JP6642784B1 - ハット形鋼矢板の製造方法 - Google Patents

Abstract

矩形断面形状の素材（スラブ）を用いて大型のハット形鋼矢板を製造する場合に、粗造形段階で生じる腕部での肉量不足を抑制させ、良好な形状のハット形鋼矢板製品を製造する。矩形断面素材を圧下してハット形鋼矢板を製造する製造方法であって、前記矩形断面素材に対し幅方向に圧下を行うエッジング圧延と、当該エッジング圧延後の被圧延材の断面を略ハット形断面形状とする圧下を行う第１成形圧延と、を備え、前記エッジング圧延においては、前記矩形断面素材の厚みＴ１より大きな孔型底幅Ｔ３を有する拘束孔型であるエッジング孔型を用いて被圧延材の幅方向端部を増厚させドッグボーン形状とする圧下が行われる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１８年８月８日に日本国に出願された特願２０１８−１４９３２５号に基づき、優先権を主張し、その内容をここに援用する。

本発明は、矩形断面素材からハット形鋼矢板を製造する製造方法に関する。

従来より、ハット形、Ｕ形等の両端に継手を有する鋼矢板の製造は孔型圧延法によって行われている。この孔型圧延法の一般的な工程としては、先ず加熱炉において所定の温度に加熱した素材を、孔型を備えた粗圧延機、中間圧延機及び仕上圧延機によって順に圧延することが知られている。

上述した一般的な孔型圧延法によれば、現状、国内で製造されている鋼矢板製品については、矩形断面の素材から製造することが可能である。具体的には、例えば壁幅１ｍ当たりの断面二次モーメントが１．０（１０^４ｃｍ^４／ｍ）であり１０Ｈ製品と呼ばれるハット形鋼矢板製品や、壁幅１ｍ当たりの断面二次モーメントが２．５（１０^４ｃｍ^４／ｍ）であり２５Ｈ製品と呼ばれるハット形鋼矢板製品は、従来より知られる一般的な孔型圧延法にて製造される。

矩形断面素材やそれに類似した素材から鋼矢板を製造する技術として、種々の技術が創案されている。例えば、特許文献１には、Ｈ形鋼用のビームブランク素材を用いてＵ形鋼矢板を製造する技術が開示されている。また、例えば、特許文献２には、矩形スラブを素材として用い、当該素材をボックス孔型により好適な形状（所定の幅および厚み）とすることで次工程での噛み込みを安定化させるといった技術が開示されている。また、例えば、特許文献３には、矩形スラブを素材として用い、当該素材に対し、異形ボックス孔型を用いることで孔型拘束力を高め、噛み出し防止やセンタリング性向上等を図る技術が開示されている。

また、例えば、特許文献４には、有効幅の広い鋼矢板を製造するにあたり、鋼矢板の継手に突条を形成させるため、スラブ表面に局所膨らみを形成させるような幅圧下を行う技術が開示されている。また、例えば、特許文献５には、鋼矢板の製造において、被圧延材の端部での形状不良を抑制するような技術が開示されている。

特開平１０−１９２９０５号公報 特開平９−１８２９０１号公報 特開平１０−１１３７０７号公報 特開２００５−１４４４９７号公報 国際公開公報ＷＯ２０１８／１３９５２１Ａ１

近年、建築構造物の大型化や海洋構造物への利用に伴い、従来に比べ大型のハット形鋼矢板製品の製造が求められており、特に、全幅及び高さを従来に比べ大型化した製品が望まれている。本発明者らの検討によれば、矩形断面素材（以下、スラブとも呼称）からそのような大型のハット形鋼矢板を製造する場合には、種々の問題点があることが分かっている。

例えば、大型のハット形鋼矢板を製造する場合には、矩形断面素材も大型化させる必要があり、そのような大型の矩形断面素材を成形する際には、素材の大型化に起因し、被圧延材の断面の一部において肉量不足等の問題が生じ、所望の形状の製品が製造できない恐れがある。具体的には、曲げ変形時の変形量が大きくなることや、曲げ変形の起点となる曲げモーメントアームが拡大し、せん断変形よりも曲げ変形が優勢となることで、被圧延材の断面の一部に肉量不足（メタル不足）が生じる恐れがある。特に、矩形断面素材の端面部のメタルが中央部に引き込まれ、後にハット形鋼矢板の腕部となる部分のメタルが不足してしまう恐れがある。
なお、本明細書における「大型のハット形鋼矢板」とは、例えば、有効幅９００ｍｍ、有効高さ３００ｍｍの製品寸法（いわゆる２５Ｈ製品）を超える寸法の鋼矢板製品を指す。

このような問題点に関し、上記特許文献１に記載の技術では、腕部を有さないＵ形鋼矢板を対象としており、ドッグボーン形状の増厚された部分をフランジ部に変形させるといった構成を採っているため、腕部となる部分のメタル不足については何ら言及されていない。また、上記特許文献１に記載の技術では、そもそも、矩形断面形状の素材（スラブ）を用いて鋼矢板を製造するといった技術思想を採っておらず、上記のような矩形断面素材の端面部の肉量不足といった問題が発生する余地は無かった。

また、上記特許文献２に記載の技術では、被圧延材を上ロールの形状に合わせこむような造形を行い、孔型での噛み込み安定化を図っているが、腕部を有しないＵ形鋼矢板の製造に係る技術であるため、噛み込み時における上記のような矩形断面素材の端面部の肉量不足といった問題は言及されておらず、示唆すらされていない。

また、上記特許文献３に記載の技術では、ボックス孔型における孔型接触を面接触とし拘束力を高め、センタリング性の向上といった圧延安定性の向上を指向している。但し、この特許文献３においても、矩形断面素材の端面部の肉量不足といった問題は言及されていない。

また、上記特許文献４に記載の技術では、有効幅の広い鋼矢板を製造するにあたり、鋼矢板の継手に突条を形成させるため、スラブ表面に局所膨らみを形成させるような幅圧下を行う旨が開示されている。しかしながら、この特許文献４の技術は、突条の形成を目的とするものであり、上記のような矩形断面素材の端面部の肉量不足といった問題は言及されておらず、示唆すらされていない。

また、上記特許文献５に記載の技術では、鋼矢板の製造における粗圧延工程で噛み込み端部の形状不良を抑制させ、生産性を向上させる技術が開示されている。特許文献５では、エッジング圧延におけるスラブのバルジング変形について言及されているが、当該バルジング変形は噛み込み端部での形状不良を促進させる要因であると説明されており、当然、矩形断面素材の端面部の肉量不足に関する問題やその解決手段については何ら言及されていない。

上記事情に鑑み、本発明の目的は、矩形断面形状の素材（スラブ）を用いて大型のハット形鋼矢板を製造する場合に、粗造形段階で生じる腕部での肉量不足を抑制させ、良好な形状のハット形鋼矢板製品を製造することが可能な技術を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明によれば、矩形断面素材を圧下してハット形鋼矢板を製造する製造方法であって、前記矩形断面素材に対し幅方向に圧下を行うエッジング圧延と、当該エッジング圧延後の被圧延材の断面を略ハット形断面形状とする圧下を行う第１成形圧延と、を備え、前記エッジング圧延においては、前記矩形断面素材の厚みＴ１より大きな孔型底幅Ｔ３を有する拘束孔型であるエッジング孔型を用いて被圧延材の幅方向端部を増厚させドッグボーン形状とする圧下が行われることを特徴とする、ハット形鋼矢板の製造方法が提供される。

前記エッジング圧延では、前記矩形断面素材の幅方向において増厚させる範囲Ｗａを、前記第１成形圧延での被圧延材の腕に対応する部分の幅Ｗｂの一部又は全部に対応する範囲としても良い。

前記エッジング圧延では、前記矩形断面素材の幅方向において増厚させる範囲Ｗａは、厚みが前記エッジング孔型の孔型底幅Ｔ３よりも厚い部分で規定され、前記矩形断面素材の幅方向において増厚させる範囲Ｗａと、前記第１成形圧延での被圧延材の腕に対応する部分の幅Ｗｂとの関係はＷａ≦Ｗｂを満たしても良い。

本発明によれば、矩形断面形状の素材（スラブ）を用いて大型のハット形鋼矢板を製造する場合に、粗造形段階で生じる腕部での肉量不足を抑制させ、良好な形状のハット形鋼矢板製品を製造することができる。

本発明の実施の形態にかかる圧延ラインの概略説明図である。 第１孔型の孔型形状についての概略的な説明図である。 第２孔型の孔型形状についての概略的な説明図である。 第３孔型の孔型形状についての概略的な説明図である。 第４孔型の孔型形状についての概略的な説明図である。 第５孔型の孔型形状についての概略的な説明図である。 第６孔型の孔型形状についての概略的な説明図である。 第２孔型（第１成形孔型）における素材に対する押し下げ高さＨと曲げ変形モーメントアームＬを示す概略説明図である。 第２孔型（第１成形孔型）における素材の圧下の様子を示す概略説明図である。 図９の一部拡大図である。 第２孔型（第１成形孔型）における素材の圧延造形を複数パスで行った場合の、素材の上面全幅ｔ１と、全幅最大ｔ２の変化をＦＥＭ解析により数値化したグラフである。 素材に対しエッジング圧延を行い幅方向端部の増厚を行った場合の概略図である。 本発明に係るエッジング圧延時の素材幅方向端部の増厚を施した場合の第２孔型（第１成形孔型）での圧延造形時断面と、従来の矩形断面のままの素材の第２孔型（第１成形孔型）での圧延造形時断面を比較した概略説明図である。 第２孔型（第１成形孔型）での圧延造形完了時の被圧延材断面形状を比較する概略図である。 第２孔型（第１成形孔型）の幅よりも広幅なスラブに対しエッジング圧延を行い素材幅方向端部の増厚を施した後に、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における素材の圧延造形を複数パスで行った場合の、素材の上面全幅ｔ１と、全幅最大ｔ２の変化をＦＥＭ解析により数値化したグラフである。 噛み出しに関する説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。なお、本実施の形態では鋼矢板製品の製造に関し、ハット形鋼矢板を上開きの状態（いわゆるＵ字姿勢）で圧延造形する場合を図示して説明する。

また、本実施の形態では、説明の都合上、矩形断面を有する材料（いわゆるスラブ）を素材Ｂと呼称し、素材Ｂを圧下して略ハット形断面形状とした被圧延材を被圧延材Ａと呼称する。即ち、略ハット形断面形状にて圧延ラインＳ上を通材される鋼材を総称して被圧延材Ａと呼称し、また、被圧延材Ａの各部位については以下に記述する別途異なる呼称にて記載するものとする。ここで、本明細書では、矩形断面の素材Ｂにおいて、当該矩形断面の長辺方向を幅方向とし、短辺方向を厚み方向とする。また、被圧延材Ａはハット形鋼矢板製品のウェブに対応するウェブ対応部３と、ウェブ対応部３の両端部それぞれに接続されるフランジ対応部４、５と、フランジ対応部４、５のそれぞれの先端に形成される腕対応部６、７と、腕対応部６、７の先端に形成される継手対応部８、９から構成されている。

（製造ラインの概略）
図１は、本発明の実施の形態にかかる圧延設備であるハット形鋼矢板を製造する圧延ラインＳと、圧延ラインＳに備えられる圧延機についての説明図である。図１に示すように、圧延ラインＳには、粗圧延機（ＢＤ）１１、中間圧延機（Ｒ）１２、仕上圧延機（Ｆ）１４が順に配置されている。圧延ラインＳは複数のラインＳ１〜Ｓ３によって構成されており、ラインＳ１とラインＳ２が隣接し、ラインＳ２とラインＳ３が隣接している。それぞれのラインＳ１〜Ｓ３は、互いの一部が重なるようにして直列的に連結しており、被圧延材ＡはＳ１からＳ２、あるいはＳ２からＳ３に、その幅方向に平行移動して圧延ラインＳを進む構成となっている。

また、図１に示すように、ラインＳ１には粗圧延機１１が配置され、ラインＳ２には中間圧延機１２が配置され、ラインＳ３には仕上圧延機１４が配置されている。各ラインＳ１〜Ｓ３にはそれぞれ別の被圧延材Ａを載せて圧延を行うことが可能であり、圧延ラインＳ上において複数の被圧延材Ａの圧延を同時に並行して実施することが可能な構成となっている。

図１に示す圧延ラインＳにおいては、図示しない加熱炉において加熱された矩形断面形状の素材（素材Ｂ、後の被圧延材Ａ）が粗圧延機１１〜仕上圧延機１４において順次圧延され、最終製品であるハット形鋼矢板となる。即ち、素材Ｂ（被圧延材Ａ）に対して粗圧延工程、中間圧延工程、仕上圧延工程をこの順に行うことで最終製品が製造される。

（各孔型構成の概略）
以下では、圧延ラインＳに配置される粗圧延機１１、中間圧延機１２、仕上圧延機１４（以下、粗圧延機１１〜仕上圧延機１４といったように複数の圧延機を略して記載する場合もある）に刻設される孔型の構成について、圧延ラインＳの上流から順を追って図面を参照して簡単に説明する。なお、上記粗圧延機１１、中間圧延機１２、仕上圧延機１４は、詳細な孔型の形状や構成を除き、従来から用いられている一般的な設備であるため、本明細書における以下の記述では孔型構成の説明に注視し、各圧延機の詳細な設備構成等についての説明は省略する。

また、図２〜図７を参照して以下に説明する孔型は、粗圧延機１１〜仕上圧延機１４の各圧延機に刻設されるものであるが、以下に説明する各孔型をどの圧延機に刻設するかは、通常は生産性（能率・歩留）や作業性を考慮した上で、設備状況や製品寸法等の条件によって適宜変更可能なものである。そこで、本実施の形態ではこれらの孔型を第１孔型Ｋ１〜第６孔型Ｋ６と呼称し、それぞれの孔型は圧延ラインＳ上流側から順に刻設されていれば良いものとして説明する。なお、図３〜図９には、参考のためにそれぞれの孔型にて圧下・造形される素材Ｂ、被圧延材Ａの形状を一点鎖線にて図示している。

但し、以下に説明する本実施の形態に係る第１孔型Ｋ１〜第６孔型Ｋ６の構成は、図示の形態に限られるものではなく、例えば、各種孔型の修正孔型の増減配列については設備状況や製品寸法等の条件に応じて適宜変更可能である。なお、以下に説明する第１孔型Ｋ１〜第６孔型Ｋ６においては、被圧延材の圧延造形は各孔型共１パスでの造形が望ましいが、特に粗圧延工程では、噛み込み性や負荷特性の制約から、複数パスのリバース圧延（可逆圧延）にて行われても良く、そのパス数は圧延機特性等により任意に設定可能である。

図２は、第１孔型Ｋ１の孔型形状についての概略的な説明図である。図２に示すように、第１孔型Ｋ１は上孔型ロール２０ａと下孔型ロール２０ｂから構成されるボックス孔型であり、該ボックス孔型の孔底は所定のテーパー形状となっている。この第１孔型Ｋ１により、矩形断面形状の素材Ｂの幅方向端部の短辺部にテーパー形状を付与し、かつ長手方向均一な幅寸法にするために、図示しない矩形断面形状の素材Ｂを立てた状態（鋼矢板の幅方向を鉛直方向とした状態）で幅方向に軽く圧下（所謂エッジング圧延）が施される。ここでの軽圧下は、素材Ｂの鋳造時の寸法バラツキ等を修正する程度の圧下量で行われる。なお、矩形断面形状の素材Ｂの幅方向端部にテーパー形状を付与するのは、後述する第２孔型Ｋ２の孔型形状に好適に噛み込ませ、所望の圧下を安定して行うためである。即ち、ここでの「テーパー形状」とは、図示しない素材Ｂの幅方向端部に対し、軽圧下により緩勾配形状を付与することができるような孔型底面の形状を指す。この図２に示す第１孔型Ｋ１はいわゆるエッジング圧延を行う孔型であり、この第１孔型Ｋ１は「エッジング孔型」と呼称される。

また、図３は、第２孔型Ｋ２の孔型形状についての概略的な説明図である。図３に示すように、第２孔型Ｋ２は突起ロールとしての上孔型ロール３０ａと、溝ロールとしての下孔型ロール３０ｂから構成される。この第２孔型Ｋ２によって、上記第１孔型Ｋ１においてエッジング圧延された矩形断面形状の素材Ｂ（後の被圧延材Ａ）全体に対して圧下が行われる。ここで、上記第１孔型Ｋ１における圧下では素材Ｂを立てた状態とされるが、その後、素材Ｂは９０°あるいは２７０°回転させられ、第２孔型Ｋ２では素材Ｂの幅方向を水平方向とした状態（鋼矢板の幅方向を水平方向とした状態）で圧下が行われ、断面を矩形断面形状から略ハット形断面形状とする圧延造形が行われる。なお、本明細書では、この第２孔型Ｋ２を第１成形圧延を行う「第１成形孔型」とも呼称する。ここで略ハット形断面形状とは、素材Ｂにおいてウェブに対応する部分（ウェブ対応部３）、フランジに対応する部分（フランジ対応部４、５）、腕に対応する部分（腕対応部６、７）それぞれの境界が明確である程度に圧下された断面形状を言い、必ずしも継手形状等の細かな形状まで成形された断面形状を示すものではない。

上孔型ロール３０ａは、素材Ｂのウェブ対応部３の上面に対向するウェブ対向部３２と、フランジ対応部４、５の上面に対向するフランジ対向部３４、３５と、腕対応部６、７の上面に対向する腕対向部３７、３８から構成されている。
一方、下孔型ロール３０ｂは、素材Ｂのウェブ対応部３の下面に対向するウェブ対向部４２と、フランジ対応部４、５の下面に対向するフランジ対向部４４、４５と、腕対応部６、７の下面に対向する腕対向部４７、４８から構成されている。

また、図４は、第３孔型Ｋ３の孔型形状についての概略的な説明図である。図４に示すように、第３孔型Ｋ３は突起ロールとしての上孔型ロール５０ａと、溝ロールとしての下孔型ロール５０ｂから構成される。この第３孔型Ｋ３では、第２孔型Ｋ２において造形された被圧延材Ａに対し更なる圧下が加えられ、併せて継手形状が概略的に形成され、断面形状が略ハット形断面形状から継手部を形成した略ハット形断面形状となるような圧下が被圧延材Ａ全体に対して行われる。本明細書では、この第３孔型Ｋ３を第２成形圧延を行う「第２成形孔型」とも呼称する。

上孔型ロール５０ａは、被圧延材Ａのウェブ対応部３の上面に対向するウェブ対向部５２と、フランジ対応部４、５の上面に対向するフランジ対向部５４、５５と、腕対応部６、７の上面に対向する腕対向部５７、５８から構成されている。
また、下孔型ロール５０ｂは、被圧延材Ａのウェブ対応部３の下面に対向するウェブ対向部６２と、フランジ対応部４、５の下面に対向するフランジ対向部６４、６５と、腕対応部６、７の下面に対向する腕対向部６７、６８から構成されている。

図５は、第４孔型Ｋ４の孔型形状についての概略的な説明図である。図５に示すように、第４孔型Ｋ４は突起ロールとしての上孔型ロール７０ａと溝ロールとしての下孔型ロール７０ｂから構成される。この第４孔型Ｋ４によって継手形状の更なる成型が行われると共に、被圧延材Ａ全体に対して厚み圧下ならびに成形（厚み延伸圧延）が行われ、よりハット形鋼矢板製品に近い形状とされる。

図６は、第５孔型Ｋ５の孔型形状についての概略的な説明図である。図６に示すように、第５孔型Ｋ５は突起ロールとしての上孔型ロール１００ａと溝ロールとしての下孔型ロール１００ｂから構成される。この第５孔型Ｋ５では、板厚が最終製品相当まで圧下され、実質的な製品板厚を決定する圧延が行われる。また、継手対応部８、９の形状（以下、継手形状）に関しても、継手板厚を決定する圧延が行われ、これにより継手形状を含む最終製品形状がほぼ決定される。より詳細には、第５孔型Ｋ５では継手形状の板厚決定が行われ、後述の第６孔型Ｋ６では継手対応部８、９の曲げ成形が行われる。なお、第５孔型Ｋ５では、被圧延材Ａ全体の厚み圧下を積極的に行う第４孔型Ｋ４に比べ厚み圧下量は小さい。

図７は、第６孔型Ｋ６の孔型形状についての概略的な説明図である。図７に示すように、第６孔型Ｋ６は突起ロールとしての上孔型ロール１１０ａと溝ロールとしての下孔型ロール１１０ｂから構成され、この第６孔型Ｋ６では、被圧延材Ａの継手対応部８、９の曲げ成形と、軽圧下圧延による被圧延材Ａ全体の整形が行われる。具体的には、継手対応部８、９全体を製品の継手形状となるように曲げる継手成形が行われる。これにより、第６孔型Ｋ６では、ハット形鋼矢板製品の形状まで被圧延材Ａが成形されることとなる。

以上、図２〜図７を参照して第１孔型Ｋ１〜第６孔型Ｋ６の孔型形状とその機能について説明した。上述したように、ハット形鋼矢板の孔型圧延法は粗圧延工程、中間圧延工程、仕上圧延工程からなり、例えば第１孔型Ｋ１〜第５孔型Ｋ５までの孔型において粗圧延工程及び中間圧延工程が順次行われ、第６孔型Ｋ６において仕上圧延工程が行われる。ここで、第４孔型Ｋ４〜第６孔型Ｋ６の孔型形状はいずれも略ハット形断面形状であるが、後段の孔型へいくほど製品形状に近い形状にて刻設されている。即ち、最終工程である仕上圧延が行われる第６孔型Ｋ６の形状は、ハット形鋼矢板製品形状となる。

なお、本実施の形態では、圧延ラインＳには、粗圧延機（ＢＤ）１１、中間圧延機（Ｒ）１２、仕上圧延機（Ｆ）１４が順に配置されているものとしているが、上記第１孔型Ｋ１〜第６孔型Ｋ６は各圧延機に任意の構成にて分散して刻設される。一例としては、粗圧延機１１に第１孔型Ｋ１〜第３孔型Ｋ３が刻設され、中間圧延機１２に第４孔型Ｋ４及び第５孔型Ｋ５が刻設され、仕上圧延機１４に第６孔型Ｋ６が刻設されるといった構成が挙げられる。ただし、本発明における孔型構成はこのような構成に限定されるものではない。

（粗圧延工程における問題点）
本発明者らは、従来に比べ大型のハット形鋼矢板製品を矩形断面形状の素材Ｂから製造する際の粗圧延工程において、本実施の形態における第２孔型Ｋ２に相当する第１成形孔型での圧延造形に関し、以下に説明するような問題点があることを見出し、その問題点を解消するための技術について鋭意検討を行った。
なお、従来製造されていたハット形鋼矢板製品は、例えば有効幅９００ｍｍ×有効高さ３００ｍｍといったいわゆる２５Ｈ製品と呼ばれるサイズ以下の製品であった。これに対し、本発明者らは、大型ハット形鋼矢板製品として有効幅９００ｍｍ×有効高さ３００ｍｍを超えるようなサイズの製品の製造を指向している。このようなサイズの製品を製造する際には、以下に説明するような問題点は極めて顕著であり、解決すべき課題として重要である。

第１に、製品の大型化に伴い、最終製品の高さが拡大することから、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における圧延高さが拡大する。即ち、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形において、素材Ｂに対する押し下げ高さＨが拡大し、素材Ｂの曲げ変形量が大きくなる。
第２に、製品の大型化に伴い、最終製品の幅が拡大することから、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形における曲げ変形のモーメントアームＬが拡大する。このため、圧延造形時の変形が、せん断変形に対し曲げ変形が優勢であるような変形となる。

図８は、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における素材Ｂに対する押し下げ高さＨと曲げ変形モーメントアームＬを示す概略説明図である。図８に示す押し下げ高さＨとは、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）において、素材Ｂの形状を略ハット形断面形状とする圧延造形を行う場合に圧下する量を示しており、最終ハット形鋼矢板製品の高さが高くなるほど、この押し下げ高さＨも拡大するといった傾向がある。
また、図８に示す曲げ変形モーメントアームＬとは、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）において、素材Ｂの断面形状を矩形断面形状から略ハット形断面形状に成形する際に、フランジ相当部分を形成するために曲げ変形を行う際のモーメントアームであり、最終ハット形鋼矢板製品の幅が大きくなるほど、この曲げ変形モーメントアームＬも拡大するといった傾向がある。

図９は、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における素材Ｂの圧下の様子を示す概略説明図であり、圧下の様子を（ａ）〜（ｃ）と段階的に図示している。また、素材Ｂの断面は一点鎖線にて図示し、その一部拡大図（図９中の破線部）を図１０（ａ）〜（ｃ）に図示している。図９に示すように、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における圧延造形は主に３段階に分けて示すことができる。図９（ａ）〜（ｂ）に示すように、第１段階では、上孔型ロール３０ａの最大径の周面のみが接触した状態で成形が行われ、この第１段階は、素材のフランジに対応する部分Ｂ１の厚み圧下が始まる前段階である。この第１段階では、素材Ｂの厚み圧下はなく、即ち、素材Ｂを折れ曲げる成形のみが行われる。

図９（ｂ）に示すように、第２段階としては、上記第１段階終了後、素材のフランジに対応する部分Ｂ１の厚み圧下が開始されてから、素材の腕に対応する部分Ｂ２と素材のウェブに対応する部分Ｂ３の厚み圧下が始まる前段階までが示される。この第２段階では、腕に対応する部分Ｂ２の圧下前に、素材のフランジに対応する部分Ｂ１のみの厚み圧下が開始される。

図９（ｃ）に示すように、第３段階は、上記第２段階終了後、素材Ｂ全体（Ｂ１〜Ｂ３）の厚み圧下（全面圧下）が行われる段階を示している。

上述した第１段階〜第３段階に分けて行われる圧延造形において、第１段階では、素材Ｂを厚み圧下せずに折れ曲げる成形のみが行われ、その際には素材Ｂの中央部近傍（ウェブに対応する部分Ｂ３）に上孔型ロール３０ａの周面が接触し、素材Ｂのその他の上面部分には上孔型ロール３０ａの周面は接触しないような構成となっている。即ち、第１段階では、素材Ｂ全体が非拘束の状態で成形が行われ、その中央部近傍の上面が上孔型ロール３０ａによって下方に向かって押圧されることから、素材の腕に対応する部分Ｂ２から、フランジに対応する部分Ｂ１やウェブに対応する部分Ｂ３に向かって引き込み現象が起こる。これにより、素材の腕に対応する部分Ｂ２の肉量が減少し、当該箇所Ｂ２における肉量不足といった事象が見受けられる。これにより、図９（ｂ）に示すように、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の両端部近傍には空隙部１２１、１２２が生じることとなる。このような空隙部１２１、１２２は、図９（ｃ）に示す第３段階においても残存し、後段の圧延造形に悪影響を及ぼすことが分かっている。

図１１（ａ）は、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における素材Ｂの圧延造形を複数パスで行った場合の、素材Ｂの上面全幅ｔ１と、全幅最大ｔ２の変化をＦＥＭ解析により数値化したグラフである。また、図１１（ｂ）は「上面全幅」、「全幅最大」、「ウェブ隙」の説明図である。なお、図１１（ａ）に示すグラフは、断面寸法が１９３０ｍｍ×３００ｍｍであるスラブ素材を用い、以下に示す表１に記載のパススケジュールでもって第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形を行った場合のものである。ここで、図１１（ｂ）に示すように、圧延造形時の素材Ｂの「上面全幅ｔ１」は、上孔型ロール３０ａとの接触において決定される全幅の値、「全幅最大ｔ２」は、下孔型ロール３０ｂとの接触において決定される全幅の値として定義している。

前提として、上面全幅ｔ１と全幅最大ｔ２の数値に差がなく、常に一致していることが理想的な変形状態であるといえる。しかしながら、図１１（ａ）に示すように、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形パスの進行に伴い、特に上面全幅ｔ１が大きく変動しており、例えば最終パス（表１中の第１６パス）では端部から約５０ｍｍ程度の範囲において厚み不足が発生している。これは図９、１０を参照して上述したように、圧延造形（成形）に伴い腕に対応する部分Ｂ２の肉量が減少し、肉量不足となっていることに起因する。
また、表１に示すパススケジュールにおいては、特に、フランジに対応する部分Ｂ１の厚み圧下が開始されるまでのパス（第１〜第４パス）において変動幅（減少幅）が大きい。これは、第１パス〜第４パスにおいては、素材Ｂの厚み圧下がなく、せん断変形に加え、曲げ変形が起こっている段階であるからである。
一方で、表１に示すパススケジュールの第８パス以降においては、素材の腕に対応する部分Ｂ２の厚み圧下により幅拡がりが発生し、上面全幅ｔ１は増加に転じるが、最終パスにおいても肉量不足は完全に解消されずに第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形は終了している。

（問題点を解消するためのエッジング圧延とその作用効果）
以上、図９〜１１を参照して説明したように、大型のハット形鋼矢板製品を製造するに際し、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における圧延造形では腕に対応する部分Ｂ２の肉量不足が生じ、その結果、製品腕部における肉量不足に伴う製品形状不良を生じてしまう恐れがある。

そこで本発明者らは鋭意検討を行い、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の孔型幅よりも広幅の矩形断面素材（スラブ）を用い、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の前段階であるエッジング孔型（本実施の形態における第１孔型Ｋ１）で所定の条件下での圧延造形を行った後に、エッジング圧延造形後のドッグボーン形状の素材Ｂを第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）において圧延造形することで、腕に対応する部分Ｂ２の肉量不足を解消することができるとの知見を得た。以下、本知見について図面等を参照して説明する。
なお、本明細書における「ドッグボーン形状」とは、矩形断面と比して幅方向両側端部の厚みが幅方向中央部に対して厚い形状に変形した状態を指し、いわゆるダブルバルジング変形した矩形断面素材をいう。

図１２は、エッジング孔型において、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）よりも広幅な素材Ｂに対しエッジング圧延を行い、幅方向端部（図中の上下両端部）の増厚を行った場合の概略図である。図１２（ａ）はいわゆるダブルバルジング変形したドッグボーン形状の被圧延材（素材Ｂ）の断面を図示したものであり、図１２（ｂ）はその一部断面を拡大したものである。具体的には、図示のように、スラブ厚みがＴ１であり、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅より広幅の素材Ｂに対し、孔型底面の幅（孔型底幅）Ｔ３がスラブ厚みＴ１よりも大きいような（即ち、Ｔ１＜Ｔ３）拘束孔型をエッジング孔型として用いる。そして、このエッジング孔型において、素材Ｂの幅方向端部の最大厚みがＴ２となるようなエッジング圧延を施すことで、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での腕に対応する部分Ｂ２の肉量不足を抑制させることができる。ここで、図１２（ｂ）に示すように、エッジング圧延後の素材Ｂの最大厚みＴ２は、スラブ厚みＴ１、孔型底幅Ｔ３の両方よりも大きい値とされる（Ｔ１＜Ｔ３＜Ｔ２）。

また、素材Ｂの幅方向（図１２中の上下方向）において、スラブ厚Ｔ１よりも増厚させた範囲をＷａと定義すると、エッジング圧延により、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での腕に対応する部分Ｂ２の肉量不足を抑制させる一方で、肉量過多による孔型からのメタルはみ出し（いわゆる「噛み出し」）を防止するといった観点からは、上記範囲Ｗａは、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での素材の腕に対応する部分Ｂ２の幅Ｗｂ（図１３に図示）の一部又は全部に対応する範囲とすることが好ましい。即ち、Ｗａ≦Ｗｂとの関係を満たすことが好ましい。これは、図９、１０を参照して上述したように、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における圧延造形を３段階に分けて考えた場合に、第１段階において、素材の腕に対応する部分Ｂ２から、フランジに対応する部分Ｂ１やウェブに対応する部分Ｂ３に向かって引き込み現象が起こることが分かっており、特にこの第１段階で素材の腕に対応する部分Ｂ２の肉量が減少し、当該箇所Ｂ２における肉量不足といった事象が生じることが分かっていることに起因する。

なお、上記Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３といった値や、Ｗａ、Ｗｂといった範囲を測定あるいは規定する場合、第１孔型Ｋ１や第２孔型Ｋ２の孔型周面の、所定の曲率を有する各コーナー部において、当該コーナー部の両側部分に仮想線を引いた際の交点を基準に寸法の測定や規定を行えば良い。例えば図１２（ｂ）に示すように、エッジング孔型の孔型底幅Ｔ３を規定する場合や、増厚させる範囲Ｗａを測定する場合には、当該エッジング孔型の側面と底面の延長仮想線の交点であるＰ１を基準とすれば良い。

ここで、スラブ厚みがＴ１であり第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）より広幅の素材Ｂに対し、幅方向端部の最大厚みがＴ２（＞Ｔ１）となるようなエッジング圧延を施す場合に、Ｔ２とＴ１が所定の関係性を有することが好ましい。そのＴ２とＴ１の好適な関係性は、図１５を参照して後述する素材Ｂの上面全幅ｔ１と、全幅最大ｔ２の変化に基づき好適に定めることが望ましい。

図１３は、本発明に係るエッジング圧延時の素材幅方向端部の増厚を施した場合の第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形時断面と、従来の矩形断面のままの素材の第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形時断面を比較した概略説明図であり、（ａ）が本発明適用時の断面、（ｂ）が従来時の断面である。なお、この図１３は、素材のフランジに対応する部分Ｂ１の厚み圧下が始まる際の断面であり、（ａ）と（ｂ）は同じロール隙である状態を図示しており、説明の都合上、断面の一部のみを拡大している。

図１３（ｂ）に示すように、従来の第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の圧延造形では、フランジに対応する部分Ｂ１の圧下が開始した段階では腕に対応する部分Ｂ２の圧下は開始されていない。一方、図１３（ａ）に示すように、本発明適用時の第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の圧延造形では、フランジに対応する部分Ｂ１の圧下が開始した段階とほぼ同一のタイミングで腕に対応する部分Ｂ２の圧下が開始され、以後の変形において腕厚圧下により上面全幅ｔ１が増加に転じている。

図１４は、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形完了時の被圧延材断面形状を比較する概略図であり、ハッチング部分が本発明適用時の断面、破線で囲んだ箇所に示した実線が従来断面で肉量が不足している部分を示しており、特に被圧延材の腕に対応する部分Ｂ２近傍を拡大して図示している。図１４に示すように、本発明を適用し、エッジング圧延時に素材幅方向端部の増厚を施した後、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形を行うことで、腕に対応する部分Ｂ２の肉量不足が抑制・解消されていることが分かる（図１４の破線囲み部参照）。

また、図１５は、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅よりも広幅なスラブに対しエッジング圧延を行い素材幅方向端部の増厚を施した後に、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における素材Ｂの圧延造形を複数パスで行った場合の、素材Ｂの上面全幅ｔ１と、全幅最大ｔ２の変化をＦＥＭ解析により数値化したグラフである。なお、図１５には、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅よりも１００ｍｍ広幅なスラブ（即ち、２０３０ｍｍ×３００ｍｍ素材）に対してエッジング圧延を行った後に第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形を行った場合と、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅よりも５０ｍｍ広幅なスラブ（即ち、１９８０ｍｍ×３００ｍｍ素材）に対してエッジング圧延を行った後に第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形を行った場合のグラフを図示し、参考として本発明非適用（従来法）の場合のグラフ（図１１のグラフと同様）も併せて図示している。また、圧延造形のパススケジュールは上記表１に記載のパススケジュールである。

図１５に示すように、用いるスラブの幅を拡大し、エッジング圧延によるバルジングで腕に対応する部分を増厚した後に第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形を行った場合、腕に対応する部分が増厚したことで前段パス（例えば第１パス〜第５パス）ではメタルのフランジ側への引き込みを助長する変形となるが、図１３等を参照して上述したように、腕に対応する部分の圧下開始が早まるために後段パス（例えば第６パス以降）での上面全幅ｔ１の上昇（回復）が著しい傾向が読み取れる。特に、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅よりも１００ｍｍ広幅なスラブに対してエッジング圧延を行った後に第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での圧延造形を行った場合には、最終パスにおいて全幅最大ｔ２の値と一致した値まで上昇し、肉量不足の回復が実現されていることが分かる。

図１５には、全１６パスで圧延造形を行うスケジュールを記載しており（表１参照）、その最終パス（第１６パス）での理想的な変形状態は、上面全幅ｔ１と全幅最大ｔ２が一致するような変形である（図１４のハッチング部分参照）。
スラブ幅が過大であり、エッジング圧延時の圧下量が過剰である場合には、図１６のように、孔型からメタルがはみ出す、いわゆる「噛み出し」が発生し、製品疵といった欠陥に繋がる恐れがある（図１６中の破線部参照）。図１５に示した第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅よりも１００ｍｍ広幅なスラブを用いた条件では、最終パスにおいて全幅最大ｔ２＜上面全幅ｔ１となっていることから肉量が過剰である。一方で、図１５に示した第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅よりも５０ｍｍ広幅なスラブを用いた条件では、最終パスにおいて全幅最大ｔ２＞上面全幅ｔ１となっており、肉量不足となっている。このような検討結果から、理想的な変形状態を実現させるための適正スラブの寸法条件は、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅より５０ｍｍ超１００ｍｍ未満だけ広幅な条件であることが分かる。
なお、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅は最終のハット形鋼矢板製品の製品寸法（特に製品幅）に基づき算出すれば良く、例えば製品幅に継手部の厚み分と継手部の曲げ分を加えた幅長さとして定めても良い。

以上、図１２〜図１６を参照して説明したように、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）の幅よりも広幅なスラブに対しエッジング圧延を行い素材幅方向端部の増厚を施した後に第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における素材Ｂの圧延造形を行うといった方法を採ることで、大型のハット形鋼矢板製品を製造するに際し、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）における圧延造形で腕に対応する部分Ｂ２の肉量不足が生じ、その結果、製品腕部における肉量不足に伴う製品形状不良を生じてしまうといった問題が解消される。即ち、良好な形状のハット形鋼矢板製品を安定して製造することが可能となる。
その場合に、エッジング圧延において素材幅方向端部の増厚を施す際に、その増厚させる範囲Ｗａを、第２孔型Ｋ２（第１成形孔型）での素材の腕に対応する部分Ｂ２の幅Ｗｂよりも小さくすることが好ましい。Ｗａ≦Ｗｂとの関係を満たすことで、製品腕部における肉量不足を十分に解消できることが分かっている。

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

上記実施の形態においては、圧延機に刻設される孔型の構成として、粗圧延機１１に第１孔型Ｋ１〜第３孔型Ｋ３が刻設され、中間圧延機１２に第４孔型Ｋ４及び第５孔型Ｋ５が刻設され、仕上圧延機１４に第６孔型Ｋ６が刻設されるといった構成を挙げたが、本発明における各圧延機での孔型の刻設は任意に定めることができる。

本発明は、矩形断面素材からハット形鋼矢板を製造する製造方法に適用できる。

３…ウェブ対応部
４、５…フランジ対応部
６、７…腕対応部
８、９…継手対応部
１１…粗圧延機
１２…中間圧延機
１４…仕上圧延機
３２、４２…（第２孔型の）ウェブ対向部
３４、３５、４４、４５…（第２孔型の）フランジ対向部
３７、３８、４７、４８…（第２孔型の）腕対向部
Ａ…被圧延材
Ｂ…素材
Ｋ１〜Ｋ６…第１孔型〜第６孔型
Ｓ（Ｓ１〜Ｓ３）…圧延ライン

Claims (3)

1. 矩形断面素材を圧下してハット形鋼矢板を製造する製造方法であって、
   前記矩形断面素材に対し幅方向に圧下を行うエッジング圧延と、
   当該エッジング圧延後の被圧延材の断面を略ハット形断面形状とする圧下を行う第１成形圧延と、を備え、
   前記エッジング圧延においては、前記矩形断面素材の厚みＴ１より大きな孔型底幅Ｔ３を有する拘束孔型であるエッジング孔型を用いて被圧延材の幅方向端部を増厚させドッグボーン形状とする圧下が行われることを特徴とする、ハット形鋼矢板の製造方法。
2. 前記エッジング圧延では、前記矩形断面素材の幅方向において増厚させる範囲Ｗａを、前記第１成形圧延での被圧延材の腕に対応する部分の幅Ｗｂの一部又は全部に対応する範囲とすることを特徴とする、請求項１に記載のハット形鋼矢板の製造方法。
3. 前記エッジング圧延では、前記矩形断面素材の幅方向において増厚させる範囲Ｗａは、厚みが前記エッジング孔型の孔型底幅Ｔ３よりも厚い部分で規定され、
   前記矩形断面素材の幅方向において増厚させる範囲Ｗａと、前記第１成形圧延での被圧延材の腕に対応する部分の幅Ｗｂとの関係はＷａ≦Ｗｂを満たすことを特徴とする、請求項２に記載のハット形鋼矢板の製造方法。

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