JP2607786B2 - 薄肉ウェブｈ形鋼の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄肉ウェブＨ形鋼の熱間
圧延製造において、熱間圧延後の冷却中に発生するウェ
ブ波を高温浴への浸漬により防止する方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】周知のとおり、薄肉ウェブＨ形鋼は単位
長さ当りの重量に対して断面係数が大きく、経済性に優
れた形鋼であるが、圧延によって製造すると、圧延後の
冷却中にウェブ波が発生する。このため溶接製造による
ビルドアップＨ形鋼が溶接歪の問題やコストが高い等の
難点を持ちながらも、多用されてきた経緯がある。とこ
ろが、最近になって冷却波防止技術が開発され、圧延製
造された薄肉ウェブＨ形鋼が市場に供給されるようにな
ってきた。最近の一般的な冷却ウェブ波防止技術はフラ
ンジの強制冷却によっているため、焼入れによる材質の
悪化を生じることがあり、材質劣化を生じさせないよう
に強制冷却の程度を軽度にすると局部的に波が発生し、
良材の歩留りが悪化する問題がある。

【０００３】以下にウェブ波の発生機構および従来技術
について述べる。図５（ａ），（ｂ）は薄肉ウェブＨ形
鋼のウェブ波に関する説明図である。（ａ）に示すとお
り、ウェブ１、フランジ２ａ，２ｂを有する圧延Ｈ形鋼
１ａでは、フランジ厚Ｆｔに比しウェブ厚Ｗｔが小さ
く、さらにウェブ高さＷＨが大きい場合、（ｂ）に示す
ようにウェブ１にウェブ波３を生じることは前述のとお
りである。

【０００４】図６（ａ）は圧延終了後の放冷経過時間に
対するフランジ温度４とウェブ温度５、およびフランジ
とウェブの温度差６の推移を示し、（ｂ）は内部応力の
変化（圧縮を正、引張を負で示す）とウェブ波の発生メ
カニズムを模式的に示したもので、７はフランジ応力、
８はウェブの応力、９はウェブ降伏応力、１０はフラン
ジの引張側の降伏応力、また１１は従来サイズのウェブ
の座屈応力、１１’は薄肉ウェブＨ形鋼のウェブの座屈
応力を示す。ウェブの座屈応力が（ウェブ厚Ｗｔ／ウェ
ブ内幅Ｕ）² に比例することは周知である。而して、本
発明において薄肉ウェブＨ形鋼とはウェブ厚Ｗｔとウェ
ブ内幅Ｕの比Ｗｔ／Ｕが０．０１７以下のものを指し、
前記比Ｗｔ／Ｕが０．０１７以上であればウェブ波が発
生しにくく、０．０１７以下になるとウェブ波が発生す
ることが経験的に知られている。

【０００５】降伏応力は温度に依存するが、座屈応力も
温度依存性のあるヤング率に比例するのでやはり温度依
存性がある。

【０００６】放冷中の温度推移は断面各部位が不均一に
冷却されるため、変態開始の時間的ずれが生じ、その推
移状況は複雑である。大きな特徴としてフランジ温度４
がＡｒ₁ 変態を終了する時間Ａの近傍でフランジとウェ
ブの温度差６はピークを示し、その後漸減しつつ、フラ
ンジとウェブの温度は接近していく。内部応力はフラン
ジがＡｒ₁ 変態を終了する時間Ａの近傍においてはフラ
ンジの変態膨張をウェブが拘束するためフランジ応力７
は圧縮応力、ウェブ応力８は引張応力となる。

【０００７】フランジがＡｒ₁ 変態を終了したのちは、
フランジとウェブの温度差が小さくなるにしたがい、フ
ランジに引張、ウェブに圧縮の応力が蓄積していくが、
一般にウェブの断面積はフランジの断面積より小さいた
め、ウェブの圧縮応力はフランジの引張応力よりも絶対
値は大きくなる。

【０００８】従来サイズのように、ウェブの座屈応力１
１が大きいとウェブの圧縮応力はこの値に達することな
く、時間Ｂにおいて降伏応力に点イで達し、その後ほぼ
降伏応力に等しい値で推移する。

【０００９】常温Ｃの段階ではウェブとフランジはそれ
ぞれ点ロ、点ハで示す大きさの応力が残留応力となる。
ウェブ座屈応力が１１’のように小さい薄肉ウェブＨ形
鋼の場合、ウェブに蓄積する圧縮の応力８が、座屈応力
１１’に点ニで達するとウェブ波が発生し、その後の冷
却でウェブ波が増大していく。

【００１０】ウェブ波を防止する従来技術としては、本
出願人が先に提案した特開昭６０−２４８８１８号公報
技術や特開平１−２０５０２８号公報技術がある。前者
の手段はＨ形鋼を拘束しながらフランジを冷却する手段
であり、また、後者の方法は熱間仕上げ圧延後のＨ形鋼
のフランジを強制冷却する方法において、強制冷却中に
ウェブ波が発生しない水冷直後のフランジとウェブの温
度差の下限と、強制冷却後常温に至るまでのウェブの熱
応力がウェブの座屈応力以下となる水冷直後のフランジ
とウェブの温度差の上限の範囲内でフランジを強制冷却
する方法、あるいは強制冷却中にウェブ波が発生しない
水冷時間の上限と強制冷却後常温に至るまでのウェブの
熱応力がウェブの座屈応力以下となる水冷時間の下限の
範囲内でフランジを強制冷却する方法である。

【００１１】また、特開昭５８−３４１３０号公報の技
術は残留応力の軽減法提供したもので、目標とする残留
応力に対するフランジとウェブの温度差を求め、Ｈ形鋼
の残留応力をフランジおよびウェブの仕上げ圧延温度と
断面寸法との関数とする式で表し、この式より目標とす
る残留応力に対する仕上げ圧延温度を求め、この仕上げ
圧延温度になるようにフランジとウェブの温度を調整す
るものである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前記の特開昭６０−２
４８８１８号公報によれば、効果的にウェブ波が防止で
きるが、大規模な拘束設備が必要である問題と特に重度
の強制冷却を要するウェブ波の発生し易いサイズにおい
ては急冷による材質変化の問題がある。

【００１３】また特開平１−２０５０２８号公報の方法
も、ウェブ薄肉の程度が厳しいサイズではウェブ波防止
条件範囲が極めて狭くなって、水冷制御が困難になるう
え、厳しい水冷のため焼が入る問題がある。また特開昭
５８−３４１３０号公報の技術は残留応力の軽減を目的
としたものであるが、この方法をウェブ波防止に適用す
ると従来サイズの残留応力軽減を目的とする場合に比べ
て強度の水冷を必要とするため、仕上げ圧延温度が低く
なって温間加工になり、材質の劣化を生じる。

【００１４】本発明法は厳しい冷却制御を必要とせず、
このため上記従来法のごとき材質劣化を引き起こさない
新規な薄肉ウェブＨ形鋼の製造法を提供するものであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、薄肉ウ
ェブＨ形鋼の浸漬時のフランジ温度と浴温度との関係か
らウェブ波防止浸漬温度範囲を予め求めておき、熱間仕
上げ圧延後の該Ｈ形鋼のフランジ温度が前記温度範囲の
下限温度以上にあるとき、前記温度範囲の温度の浴に浸
漬し、該Ｈ形鋼の断面内温度がほぼ均一になった後、抽
出して空冷することを特徴とする薄肉ウェブＨ形鋼の製
造方法にある。図１（ａ），（ｂ）は圧延Ｈ形鋼の仕上
げ圧延後の通常空冷材と浴に浸漬した場合の温度と内部
応力推移を比較して示したものである。（ａ）は温度推
移を、（ｂ）は（ａ）の温度推移に基づく内部応力推移
を示したもので、横軸は異なる冷却法の比較を容易にす
るため時間の尺度としてフランジの温度を与えた。矢印
Ｄは仕上げ圧延を終了した時点を示す。ここで、本発明
におけるフランジ温度とは、フランジの断面部位におい
て最も温度の高いフランジ幅方向中央部の温度を、また
ウェブ温度とはウェブ部位において最も温度の低いウェ
ブ高さ方向の中央部の温度を代表して用いるものであ
る。

【００１６】図１（ａ）において、一点鎖線で示す直線
１２はフランジ温度であり、空冷、浴浸漬共通である。
破線１３は空冷する場合のウェブ温度、実線１４は圧延
後破線１３で空冷される途中の矢印Ｅの時点で浴に浸漬
し、矢印Ｆの時点で抽出する場合のウェブ温度を示す。
Ｆ時点の抽出時のフランジ温度１２とウェブ温度１４は
浴浸漬時Ｅ時点の不均一が解消されて、ほぼ浴温度に等
しい均一温度１５となる。本発明における均一温度とは
このように、Ｈ形鋼断面全体がほぼ浴の温度に等しい温
度となる意味で用いるものであり、実用的にはフランジ
温度とウェブ温度との差が２０℃以下であれば充分に均
一温度と見做すことができる。本発明者等が熱電対を用
いて浴浸漬中のフランジとウェブの温度推移を測定した
結果、フランジとウェブの温度差が２０℃以下のほぼ均
一温度になる時間は、梁に通常使用されるサイズのＨ形
鋼の場合、１〜２分程度であり浴浸漬が生産効率上で問
題とはならないことを確認している。

【００１７】図１（ｂ）において破線１６は空冷の場合
の応力推移で図６（ｂ）で述べたとおり、一点鎖線１７
で示す座屈応力に点Ｇで達し、ウェブ波が発生する。実
線１８はＥの時点で浴に浸漬し、Ｆの時点で抽出した場
合のウェブの応力推移で、浸漬中にフランジとウェブの
温度が均一になるにしたがい応力は圧縮側に変化する。
次いで、Ｆ時点で抽出すると、再びウェブの冷却が先行
して温度差を生じ、この段階でウェブ応力は一旦引張側
に変化するが、さらに冷却が進むと温度差は縮小し、常
温に至るが、この段階ではまた圧縮側に変化する。

【００１８】したがって、ウェブ波は本図のように浴浸
漬中のウェブ応力のピーク値Ｈと常温のウェブ応力Ｉが
ともに座屈応力以下となる条件を適用することにより防
止可能である。

【００１９】浴浸漬によるウェブ波防止効果を支配する
因子は浴温度、浸漬時Ｈ形鋼温度、浸漬時フランジとウ
ェブの温度差などである。図２は浴温度が異なる場合の
ウェブの応力推移の比較を示す図で、浸漬条件は図１と
同じとした。実線１９は浴温度が高い場合のウェブ応力
であり、Ｅ時点で浴に浸漬し、Ｆ’時点で抽出するまで
の間に蓄積される応力は低く、したがって座屈応力１６
に到達せず浴浸漬中にウェブ波が発生することはない
が、常温に至る途中のＪ点で座屈応力に達し、ウェブ波
が発生する。破線２０は浴温度が低い場合でＦ''時点で
抽出するまでに蓄積されるウェブ応力は大きくなり、浴
浸漬中に既に座屈応力に達し、ウェブ波が発生してしま
う。

【００２０】従って、浴温度は適正な温度範囲が存在す
る。図３は浴温度と浴浸漬時のフランジ温度を変えたと
きのウェブ波発生状況を調べた結果である。浸漬時の温
度は所定の温度になるまで待機することにより変えた。
調査したサイズは、圧延製造される薄肉ウェブＨ形鋼の
中でも、特にウェブ波の発生し易いＨ５５０×２００×
６／１６（ウェブ高さ×フランジ幅×ウェブ厚／フラン
ジ厚）とＨ５００×２００×６／１２であり、図３
（ａ），（ｂ）から浴に浸漬するときの温度と浴温度に
は斜線で示す適切な条件範囲が存在することが判る。本
発明ではこの条件範囲をウェブ波防止浸漬温度範囲と言
う。ところで、この適切な条件範囲は浸漬時温度、浴温
度いずれも広いので、操業条件に多少の変動があっても
容易にウェブ波防止可能である。とくに、浴浸漬時のフ
ランジ温度はＡｒ₁変態＋３０℃以上の温度であればサ
イズによらず、浴温度を前記適正温度範囲に設定するこ
とによりウェブ波が防止できることを確認した。因みに
本例における薄肉ウェブＨ形鋼のＡｒ₁ 変態点は６５０
℃である。本サイズにより、ウェブ厚／ウェブ内幅が大
きいザイズやフランジ厚／ウェブ厚の小さいサイズのよ
うにウェブ波防止が容易なサイズはこの適切な条件範囲
がさらに広く、一層容易にウェブ波が防止できる。

【００２１】したがって、多サイズを圧延製造する場合
の浴温度として、最もウェブ波が発生し易いサイズの適
正条件範囲を設定すれば、浸漬時の温度をウェブ波防止
するに十分な高温度とすればよく、サイズ毎の細かな条
件設定が不要なので実際の生産に適用が容易である。

【００２２】ここで取り上げたサイズは、現在圧延製造
される薄肉ウェブＨ形鋼の中でも、特にウェブ波の発生
し易いサイズであり、その他のサイズは本サイズの適正
条件範囲においてウェブ波防止が可能である。すなわ
ち、浴温度が６００〜７００℃、浸漬時フランジ温度の
下限をＡｒ₁ 変態点＋３０℃とすることにより、現在市
販されている薄肉ウェブＨ形鋼全サイズのウェブ波が防
止可能である。また、図示はしないが、浸漬時のフラン
ジとウェブの温度差をたとえば圧延中のフランジや水冷
やウェブの保温あるいは加熱によって予め縮小しておく
ことにより、浴温度や浸漬時の温度の適正範囲を拡大で
きる。しかし、前述のごとく、通常の圧延条件でも適正
範囲は広いので、ウェブ波防止のために、予備的な温度
差縮小を行うことの意義は小さい。ただし、一層ウェブ
波が発生し易く、適正条件範囲が狭いサイズを製造する
場合には、予備的な温度差縮小により操業の安定化を図
ることができる。

【００２３】また、本発明法は水冷のように低温の冷媒
を使用して強冷する場合に生じる強制冷却面の焼入れ組
織は、浴温度が高温であるため発生せず、安定した良材
質が得られる。

【００２４】次に本発明を実施する装置例を図４に示
す。図において２１は仕上げ圧延機、２２および２２’
はローラーテーブル、２３は注文長さに応じて被圧延材
を切断する熱間切断装置、２４は横送り用トランスファ
ーあるいはコンベヤーで浴浸漬の所定温度になるまでの
待機場所でもある。２５は浴槽であり、２６，２７は浴
から抽出後次工程へ搬送するためのトランスファーある
いはコンベヤーおよびローラーテーブルである。

【００２５】仕上げ圧延機２１で圧延を終了したＨ形鋼
を、熱間切断機２３で注文に応じた長さに切断したの
ち、浴２５の前面まで搬送して待機し、所定温度になっ
た時に浴２５に浸漬する。そして、ほぼ均一温度になっ
た段階で浴から抽出し、次工程へ搬送する。次工程には
たとえば塩浴を使用する場合には水洗あるいは湯洗の工
程を含む。

【００２６】ウェブ波防止のための浴の温度範囲は前述
したごとく広いので、浴の温度は例えば、６３０℃±３
０℃の粗い制御で十分である。また、浴は低温状態から
所定の温度まで上昇させるには、電気あるいはガスによ
る熱投入が必要であるが、一旦温度を上昇するとその後
はＨ形鋼の保有している熱により温度維持が可能であ
る。そして温度制御については、Ｈ形鋼の平均温度が浴
温度の狙い値に対して、浴から放散される熱量を補える
分だけ高い温度になるまで待機したのち、浸漬すれば可
能である。板厚が大きく仕上げ圧延後、浴浸漬までの時
間が長くなり、能率の低下を来すサイズに対しては、フ
ランジ温度を予備的に強制冷却することにより能率向上
が可能である。具体的には中間圧延段階でのフランジ水
冷や圧延終了後のフランジ水冷がある。この場合のフラ
ンジ水冷はこの手段でウェブ波を防止する必要がないた
めに軽度でよく、焼入れによる材質の変化は懸念する必
要はない。仮に焼が入っても浴浸漬により、テンパーさ
れて良材質を得ることができる。

【００２７】なお、熱間圧延材を浴に浸漬して焼入れ処
理を行う技術そのものは公知であり、軌条に適用する例
はある。しかしながら軌条の場合はウェブ波の発生は全
く問題とならず、本発明法の対象とする薄肉ウェブＨ形
鋼のウェブ波防止における浸漬時の鋼材の温度条件、浴
温度条件も異なっている。

【００２８】

【実施例】表１は実際に圧延された薄肉ウェブＨ形鋼を
本発明法と従来の仕上げ圧延後のフランジ水冷法を適用
したときのウェブ波防止効果と材質の比較を示したもの
である。サイズはＨ５５０×２００×６／１６、および
Ｈ５００×２００×６／１２であり、鋼種はＳＭ４９０
Ａである。

【００２９】

【表１】

【００３０】従来法では波防止が十分でない冷却条件に
おいても、仕上げ圧延後空冷したものに比べて、強度の
上昇、表層部の焼入れによる硬化と伸びの低下が顕著で
あり、さらにウェブ波防止された条件ではその程度が著
しい。しかし、本発明法によるウェブ波も無く、仕上げ
圧延後空冷したものと差のない良材質が得られた。な
お、本発明においては予備的にフランジ水冷やウェブ加
熱により浴浸漬時のＨ形鋼の温度を制御することによ
り、ウェブ波防止条件範囲を拡大したり、能率向上を図
ることも必要に応じて任意に実施できることは勿論であ
る。

【００３１】

【効果】本発明は従来の仕上げ圧延後のフランジ水冷法
や、目標残留応力に対する仕上げ圧延温度を実験式から
求めて温度制御を行う方法に比較して、温度制御範囲が
緩やかであり材質の劣化を招くことなく、また長さ方向
に局部的に波が発生して歩留りが悪化するという問題の
懸念なくウェブ波のない薄肉ウェブＨ形鋼を効率よく製
造可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明におけるフランジ温度を空冷時
および浴浸漬時のウェブとの温度推移を示すグラフ、
（ｂ）は本発明におけるフランジ温度とウェブの内部応
力の関係を示すグラフ

【図２】本発明における浴温度を変化した場合のフラン
ジ温度とウェブの内部応力の関係を示すグラフ

【図３】（ａ），（ｂ）は本発明におけるウェブ波防止
浸漬温度範囲を示すグラフ

【図４】本発明を実施する設備装置例を示す説明図

【図５】（ａ），（ｂ）はＨ形鋼のウェブ波を説明する
正面および側面略図

【図６】Ｈ形鋼の冷却過程における形鋼各部位の温度推
移と内部応力発生機構を示すグラフ

【符号の説明】

１ａ…Ｈ形鋼 １…ウェブ ２ａ，２ｂ…フランジ ３…ウェブ波 ２１…仕上げ圧延機 ２２，２２’…ロ
ーラーテーブル ２３…熱間切断機 ２４，２６，２７
…トランスファー ２５…浴槽

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−205028（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−93819（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−34130（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱間仕上げ圧延機の後方に高温浴槽を設
   けるとともに薄肉ウェブＨ形鋼の前記浴槽への浸漬時の
   フランジ温度と浴温度との関係からウェブ波防止浸漬温
   度範囲を予め求めておき、熱間仕上げ圧延後の該Ｈ形鋼
   のフランジ温度が前記温度範囲の下限温度以上にあると
   き、前記温度範囲の温度に保持された浴槽に浸漬し、該
   Ｈ形鋼の断面温度がほぼ均一になった後、抽出して空冷
   することを特徴とする薄肉ウェブＨ形鋼の製造方法。