曲り矯正方法。
前記製造加工終了後の温度が高い部分ほど圧下率を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の形鋼の曲り矯正方法。
前記形鋼が熱間圧延により製造されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の形鋼の曲り矯正方法。
ロールの直径がロール軸方向において変化したロール外周面を有する矯正ロールにより圧延することによって、圧下率を変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の形鋼の曲り矯正方法。