JP7381873B2 - Ｈ形鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｈ形鋼の製造方法に関する。

近年、超高層ビル、スタジアム等の大規模建築用、および土木構造用の柱材として、北米や東南アジアで特に板厚の厚いＨ形鋼（以下、「極厚Ｈ形鋼」と呼ぶ）の需要が拡大している。またそれに伴い、より高強度の材料が求められるようになってきており、従来の４０ｋ～５０ｋ級に加え、６０ｋ級極厚Ｈ形鋼のニーズが高まりつつある。
Ｈ形鋼の高強度化はこれまで合金成分を増やすことで対応することが多かったが、特にフランジ厚ｔ_ｆが厚くなると強度に加え、必要とされる靭性（例えばフランジの上から１／６幅（フランジの幅をＢとするとフランジの上端からＢ／６）の位置（以下、１／６Ｆと記載）で厚み方向に外面側から１／４厚の位置（以下、１／４ｔと記載）でｖＥ_－２０≧４０Ｊ）を確保するためには、合金成分の添加だけで対応することは困難であった。

そこで、全周に冷却水を噴射して鋼材全体を均一に冷却することが可能なオンライン焼入れ装置が知られている。
図１に示すように、このオンライン焼入れ装置６は、仕上圧延機５の後方に設置され、圧延後に所定の温度条件（１／６Ｆのフランジ外面温度について、例えば焼入れ開始温度：８４０℃、焼入れ終了温度：６４０℃（以下、「焼入れ終了温度」は焼入れが終了した後の「復熱後の温度」を意味し、「復熱後」とは焼入れ中に大きく低下した表面温度が終了後、放冷中に内部から伝わる熱により上昇し、ピーク値に達した時点を指す））でＨ形鋼を冷却することで、組織を細粒化し、極厚Ｈ形鋼においても強度と靭性の両立を図ることが可能になった。
なお、図１において、符号１は圧延設備を示す。圧延設備１は、搬送方向順に、スラブを加熱する加熱炉２、加熱炉２で加熱されたスラブを略Ｈ形状に圧延するブレークダウン圧延機３、さらに製品形状に近いＨ形状に圧延する粗圧延機４、製品形状に仕上げ圧延する仕上圧延機５、仕上圧延機５により仕上げ圧延されたＨ形鋼を所定の温度まで冷却して焼入れるオンライン焼入れ装置６、オンライン焼入れ装置６で冷却されたＨ形鋼を所定の長さに鋸断する鋸断装置７を備えている。

しかしながら実際の製造過程においては、極厚Ｈ形鋼の場合、圧延中にフランジ部に顕著な温度ムラが発生し、フィレット部（ウエブとフランジの交差部）の高温化が顕著になり、そのためオンライン焼入れ後もそのまま温度ムラが残り、焼入れ後（以下、オンライン焼入れの「焼入れ後」は、焼入れが終了した後の「復熱後」を意味する）の温度分布を、特性を確保するために必要な範囲（例えば６４０±５０℃）に収めることが困難であるという課題が判明した。

従来より、Ｈ形鋼のフィレット部の高温化を解消する手段としては、圧延中または圧延後において、フランジ外面の特にフィレット部を選択的に冷却する方法が知られている（例えば特許文献１および２参照）。しかしながらこれまでは主にフランジ厚ｔ_ｆが４０ｍｍ以下のＨ形鋼で、かつウェブ厚ｔ_ｗがフランジ厚ｔ_ｆに比べて相対的に薄いＨ形鋼を主な対象として開発されてきた。この場合、高温となるのはフィレット部近傍（大凡ウェブ厚ｔ_ｗの２倍の幅の範囲）の比較的狭い範囲に限定され、この部分を適度に冷却することで、比較的容易にフランジ温度分布を均一化することが可能であった。

一方、特にフランジ厚ｔ_ｆが４０ｍｍを超える極厚Ｈ形鋼の場合、フランジ厚ｔ_ｆが厚い上に、ウェブの影響でフィレット部が高温化するだけでなく、後述する図２の例に見られるように端面からの冷却効果が加わって１／２Ｆと１／６Ｆの温度差が拡大するため、温度分布の均一化を図るためには、より多くの冷却量を必要とする。

特開平４－３５１２２０号公報 特開平９－８５３０２号公報

しかしながら、フランジ厚ｔ_ｆが４０ｍｍを超える極厚Ｈ形鋼の場合、圧延中または圧延後に確保できる冷却時間は圧延能率を確保する必要性から限られており、従来の冷却装置では十分に温度分布の均一化を図ることができなかった。したがって極厚Ｈ形鋼の温度偏差を低減するためには、従来より大幅に効率よく冷却を行う必要がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、圧延中または／および圧延後の限られた時間の中で、より効率的にフランジ温度分布を均一化可能なＨ形鋼の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、効率的にフランジ温度分布を均一化することが可能なＨ形鋼の製造方法得るべく、極厚Ｈ形鋼を高温化した場合のフランジ外面の温度分布について調査した。
図２に仕上圧延後（製品フランジ厚ｔ_ｆ＝１２５ｍｍ、ウェブ厚ｔ_ｗ＝７８ｍｍ）、オンライン焼入れ装置（フランジ内外面冷却の水量密度：２．０ｍ^３／ｍ^２／ｍｉｎ）で４２秒間冷却した際の、サーモビュアーを用いた焼入れ前後のフランジ外面温度分布の実測例を示す。破線が焼入れ前、実線が焼入れ後のフランジ外面温度分布である。またフランジの中央（以下、１／２Ｆと記載）、１／６Ｆ、および上から５／６幅の位置（以下、５／６Ｆと記載）に破線（焼入れ前）と実線（焼入れ後）の○印をプロットしている。１／２Ｆおよび１／６Ｆと５／６Ｆは、Ｈ形鋼の各種製造規格において機械特性評価（強度・靭性）の試験片を採取する管理部位として指定されることが多いため、温度管理上においても基準的な部位となる（図３参照）。

図２からわかるように、焼入れ前において既にフランジ部に顕著な山形状の温度分布が生じており、１／２Ｆ～１／６Ｆ・５／６Ｆ間に７０℃前後の温度差が発生している。また焼入れ後においても同様の温度分布・同程度の温度差が生じており、焼入れ前に生じていた温度ムラがほぼそのまま焼入れ後にも残っていることがわかる。
極厚Ｈ形鋼において、このような山形状の温度分布が顕著になる原因としては、
（１）フランジのスペック：フランジ幅Ｂに対して相対的にフランジ厚ｔ_ｆが厚いため、圧延中のフランジ端面からの抜熱による冷却効果が１／６Ｆ・５／６Ｆ側に及びやすく、相対的にフランジ端部側が冷やされやすいこと、
（２）ウェブのスペック：柱用途に用いられるような極厚Ｈ形鋼の場合、フランジ厚ｔ_ｆに対して相対的にウェブ厚ｔ_ｗも厚くする必要があり、このためフランジ中央のフィレット部がウェブからの熱供給により冷えにくくなり、より高温になりやすいこと、
が挙げられ、（１）（２）の要因が組み合わさることにより山形になりやすいと考えられる。

即ち、（１）については、フランジ端面は圧延中に放冷または圧延ロールとの接触により冷却され、フランジ両端部の大凡フランジ厚ｔ_ｆ分に相当する長さにおいてこの端面冷却の影響が現れ（図２の（１）の破線で囲った部分）、フランジ幅Ｂに対して相対的にフランジ厚ｔ_ｆが厚くなるほど、端部側で温度が降下する範囲が相対的に長くなる。
（２）については大凡ウェブ厚ｔ_ｗの２倍の範囲が高温化する範囲と考えられ（図２の（２）の点線で囲った部分）、（１）（２）の効果が相まって、極厚Ｈ形鋼、即ちフランジ幅Ｂに対して相対的にフランジ厚ｔ_ｆが厚くなるほど、圧延中により顕著な山形状の温度分布が形成されると考えられる。

そこで、山形状の温度分布を平坦化すべく、フィレット冷却装置および冷却ノズルを見直した。
[フィレット冷却装置の構成例]
図４にフィレット冷却装置１０の構成例（上から見たイメージ）を示す。
Ｈ形鋼の搬送方向に所定のノズルピッチＳｎで冷却ノズル１１を並べている。また、複数のノズル１１毎（図４の例では４個毎）に開閉弁１２、流量調整弁１３、流量計１４の一式を設け、一括で冷却ノズル１１の噴射ＯＮ／ＯＦＦ制御及び流量制御を可能としている。また流量調整弁１３毎に、流量調整弁１３～冷却ノズル１１間の配管の１ヶ所に圧力計１５を設け、冷却ノズル１１の給水圧Ｐｎを計測可能としている。

なお、Ｈ形鋼と冷却ノズル１１が衝突するのを防止するため、冷却ノズル１１の前にはガイド板１６が設置されている。このガイド板１６には個々の冷却ノズル１１から噴射された冷却水が通過できるように、冷却ノズル１１の位置に合わせて孔（以下、「噴射孔」と呼ぶ）が設けられている。
また、ガイド板１６とＨ形鋼のフランジ面の間隔を一定に保つため、フィレット冷却装置１０の入側及び出側の両サイドに縦ロール（以下、「ガイドロール」と呼ぶ）１７を設置している。ガイドロール１７はガイド板１６から５０ｍｍ前後搬送ラインの内側に飛び出ており、鋼材（Ｈ形鋼）が搬送中に搬送ラインから多少横にずれても、ガイドロール１７が回転しながら鋼材を受けることで、鋼材を搬送ラインの内側に押し戻し、直接ガイド板１６に当たることを防止している。またこれにより、搬送中のＨ形鋼のフランジ面とガイド板１６との間隔を５０±２０～３０ｍｍの範囲に保つことが可能となっている。

このガイド板１６とガイドロール１７は、Ｈ形鋼のサイズ（ウェブ高さＨ）が変化した場合でもガイド板１６とフランジ外面の間隔が上述の範囲に保たれるように、ウェブ高さＨに合わせて、図４の上下方向（Ｈ形鋼搬送ラインと直交する方向）に移動させることが可能となっている。この時、冷却ノズル１１もガイド板１６と一緒に動かすことで、冷却ノズル１１とフランジ外面との距離も概ね一定に保つことができる。
またＨ形鋼のフランジ幅Ｂが変化すると、その中央部にあたるフィレット部のパスラインからの高さ（＝Ｂ／２）が変化するので、冷却水衝突域の中心高さがＢ／２となるように、冷却ノズル１１の傾斜角γを調整することが可能となっている。なおガイド板１６に設けられた噴射孔は、冷却ノズル１１の傾斜角変更可能範囲に合わせて縦方向の長孔とすることで、冷却ノズル１１の傾斜角γを変更した場合でも冷却水がガイド板１６を通過できるようになっている。

［冷却ノズル］
図５にフィレット冷却装置の冷却ノズル１１（概略イメージ）を示す。Ｈ姿勢で熱間圧延するＨ形鋼圧延ラインにおいて、特にフランジ中央部のフィレット部を選択的に冷却するため、フィレット部を狙って両サイドからフランジ外面に向けて、フランジ面に対して概ね垂直あるいは下方に所定の角度（傾斜角γ、図５（ｂ）参照）傾けて、冷却ノズル１１から冷却水を噴射する（図５（ａ）では片側（手前側）の冷却ノズル１１のみ図示）。
冷却ノズル１１としては、山形状の流量分布を有するスプレーノズルを用いる。スプレーノズルを用いれば、冷却水を液滴状に噴霧することができ、対象物からの距離と冷却が必要な範囲に合わせて適切な広がりの冷却水噴流を選択することが可能となる。特に冷却水の衝突部の形状が概ね帯状となるフラットスプレーノズル、あるいは概ね楕円状となる楕円吹きスプレーノズルを用いればよい。

その理由は、各種スプレーの中でも比較的冷却水の衝突圧が高く、特に圧延中の高温鋼材の冷却において冷却面で発生しやすく、冷却水の衝突を妨げて冷却を阻害する蒸気膜を貫通する能力が大きく、冷却水衝突域で高い冷却能が得られるとともに、鋼材に衝突した後の冷却水が鋼材の表面に沿って流れる冷却水流（以下「２次流れ」と呼ぶ）の流速が比較的大きく、鋼材から飛散しやすいため、衝突部以外での２次流れによる不均一な冷却が生じにくいという利点があるためである。

また傾斜角γは、フランジ外面に冷却水を噴射する場合、２次流れで上方に飛散した冷却水がフランジを超えてウェブ上面に乗り、ウェブが過冷されるのを防ぐため、通常１５～３０度程度として下方に傾けて噴射し、上方に飛散する冷却水を減らしている。但し、フィレット部冷却の場合は、フィレット部のみに冷却水を噴射するため、γ＝０°としても、フランジを超えてウェブに回り込む飛散水は発生しにくい。また傾斜角γを大きくすると、フィレット部の上下方向に不均一に冷却される程度が大きくなるため、通常より小さい角度（γ＝０～１５°）としてもよい。

上述したように、冷却ノズル１１としてスプレーノズルを用いれば、山形状の流量分布を容易に形成することが可能である。
そこで、発明者らは、この山形状の流量分布をＨ形鋼のフランジ温度分布に対応させれば、適切なフィレット冷却が可能となると考えた。

図６にスプレーの広がり方向（衝突線に平行な方向）に山形状の流量分布を有するフラットスプレーノズル（以下、スプレーノズルと記載）の流量密度（広がり方向単位幅・単位時間当りの流量）の分布例を示す（ノズル流量Ｑｎ＝１００Ｌ／ｍｉｎ、噴射距離Ｌｎ＝３００ｍｍ、広がり角α＝５３°）。ここで衝突線は帯状の冷却水衝突域の中心線（衝突域が楕円の場合はその長軸、図７参照）であり、有効衝突長Ｄｅ（流量密度が最大値の２０％以上の範囲の長さと定義、図６参照）、スプレーノズルの冷却水出口と鋼材（冷却水噴射面）との距離を噴射距離（図６では噴射高さと記載）Ｌｎ、広がり角αの関係は、α＝ａｒｃｔａｎ（Ｄｅ／２／Ｌｎ）*２で表すことができる。

これら有効衝突長Ｄｅ、噴射距離Ｌｎ、広がり角αはフィレット部を適切に冷却するための重要なパラメータであるが、スプレーノズルからの冷却水はフィレット部に対して傾斜（ねじり角β）をもって噴射される。有効衝突長Ｄｅが大きくてもねじり角度が大きければ、フィレット部を衝突する冷却水の水量は小さくなる。したがって、これらのパラメータを調整するよりも、フィレット部に実際に衝突する冷却水の水量、即ち、図７中の右側に示すような、フィレット部冷却におけるフランジ幅方向の冷却水衝突幅Ｄｓを調整することが重要であると考えた。

［冷却水衝突幅Ｄｓの定義］
図７に、スプレーノズルからの冷却水の衝突面とフランジ幅方向の流量密度分布を示す。冷却ノズル（スプレーノズル）からフランジ外面に噴射される冷却水について、Ｈ形鋼の長手方向に流量を積算して算出したフランジ幅方向の流量密度分布において、上記有効衝突長Ｄｅの定義と同様に、最大値の２０％以上の範囲を冷却水衝突幅Ｄｓと定義する。
最大値の２０％以上の幅を冷却水衝突幅Ｄｓと定義する理由については、その範囲に噴射される冷却水の流量が、スプレーノズルから噴射される全流量の概ね９５％以上をカバーすることから、冷却ノズル（スプレーノズル）の主要噴射範囲であり、したがって実質的な冷却効果が得られる意味において有効な冷却範囲に相当すると考えられること、およびその範囲の外側では急激に噴流の密度が低下するため、見た目の冷却ノズルから噴射される水噴流の境界と概ね一致しているためである。

［フィレット冷却装置効率化の検討］
フランジ温度分布が平坦化するような冷却を行うには、フィレット部に対して適切な冷却水衝突幅Ｄｓの合わせこみが重要となる。
例えば、冷却水衝突幅Ｄｓがウェブ厚ｔ_ｗの２倍となるように調整して冷却しても、必ずしも適切にフィレット部の冷却ができない。製造ラインでは様々な大きさのＨ形鋼の製造がおこなわれる。Ｈ形鋼の大きさにより、そのＨ形鋼に潜在する熱量（潜熱）も異なる。潜熱量によらず、言い換えればＨ形鋼の大きさによらず、冷却水衝突幅Ｄｓを調整できれば、普遍的に効率的なフランジ温度分布の均一化が可能になる。
前述のように、山形状の温度分布となる主原因は（１）フランジのスペックおよび（２）ウェブのスペックであると考えられる。そこで、発明者らは、これら（またはこれらの一方）を用いて潜熱を見積り、フィレット部に対して冷却水衝突幅Ｄｓを規格化して冷却する幅を決定すれば（つまり、冷却水衝突幅Ｄｓの最適化を行えば）、フランジ温度分布を平坦化できる冷却ができると考えた。

本発明のＨ形鋼の製造方法は、以上に基づいてなされたものであり、フランジ幅Ｂ（ｍ）のＨ形鋼の製造方法であって、
粗圧延中または／および粗圧延後に、
フランジ幅方向の冷却水衝突幅をＤｓ（ｍ）としたとき、
０．１２≦Ｄｓ／Ｂ≦０．４となるように冷却水衝突幅Ｄｓを設定し、
冷却ノズルの流量をＱｎ（ｍ^３／ｍｉｎ）、給水圧をＰｎ（Ｐａ）、圧延方向の冷却ノズルピッチをＳｎ（ｍ）、冷却水の密度をρ_ｆ（ｋｇ／ｍ^３）、流量密度をＷｄ（ｍ^３／ｍ^２／ｍｉｎ）、冷却ノズルからフィレット部に噴射される冷却水の有効衝突流速をＶｅ（ｍ／ｓ）としたとき、
Ｗｄ＝Ｑｎ／Ｓｎ／０．４Ｂ
Ｖｅ＝Ｗｄ^１／２・（Ｐｎ／ρ_ｆ）^１／４
Ｖｅ≧１．０
となるように有効衝突流速Ｖｅ（ｍ／ｓ）を設定して、フィレット部を冷却することを特徴とする。

また、本発明の前記構成において、製造するＨ形鋼のフランジ厚ｔ_ｆが４０ｍｍを超えてもよい。

また、本発明の前記構成において、粗圧延を行った後、仕上げ圧延を行い、焼入れを行ってもよい。

本発明によれば、粗圧延中または／および粗圧延後の限られた時間の中で、より効率的にフランジ温度分布を均一化可能であり、製造効率を悪化させることなく効率的にＨ形鋼を製造することができる。
特に、従来均熱化が難しかったフランジ厚が４０ｍｍを超えるような極厚Ｈ形鋼を製造する場合でも、温度分布の均一化が可能であり、大型化が求められるＨ形鋼の需要に答えることが可能になる。

本発明の実施形態に係るフィレット冷却装置を備えた圧延設備の概略構成を示す図である。 焼入れ前後のフランジ外面の温度分布の実測例を示すグラフである。 Ｈ形鋼の機械特性評価（強度・靭性）の試験片を採取する管理部位を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るフィレット冷却装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る冷却ノズルとＨ形鋼との位置関係を示すもので、（ａ）斜視図、（ｂ）は正面図である。 本発明の実施形態に係るもので、スプレーの広がり方向に山形状の流量分布を有するフラットスプレーノズルの流量密度の分布例を示す図である。 同、冷却ノズルからの冷却水の衝突面とフランジ幅方向の流量密度分布を示す図である。 同、冷却水衝突幅に対する、冷却装置の必要水量の変化をプロットした結果を示すグラフである。 同、横軸に冷却水衝突幅とフランジ幅の比、縦軸に必要水量と各サイズ毎の必要水量の最小値の比をとってプロットした結果を示すグラフである。 同、横軸に冷却水衝突幅とフランジ幅の比をとった場合の、フィレット冷却による焼入れ後のフランジ１/４ｔにおける温度偏差の低減率の変化をプロットした結果を示すグラフである。 同、確保可能な搬送速度の結果を、横軸に流量密度をとって整理した結果を示すグラフである。 同、確保可能な搬送速度の結果を、横軸に有効衝突流速をとって整理した結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明に係るＨ形鋼の製造方法の実施形態について説明する。
本実施形態では、図４に示すフィレット冷却装置１０によってＨ形鋼のフランジのフィレット部を冷却する。フィレット冷却装置１０の構成については上述で説明したので、ここでの説明は省略する。

本実施形態のＨ形鋼の製造方法では、粗圧延中または／および粗圧延後に、フィレット冷却装置１０の冷却ノズル１１からＨ形鋼のフィレット部に冷却水を噴射する。
この場合において、フランジ幅方向の冷却水衝突幅をＤｓ（ｍ）としたとき、
０．１２≦Ｄｓ／Ｂ≦０．４となるように冷却水衝突幅Ｄｓを設定し、
冷却ノズル１１の流量をＱｎ（ｍ^３／ｍｉｎ）、給水圧をＰｎ（Ｐａ）、圧延方向の冷却ノズルピッチをＳｎ（ｍ）、冷却水の密度をρ_ｆ（ｋｇ／ｍ^３）、流量密度をＷｄ（ｍ^３／ｍ^２／ｍｉｎ）、冷却ノズル１１からフィレット部に噴射される冷却水の有効衝突流速をＶｅ（ｍ／ｓ）としたとき、
Ｗｄ＝Ｑｎ／Ｓｎ／０．４Ｂ
Ｖｅ＝Ｗｄ^１／２・（Ｐｎ／ρ_ｆ）^１／４
Ｖｅ≧１．０
となるように有効衝突流速Ｖｅ（ｍ／ｓ）を設定して、フィレット部を冷却する。

このようにしてフィレット部を冷却することによって、粗圧延中または／および粗圧延後の限られた時間の中で、より効率的にフランジ温度分布を均一化可能であり、製造効率を悪化させることなく効率的にＨ形鋼を製造することができる。

この場合、製造するＨ形鋼のフランジ厚ｔ_ｆが４０ｍｍを超えていてもよい。このように、特に、従来均熱化が難しかったフランジ厚が４０ｍｍを超えるような極厚Ｈ形鋼を製造する場合でも、温度分布の均一化が可能であり、大型化が求められるＨ形鋼の需要に答えることが可能になる。
また、粗圧延を行った後、仕上げ圧延を行い、焼入れを行ってもよい。

ここで、冷却水衝突幅Ｄｓを最適化するにあたり下記の検討を行った。
［冷却水衝突幅Ｄｓの最適範囲の検討］
図４に示すフィレット冷却装置において、冷却ノズル１１としてフラットスプレーノズルを用い、表１に示すＡ～Ｆの６通りの条件について、冷却ノズル１１のねじり角βを変化させて冷却水衝突幅Ｄｓを調整した場合の、フィレット部冷却後の温度分布、及びフィレット部冷却後に図１に示すオンライン焼入れ装置６を用いて焼入れを行った後の温度分布を解析した。ここでねじり角βの定義は、冷却水の衝突面（フランジ外面）において、衝突線（衝突域が楕円の場合はその長軸）と水平線とがなす角度（０°～９０°）とする（図５参照）。なお冷却水衝突幅Ｄｓの小さい条件Ａ、Ｂは共にβ=０°に調整した上に、ノズル孔の異なる冷却ノズル１１を用いてＤｓを調整した。また、表１中に記した流量Ｑｎは給水圧Ｐｎが０．３ＭＰａのときの流量であり、Ｐｎを変化させることでＱｎを変化させることができる。

フィレット冷却装置については、図４に示す冷却装置１０（装置長：６ｍ（＝ノズル数×ノズルピッチ））を図１に示すようにブレークダウン圧延機３の入側および出側直近の２箇所に配置し、圧延の各パスにおいて、フィレット部冷却を行う場合はＨ形鋼の全長にわたってフィレット冷却装置１０を通過させて冷却を行った。フィレット部の冷却を行うパスの数は条件によらず一定とし、粗圧延の後半パスから最終パスまで連続８パスで冷却を行うこととした。なおフィレット部冷却開始時のフランジ１／２Ｆ（１／４ｔ）の温度は、フランジが１２５ｍｍ厚（以下、フランジが〇〇ｍｍ厚の場合、単に〇〇ｍｍ厚という。）で約１０７５℃、７７ｍｍ厚で約１０６０℃、４３ｍｍ厚で約１０７０℃であった。またフィレット部冷却を行う場合の圧延速度（＝Ｈ形鋼の冷却装置内での搬送速度）は２ｍ／ｓとした。

またＨ形鋼のサイズとしては、表２に示すフランジ厚ｔ_ｆ（仕上圧延後の厚み≒製品厚）の異なる３種類の場合について検討を行った。圧延後はフランジ内外面冷却の水量密度を２．０ｍ^３／ｍ^２／ｍｉｎ、ウェブ上下面冷却の水量密度を０．５ｍ^３／ｍ^２／ｍｉｎに設定したオンライン焼入れ装置を用いて焼入れを行うこととした。フィレット部冷却完了後から焼入れ開始までの時間は９０秒で一定とし、焼入れの温度条件（フランジ１／６Ｆおよび５／６Ｆの外面温度）は、焼入れ開始温度を１２５ｍｍ厚および７７ｍｍ厚は８４０℃、４３ｍｍ厚は８００℃とし、焼入れ終了温度を全てのサイズについて６３０～６４０℃とした。

なおフィレット部冷却においては、フィレット部を冷やせば冷やすほど、フィレット部の温度は低下し、圧延後の温度ムラを低減することができる。ただしフィレット部を冷却し過ぎると、特に１／２Ｆの温度が圧延完了前に所定の焼入れ開始温度より低下してしまい、圧延中のフェライト変態発生により組織が変化し、靭性劣化など焼入れ後に目標の機械特性が得られなくなるなどの問題が生じる可能性がある。
そこでフィレット部の冷却条件として、特性を損なわない範囲で極力均一化を図ることを目途に、焼入れ開始時の１／２Ｆ（１／４ｔ）の温度が１／６Ｆおよび５／６Ｆの外面とほぼ同じ温度（即ち１２５ｍｍ厚および７７ｍｍ厚は８４０℃、４３ｍｍ厚は８００℃）となるようにＱｎを調整した。即ち、１２５ｍｍ厚の場合はＰｎを０．３ＭＰａとして各条件毎に使用する冷却ノズルを変更してＱｎを設定し、更に７７ｍｍ厚、４３ｍｍ厚の場合には１２５ｍｍ厚に比べて必要流量が大きく低下するため、開閉弁の一部を閉めることにより使用ノズル数を削減し、かつ条件毎にＰｎを変更してＱｎを調整した。

［冷却効率最大化のための条件］
図８に、フィレット冷却の冷却水衝突幅Ｄｓに対する、冷却装置の必要水量Ｗ_ｆの変化をプロットした結果を示す。ここで、必要水量Ｗ_ｆは給水圧Ｐｎを調整してフランジの温度分布を均一化する（即ち焼入れ開始時の１／２Ｆ（１／４ｔ）の温度が１／６Ｆおよび５／６Ｆの外面とほぼ同じ温度とする）ことができる流量であり、必要水量Ｗ_ｆは〔各条件における冷却ノズルの流量Ｑｎ〕×〔冷却装置１基あたりの使用ノズル数〕×２（ブレークダウン圧延機前後で２基）で計算される。
図８よりフランジ厚が増加するとともに必要水量Ｗ_ｆが大幅にアップすることが分かる。またＨ形鋼のそれぞれのサイズにおいて、必要水量Ｗ_ｆが最小となるＤｓが存在することがわかる。

図９に、横軸に冷却水衝突幅Ｄｓとフランジ幅Ｂの比、縦軸に必要水量ＷｆとＨ形鋼の各サイズ毎のＷ_ｆの最小値Ｗ_ｆｍの比をとってプロットし直した結果を示す。図９よりＤｓ／ＢとＷ_ｆ／Ｗ_ｆｍの関係はＨ形鋼のサイズによらずほぼ一本の線でまとまり、Ｄｓ／Ｂ＝０．２付近でＷ_ｆ／Ｗ_ｆｍが最小となり、またＤｓ／Ｂを小さくした場合でも大きくした場合でも必要流量は大きく増加することがわかる。図９からＤｓ／Ｂを０．１２～０．４の範囲とすることで、必要流量を最小値の概ね４割増し以内（１．４倍以内）の範囲に抑えることができ、更にＤｓ／Ｂを０．１４～０．３２の範囲とすれば最小値の概ね２割増し以内（１．２倍以内）の範囲に抑えることができる。
なおＤｓの最適範囲がフランジ幅Ｂに依存する理由については、前述のようにフランジ端面からの過冷効果とフィレット部での高温化効果が合わさって形成される山形の温度分布が、フランジ厚ｔ_ｆによらずほぼ相似形になるためであると考えられる。

図１０に横軸に冷却水衝突幅Ｄｓとフランジ幅Ｂの比をとった場合の、フィレット部冷却による焼入れ後のフランジ１／４ｔにおける温度偏差（１／２Ｆと１／６Ｆ・５／６Ｆの温度差）の低減率（フィレット部冷却を使用しない場合に対する低減率）の変化をプロットした結果を示す。
図１０よりＤｓ／Ｂが０．４以下の範囲ではＤｓ／Ｂの増加とともにやや温度偏差低減率は向上するが、全体に低減率はＤｓ／Ｂにあまり依存せず、フィレット部冷却を行うことにより１２５ｍｍ厚の場合で４～５割、７７ｍｍ厚および４３ｍｍ厚の場合で４割弱程度、温度偏差を低減可能であることがわかる。
即ち、Ｄｓ／ＢをＤｓ／Ｂ＝０．１２～０．４の範囲とすることでＨ形鋼のサイズに依らず冷却効率化と製品特性安定化の両立が可能となり、望ましくはＤｓ／Ｂ＝０．１４～０．３２の範囲に収めることで製品特性の安定化を図りつつ冷却を最大限効率化することが可能となる。

上記では、冷却水衝突幅Ｄｓを最適化するにあたり検討を行った。給水圧Ｐｎを調整して流量Ｑｎを調整したように、フィレット部冷却では冷却ノズルから噴出する冷却水の水量も関係する。よって、Ｈ形鋼の製造における冷却効率化と製品特性安定化の両立を図るには、水量も制御する必要がある。そこで、冷却ノズルの冷却能の評価を行った。

［冷却ノズルの冷却能評価指標］
簡易に算出可能な噴霧流の冷却能評価指標として、スプレーノズル（冷却ノズル）からの噴霧流を連続流のような密度・流速分布が一様な流れに置き換えた場合に、運動量的に等価となるような衝突流速Ｖｅ（以下では「有効衝突流速」と呼ぶ）を定義し用いることが知られている。
即ち、Ｗｄ:衝突面における流量密度[ｍ^３／（ｍ^２ｓ）]、Ｖｏ:（平均）液滴衝突速度[ｍ／ｓ]、ρ_ｆ：冷却水の密度［ｋｇ／ｍ^３］として、鋼材に衝突する際の噴霧流の運動量をｍ_ｓｆとすると、
ｍ_ｓｆ＝ρ_ｆ・Ｗｄ・Ｖｏ （１）
となり、同じく連続噴流の運動量をｍ_ｃｆとすると、
ｍ_ｃｆ＝ρ_ｆ・Ｖｅ^２ （Ｖｅ：衝突流速） （２）となる。
そして、ｍ_ｓｆ＝ｍ_ｃｆとおいた場合、
Ｖｅ＝（Ｗｄ・Ｖｏ）^１／２ （３）
となり、（３）式により、噴霧流の有効衝突流速Ｖｅを定義することができる。

ここで、ノズルへの給水圧をＰｎ［Ｐａ］とした場合、ノズルからの冷却水の噴射速度はＰｎの１／２乗に比例するため、鋼材への液滴の衝突速度Ｖｏ［ｍ／ｓ］は、これにノズル内での圧損による減速と大気中での空気抵抗による減速を考慮すれば、
Ｖｏ＝Ｃｖ・Ｃｎ・（Ｐｎ／ρ_ｆ）^１／２ （Ｃｖ：大気中の流速減衰係数、Ｃｎ：ノズルの流量係数） （５）
の形で表される。
ここで本発明に用いるような冷却装置では、噴射距離Ｌｎが３００ｍｍ以下と比較的短いため、Ｃｖ≒１．０と近似できる。また冷却ノズルの流量係数Ｃｎはノズルのタイプによって異なり、本発明の実施例で使用しているフラットスプレーノズルでは０．８５程度であるが、ここでは簡単のためノズルタイプによらずＣｎ＝１．０とする。そこで本発明では、
（５）式でＣｖ＝Ｃｎ＝１．０として（３）式に代入して得られる有効衝突流速Ｖｅとし、
Ｖｅ＝Ｗｄ^１／２・（Ｐｎ／ρ_ｆ）^１／４ （６）
を用いて冷却能を評価することにした。

［流量密度Ｗｄの定義］
図９より、特にフィレット部を選択的に冷却するためには、フランジ幅Ｂの０．４倍（フィレット中心±０．２Ｂ）の範囲内に冷却水を噴射して冷却することが効果的であることがわかる。そこでフィレット部冷却の流量密度Ｗｄの定義としては、フランジ幅Ｂの０．４倍と鋼材搬送方向のノズルピッチＳｎの積で得られる面積を個々のノズルの冷却範囲として、
Ｗｄ＝Ｑｎ／Ｓｎ／０．４Ｂ （６）
で流量密度Ｗｄを定義することにする。これにより、実質的にフィレット冷却に有効な領域に噴射された冷却水量の影響を考慮でき、より正確な冷却能の評価が可能となる。

［有効衝突流速Ｖｅによる冷却能力の評価］
図４に示すフィレット冷却装置１０（装置長：４ｍ（＝ノズル数×ノズルピッチ））において、冷却ノズル１１としてフラットスプレーノズルを用い、表３に示す条件で冷却ノズル１１の給水圧Ｐｎ、ノズルピッチＳｎ、ノズル流量Ｑｎを変化させた場合に、目標の温度まで冷却可能な冷却中の搬送速度（圧延速度）Ｖｐを調査した。搬送速度Ｖｐが小さければ、フィレット冷却装置を通過する時間が長くなり、フィレット部の冷却が進むことになる。搬送速度Ｖｐを調査する意味は冷却に必要な水量を把握することにある。
具体的な搬送速度Ｖｐの調査では、フィレット冷却装置１０を図１に示すブレークダウン圧延機３の入側および出側直近の２箇所に配置し、圧延の各パスにおいて、フィレット部冷却を行う場合はＨ形鋼の全長にわたってフィレット冷却装置１０を通過させて冷却を行った。フィレットの冷却を行うパスの数は条件によらず一定とし、粗圧延の後半パスから最終パスまで連続８パスで冷却を行うこととした。冷却対象のＨ形鋼は表２に示すフランジ厚ｔ_ｆ＝１２５ｍｍのサイズとし、フィレット冷却後のオンライン焼入れ装置６による焼入れ開始時のフランジ１／２Ｆ（１／４ｔ）における温度がほぼ所定の温度８４０℃となるように搬送速度Ｖｐを調整した。なおフィレット冷却開始時の１／２Ｆ（１／４ｔ）の温度は条件によらず約１０７５℃であった。また冷却ノズルの噴射距離Ｌｎ＝７０ｍｍ、広がり角α＝９７°、ねじり角β＝４５°、冷却水衝突幅Ｄｓ＝１３２ｍｍ（Ｄｓ／Ｂ＝０．２９）として一定とした。

図１１に確保可能なＶｐの結果を流量密度Ｗｄを横軸にとり整理した結果を示す。図１１からわかるように、特に流量Ｑｎを一定として水圧Ｐｎを変化させた場合の結果（比較例１～２、実施例１～３）のバラツキが大きく、一本の線上にはまとまらないことがわかる。
図１２に横軸に有効衝突流速Ｖｅをとって整理した場合の結果を示す。図１２からわかるように、水圧Ｐｎや流量Ｑｎを変化させた場合等の条件によらず、０．８５乗の累乗近似曲線でほぼ整理可能である。即ち式（５）で定義される有効衝突流速Ｖｅを指標に用いることで、冷却ノズルの噴射条件によらず普遍的に冷却能力を整理可能であることがわかる。

［圧延能率を確保するために必要なＶｅの条件］
また極厚のＨ形鋼圧延においては、通常圧延速度を２．５ｍ／ｓ～３．５ｍ／ｓとして圧延を行っており、フィレット冷却時の搬送速度が２．５ｍ／ｓを下回ると、圧延能率の低下が生じてしまうことになる。図１２から搬送速度２．５ｍ／ｓ以上を確保するためには、冷却ノズルから噴射される冷却水噴流の有効衝突流速Ｖｅを１．０ｍ／ｓ以上確保する必要のあることがわかる。
したがって、Ｄｓ／Ｂ＝０．１２～０．４０とした上で、Ｖｅを１以上とすることでＨ形鋼のサイズに依らず冷却効率化と製品特性安定化の両立が可能となる。

１０ フィレット冷却装置
１１ 冷却ノズル
１２ 開閉弁
１３ 流量調整弁
１４ 流量計
１５ 圧力計
１６ ガイド板
１７ ガイドロール

Claims (2)

1. フランジ幅Ｂ（ｍ）のＨ形鋼の製造方法であって、
   前記Ｈ形鋼のフランジ厚ｔ _ｆ が４０ｍｍを超え、
   粗圧延中または／および粗圧延後に、
   冷却ノズルからのフランジ外面に噴射される冷却水について前記Ｈ形鋼の長手方向に流量を積算して算出したフランジ幅方向の流量密度分布における流量密度が最大値の２０％以上の範囲を冷却水衝突幅Ｄｓ（ｍ）としたとき、
   ０．１２≦Ｄｓ／Ｂ≦０．４となるように冷却水衝突幅Ｄｓを設定し、
   冷却ノズルの流量をＱｎ（ｍ^３／ｍｉｎ）、給水圧をＰｎ（Ｐａ）、圧延方向の冷却ノズルピッチをＳｎ（ｍ）、冷却水の密度をρ_ｆ（ｋｇ／ｍ^３）、流量密度をＷｄ（ｍ^３／ｍ^２／ｍｉｎ）、冷却ノズルからフィレット部に噴射される冷却水の有効衝突流速をＶｅ（ｍ／ｓ）としたとき、
   Ｗｄ＝Ｑｎ／Ｓｎ／０．４Ｂ
   Ｖｅ＝Ｗｄ^１／２・（Ｐｎ／ρ_ｆ）^１／４
   Ｖｅ≧１．０
   となるように有効衝突流速Ｖｅ（ｍ／ｓ）を設定して、フィレット部を冷却することを特徴とするＨ形鋼の製造方法。
2. 粗圧延を行った後、仕上げ圧延を行い、焼入れを行うことを特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼の製造方法。

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