JP7285320B2 - 角部を増肉した、熱冷複合成形された正方形／長方形鋼管及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料加工技術の分野に関し、さらに、角部を増肉した、熱冷複合成形された正方形／長方形鋼管及びその製造方法に関する。

今日、人々は、ますます軽量化を求めている。正方形／長方形管は軽量化の発展を推進する担体であり、例えば、鋼構造における正方形／長方形管は、独自の構造特徴により、元のレンガコンクリート混合構造と比べて約８０％軽くすることができるとともに、その降伏強度が高く、曲げ断面係数が大きく、せん断中心と図心が重なり、ねじり抵抗性能がよく、同時施工が速い。正方形／長方形管は、Ｈ形鋼や丸管などの他の形の鋼と比べて、総合的な性能に優れており、最適な鋼構造の柱材である。

しかし、現段階で、使用されている正方形／長方形管に、従来の冷間曲げ成形工程が使用されるため、加工中に、二次加工硬化効果が現れ、特に、正方形／長方形管の角部に明らかに現れ、残留応力が非常に大きいとともに、角部の半径も非常に大きいが、厚さは薄くなるため、正方形／長方形管の使用が大きく制限され、高層ビルには、従来の冷間曲げによる正方形／長方形管を主要材料として使用できず、大フィレットも正方形／長方形管の溶接性能を弱める。

本発明は、従来の冷間曲げによる正方形／長方形鋼管の角部の欠陥を解決するために、角部を増肉した、熱冷複合成形された正方形／長方形鋼管及びその製造方法を提供する。従来のロール曲げ成形工程に熱間成形技術、即ち局所誘導加熱技術を導入した。高温で、材料の成形力を低下させ、材料の成形性能を向上させるだけでなく、加工硬化により生成される残留応力、及び発生可能なひび割れる現象を解消するとともに、熱冷複合成形された正方形／長方形鋼管の角部の輪郭は緻密であり、内外角の半径は小さく、角部の角度は９０°に近く、角部の増肉を伴う。

本発明の１つ目の目的は、角部を増肉した、熱冷複合成形された正方形／長方形鋼管を提供することである。

前記正方形／長方形鋼管の外角半径は、
ｔ≦６ｍｍである場合、０＜Ｒ＜２．０ｔであり、０＜Ｒ＜１．５ｔが好ましく、０＜Ｒ＜０．５ｔがより好ましく、
６＜ｔ≦１０ｍｍである場合、０＜Ｒ＜２．５ｔであり、０＜Ｒ＜２．０ｔが好ましく、０＜Ｒ＜０．７５ｔがより好ましく、
ｔ＞１０ｍｍである場合、０＜Ｒ＜３．０ｔであり、０＜Ｒ＜２．５ｔが好ましく、０＜Ｒ＜１．０ｔがより好ましい条件を満たす。

ここで、ｔは正方形／長方形鋼管の肉厚であり、Ｒは正方形／長方形鋼管の四隅の外角半径である。

前記正方形／長方形鋼管の角部の肉厚は１．０ｔ～１．８ｔの間であり、１．０ｔ～１．２ｔの間が好ましい。

好ましくは、
単溶接の正方形／長方形鋼管の断面の周長は８０ｍｍ～４８００ｍｍであり、
単溶接の正方形／長方形鋼管の直管の肉厚は６ｍｍ～７０ｍｍであり、
二重溶接の正方形／長方形鋼管の断面の周長は１６００ｍｍ～９６００ｍｍであり、
二重溶接の正方形／長方形鋼管の直管の肉厚は２０ｍｍ～８０ｍｍである。

本発明の２つ目の目的は、角部を増肉した、熱冷複合成形された正方形／長方形鋼管の製造方法を提供することである。

１）予備完成品の正方形／長方形鋼管を、圧延した後、後続の生産システムにスムーズかつ対称的に導入するステップと、
２）誘導コイルで正方形／長方形鋼管の四隅を局所的に加熱するステップと、
３）角部が加熱された正方形／長方形鋼管は仕上げ成形ユニットに順次入り、各成形ユニットが正方形／長方形鋼管の４つの角部を圧延成形し、同時に、隣接するユニット２つごとの圧延中の圧延ロールの回転速度の差分値を制御することにより、正方形／長方形鋼管が隣接する２つのユニット間で熱張力作用を生成するようにさせ、熱間仕上げ中に余分な変形が発生することを解消するステップと、
４）水冷システムの正方形／長方形鋼管に対する冷却制御により、完成品の正方形／長方形鋼管の強度性能を保証し、その後に空冷するステップと、
５）完成品の正方形／長方形鋼管を切断するステップと、を含む。

ここで、好ましくは、
ステップ２）において、加熱温度の範囲は７５０℃～１１００℃であり、加熱時間は１５秒以上であり、
ステップ３）において、火炎ランス保温システムで正方形／長方形鋼管の４つの隅を加熱することにより、熱間仕上げ段階で正方形／長方形鋼管の温度が一定になるように確保し、その温度の低下を防止し、
温度制御範囲は７００～９５０℃であり、
ステップ３）において、隣接する仕上げ成形ユニット２つごとに、ロールの直径の差は１～５ｍｍであり、
ステップ３）において、仕上げ成形ユニットの数は５つで、５つの仕上げ成形ユニットのうち、第１、第３、第５のユニットは固定されたもので、第２、第４のユニットは回転できるもので、タービンウォーム装置を介して回転が実現され、
ステップ３）において、正方形／長方形鋼管は各仕上げ成形ユニットを通った後、その断面積の変化の程度は０～５％の範囲である。

本発明は、具体的に以下の技術的解決手段を採用できる。

本発明の角部を増肉した、熱冷複合成形された正方形／長方形鋼管の製造方法は、二次熱間成形工程に属し、前記角部を増肉した、正方形／長方形管の角部の厚さは元の板金の肉厚以上であり、厚さの範囲はｔ～１．８ｔの間であり、表面に微小な亀裂がなく、角部の関与応力は基本的になくなり、かつ、フィレットの半径が従来の冷間曲げによる正方形／長方形管より小さく、外角半径Ｒについて、肉厚がｔ≦６ｍｍである場合、０＜Ｒ＜２．０ｔであり、６＜ｔ≦１０ｍｍである場合、０＜Ｒ＜２．５ｔであり、ｔ＞１０ｍｍである場合、０＜Ｒ＜３．０ｔであり、また、当該工程で生産された正方形／長方形管は全ての鋼材の種類に適用でき、生産規模は、周長８０ｍｍ～９６００ｍｍ、肉厚６ｍｍ～８０ｍｍである。当該工程で生産された正方形／長方形管は、角部の残留応力がなくなったため、延性が強くなり、角部の半径が小さくなり、厚さが増加することにより、断面の性能が明らかに向上するとともに、その溶接性能が改善された。

その生産工程は、以下のステップを含む。

１）材料供給と導入しシステムであって、予備完成品の正方形／長方形鋼管を、圧延した後、後続の生産システムにスムーズかつ対称的に導入する。

２）局所誘導加熱システムであって、本システムにおいて、誘導コイルで大フィレット半径の正方形／長方形管の四隅を局所的に加熱するとともに、自動フィードバックシステムにより加熱温度の正確性と安定性を保証し、加熱温度の範囲は７５０℃～１１００℃である。

３）熱間仕上げ圧延システムであって、角部が加熱された正方形／長方形鋼管は、５つの仕上げ成形ユニットに順次入り、ここで、各成形ユニットは、いずれも正方形／長方形鋼管の４つの角部を圧延成形し、正方形／長方形鋼管の平板領域に対して成形を行わず、このような角部を圧延する方式で四隅の厚さを増加させ、四隅の半径を減少させる効果を実現し、同時に、ロールの直径の差は１～５ｍｍである、隣接するユニット２つごとの圧延中の圧延ロールの回転速度の差分値を制御することにより、正方形／長方形鋼管が隣接する２つのユニット間で熱張力作用を生成するようにさせ、熱間仕上げ中に余分な変形が発生することを解消し、この段階で温度を７００～９５０℃に制御する。

５つの仕上げ成形ユニットのうち、第１、第３、第５のユニットは固定されたもので、方形／長方形管の成形中の移動方向及び成形方向の安定性を確保し、第２、第４のユニットは回転できるもので、生産中に発生する歪み、反りなどの余分な変形を即座に矯正、修正し、様々な欠陥を解消して、得られた正方形／長方形管製品の外径の正確性と性能の品質を大幅に向上させる。

５）火炎ランス保温システムであって、本システムで正方形／長方形鋼管の熱間仕上げ段階での温度が一定になるように確保し、その温度の低下を防止する。

６）水冷システムであって、水冷システムにより正方形／長方形管に対して冷却制御を行い、完成品の正方形／長方形鋼管の強度性能を保証する。

７）切断システムであって、完成品の正方形／長方形管を切断する。

本発明は、従来の技術と比べて、以下の有益な効果を有する。

（１）二次熱間ロール曲げ成形工程は、従来のロール曲げ成形工程と比べて、生産できる鋼種がより多く、生産できる正方形／長方形管のサイズがより大きく、明らかな技術的優位性及び広い適用範囲を有する。二次熱間ロール曲げ成形工程は、熱間押出成形工程と比べて、生産効率が高く、エネルギー消費を低下させ、生産する製品の性能がよりよく、また、成形装置に対する要求も低い。

（２）局所的に加熱する技術により、正方形／長方形管の四隅に対する加熱が実現され、冷間圧延成形中の加工硬化による残留応力を解消し、角部性能を改善するとともに、ベース材料自体に影響せず、原材料全体の性能を保証する。また、熱間成形生産工程と比べて、この工程は、加熱領域が小さく、加熱方式は誘導加熱であり、生産効率が高く、環境にやさしく、エネルギー消費及びコストを大幅に低減する。

（３）本発明は、保温システム及び水冷システムを導入して、圧延と冷却を制御し、正方形／長方形管の材料の性能を最大限に改善することができ、保温システムは、二次熱間成形中に材料が常に一定の温度を保つように確保することができ、水冷システムは成形後の正方形／長方形管の冷却を制御することができ、正方形／長方形管の強度性能を向上させる。

具体的には、以下の側面で具現化される。

１、本願の熱冷複合成形圧延ユニットの圧延ロールは、正方形／長方形管の４つの角部に分布され、正方形／長方形管の４つの外角を直接圧延成形し、かつ、４つの角部の圧延ロールは、横方向、縦方向、及び成形方向への移動を同時に行うことができるため、異なるサイズの正方形／長方形管の成形に適用できる。直接的な効果は、正方形／長方形管の成形可能なサイズの範囲は、以前と比べて大幅に向上し、最大で周長が９６００ｍｍで、肉厚が８０ｍｍの正方形／長方形鋼管を生産できるということである。また、既存の設備では、生産する正方形／長方形管の辺長の長さに応じて、それに対応する長さの圧延ロールを必要とするため、大型サイズの正方形／長方形管の生産が大きく制限され、１セットの設備では１規格の製品しか生産できないが、本発明は、正方形／長方形管の角部を圧延成形するため、圧延ロールを交換せず、１セットの設備ですべての規格の製品を生産することができ、生産コストを大幅に低減した。

２、本願の熱冷複合成形圧延ユニットは、仕上げ成形ユニットを全部で５つ有し、そのうち、第１、第３、第５のユニットは固定されたもので、正方形／長方形管の成形中の移動方向及び成形方向の安定性を確保し、第２、第４のユニットは回転できるものであり、直接的な効果は、生産中に発生する歪み、反りなどの余分な変形を即座に矯正、修正し、様々な欠陥を解消して、得られた正方形／長方形管製品の外径の正確性と性能の品質を大幅に向上させるということである。また、仕上げ成形ユニットは全部で５つあるため、正方形／長方形管の角部形状がより直角に近づけるようにより大きく変更することができ、角部肉厚の増加がより明らかになり、これにより正方形／長方形管の断面性能が向上し、機械的性能及び溶接性能などがよりよくなるとともに、生産可能な正方形／長方形管の肉厚サイズの範囲も大きくなる。

３、本願では、第１の仕上げ成形ユニット以外の４つの仕上げ成形ユニットは、それぞれの前部に保温装置を設置して、仕上げ成形過程全体をわたって正方形／長方形管の温度を一定に保つように確保し、直接的な効果は、正方形／長方形管の成形温度が一定であり、変形がより容易になり、正方形／長方形管の角部は直角になる能力があるだけでなく、より容易に直角になることができ、角部肉厚の増加も自然に行われ、生産可能な正方形／長方形管のサイズもより大きくなるとともに、得られた正方形／長方形管の性能条件もよりよいということである。

本発明にて提供される角部を増肉した、長方形管の成形システムの模式図である。 本発明である予備成形管の図である。 本発明の成形製品の図である。 本発明の仕上げ成形ユニット構造の模式図である。 本発明の仕上げ成形ユニットの圧延の模式図である。 本発明の局所誘導加熱装置の模式図である。

以下、実施例を参照しながら、本発明についてさらに説明する。

実施例１
（１）Ｑ２３５鋼板を、外側フィレット半径Ｒ＝２０．０ｍｍである予備成形の正方形／長方形管に予め曲げ、サイズは２００＊２００ｍｍであり、ただし、平板領域の肉厚は８．０ｍｍで、角部の肉厚は７．８ｍｍである。

（２）予備成形の正方形／長方形管を、ガイドロールを介して局所誘導加熱装置に送り込み、加熱温度は１０５０℃で、加熱時間は１５秒である。

（３）その後、５つの仕上げ成形ユニットを通って成形され、成形ユニット２つごと間の火炎ランス保温システムの温度は９５０℃であり、隣接する仕上げ成形ユニット２つごと間のロールの直径の差は３ｍｍであり、各仕上げ成形ユニットの変形程度は約３％である。

（４）熱間仕上げの後、サイズは１９３＊１９３ｍｍで、平板領域の肉厚は８ｍｍで、角部の肉厚は８．８ｍｍで、外側フィレット半径は２ｍｍの長方形管を取得し、品質検出により、当該熱冷複合成形された正方形／長方形管の残留応力を解消し、加工硬化を解消し、塑性能力が強化される。

実施例２
（１）Ｑ２３５鋼板を、外側フィレット半径Ｒ＝３６．０ｍｍである予備成形の正方形／長方形管に予め曲げ、サイズは４００＊４００ｍｍであり、ただし、平板領域の肉厚は２０．０ｍｍで、角部の肉厚は１９．６ｍｍである。

（２）予備成形正方形／長方形管を、ガイドロールを介して局所誘導加熱装置に送り込み、加熱温度は１０００℃で、加熱時間は１５秒である。

（３）その後、５つの仕上げ成形ユニットを通って成形され、成形ユニット２つごと間の火炎ランス保温システムの温度は９５０℃で、隣接する仕上げ成形ユニット２つごと間のロールの直径の差は３ｍｍで、各仕上げ成形ユニットの変形程度は約３％である。

（４）熱間仕上げの後、サイズは３８８＊３８８ｍｍで、平板領域の肉厚は２０．０ｍｍで、角部の肉厚は２２．１ｍｍで、外側フィレットの半径は５ｍｍである長方形管を取得し、品質検出により、当該熱冷複合成形された正方形／長方形管の残留応力を解消し、加工硬化を解消し、塑性能力が強化される。

１…材料供給装置、２…圧延導入ユニット、３…局所誘導加熱装置、４…仕上げ成形ユニット、５…温度計及び自動フィードバックシステム、６…火炎ランス保温装置、７…水冷装置、８…空冷エリア、９…切断装置、１１…予備成形の正方形／長方形管、１２…圧延ロール移動制御ノブ、１３…圧延ロール、１４…ラック回転制御ノブ、１５珪素鋼板、１６誘導加熱コイル

Claims (7)

1. 角部を増肉した正方形／長方形鋼管の製造方法であって、
   前記正方形／長方形鋼管の外角半径は、
   ６＜ｔ≦１０ｍｍである場合、０＜Ｒ＜０．７５ｔであり、
   ｔ＞１０ｍｍである場合、０＜Ｒ＜１．０ｔである条件を満たし
   ただし、ｔは正方形／長方形鋼管の直管部分の肉厚であり、Ｒは正方形／長方形鋼管の四隅の外角半径であり、
   前記正方形／長方形鋼管の角部の肉厚は１．０ｔ～１．８ｔの間であり、
   正方形／長方形鋼管の製造方法は、
   １）予備完成品の正方形／長方形鋼管を、圧延した後、後続の生産システムにスムーズかつ対称的に導入するステップと、
   ２）誘導コイルで正方形／長方形鋼管の四隅を局所的に加熱するステップと、
   ３）角部が加熱された正方形／長方形鋼管は順番に配置される複数の仕上げ成形ユニットに順次入り、各仕上げ成形ユニットが正方形／長方形鋼管の４つの角部を圧延成形し、かつ、隣接する仕上げ成形ユニット２つごとの圧延中の圧延ロールの回転速度の差分値を制御することにより、正方形／長方形鋼管が隣接する２つの仕上げ成形ユニット間で熱張力作用を生成するようにさせ、熱間仕上げ中に余分な変形が発生することを解消するステップと、
   ４）水冷システムの正方形／長方形鋼管に対する冷却制御により、完成品の正方形／長方形鋼管の強度性能を保証し、その後に空冷するステップと、
   ５）完成品の正方形／長方形鋼管を切断するステップと、を含む、
   ことを特徴とする角部を増肉した正方形／長方形鋼管の製造方法。
2. 前記正方形／長方形鋼管の角部の肉厚は１．０ｔ～１．２ｔである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の正方形／長方形鋼管の製造方法。
3. シングルシームの正方形／長方形鋼管の断面の周長は８０ｍｍ～４８００ｍｍであり、
   シングルシームの正方形／長方形鋼管の直管の肉厚は６ｍｍ～７０ｍｍであり、
   ダブルシームの正方形／長方形鋼管の断面の周長は１６００ｍｍ～９６００ｍｍであり、
   ダブルシームの正方形／長方形鋼管の直管の肉厚は２０ｍｍ～８０ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の正方形／長方形鋼管の製造方法。
4. ステップ２）において、加熱温度の範囲は７５０℃～１１００℃であり、加熱時間は１５秒以上である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の正方形／長方形鋼管の製造方法。
5. ステップ３）において、火炎ランス保温システムで正方形／長方形鋼管の４つの隅を加熱することにより、熱間仕上げ段階で正方形／長方形鋼管の温度が一定になるように確保し、その温度の低下を防止し、
   温度制御範囲は７００～９５０℃であり、
   隣接する仕上げ成形ユニット２つごとに、ロールの直径の差は１～５ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の正方形／長方形鋼管の製造方法。
6. ステップ３）において、仕上げ成形ユニットの数は５つであり、第１、第３、第５の仕上げ成形ユニットは固定されたものであり、第２、第４の仕上げ成形ユニットは回転可能なものである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の正方形／長方形鋼管の製造方法。
7. 正方形／長方形鋼管は各仕上げ成形ユニットを通った後、その断面積の変化の程度は０～５％の範囲である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の正方形／長方形鋼管の製造方法。

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