JPH0357509A - 薄肉ウエブｈ形鋼の冷却方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ ウエブ高さが大きく、フランジ厚に対しウエブ厚が薄い
薄肉ウエブＨ形鋼を熱間圧延によって製造する際のウエ
ブ波発生を防止する製造方法およびその装置に関するも
のである。

（２） ［従来の技術］ 周知の通り断面係数が大きく、強度に比して経済性の優
れた薄肉ウエブＨ形鋼は、圧延による製造方法ではウエ
ブ波の問題があって市場に供給された例がない６圧延製
造法によると、一般に前記ウエブ波の発生は、フランジ
とウエブとの冷却過程における温度差に起因する残留応
力によって、ウエブの座屈限界を超える圧縮内部応力が
ウエブに発生するためである。以下図面に従って更に詳
細に説明する。

第５図（ａ），（ｂ）は薄肉ウエブＨ形鋼のウエブ波に
関する説明図である。第５図（ａ）に示す通りウエブ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に比しウエブ厚Ｗｔが薄くさらにウェブ高
さＷ｝Ｉが高い場合は、第５図（ｂ）に示す如く、ウエ
ブ１にウエブ波３が生じて製品になりにくい。ウエブ波
の発生はウエブ座屈によるもので、ウエブ座屈応力はウ
エブ厚Ｗｔとウエブ巾Ｕの比Ｗｔ／Ｕの自乗即ち（Ｗｔ
／Ｕ）２が３　Ｘ　１０−’以下になると通常の熱間圧
延一空冷の工程ではウエブ波が（３） 発生する。

次に圧延Ｈ形鋼の残留応力の発生につぎ定性的に説明す
る。第６図（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とウエブ温度５、およびフランジとウエ
ブの温度差６の推移を示し、第６図（ｂ）は内部応力（
圧縮を正、引張を負で示す）の変化を模式的に示したも
ので７はフランジの応力、８はウエブの応力、９はウエ
ブの降伏応力、１０はフランジの引張側の降伏応力を表
している。

放冷中の温度推移は断面各部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。大きな特徴としてはフランジ温度４が変態を終了す
る時間Ａの近傍でフランジとウエブの温度差６はピーク
を示し、その後漸減しつつ、フランジとウエブの温度は
接近していく。

内部応力はフランジがＡｒｉ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エブが拘束するた
め、フランジ応力７は圧縮応力、ウエブ応力８は引張応
力となる。

フランジがＡｒ１変態を終了した後はフランジと（４） ウエブとの温度差６が小さくなるに従い、フランジに引
張、ウエブに圧縮の応力が蓄積していくが、一般にウエ
ブの断面積はフランジの断面積より小さく、従ってウエ
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。冷却がさらに進みウエブの圧縮応力８は時間Ｂ
において降伏応力９に点イで達すると、その後はほぼ降
伏応力に等しい値で推移する。常温Ｃの段階ではウエブ
とフランジにはそれぞれ点口、点ハで示す大きさの応力
が残留応力となる。一般に、この残留応力がウエブの座
屈応力より大きくなると冷却の途中でウエブ波を生じる
。

従来、残留応力を軽減するため、変態終了時間Ａに到達
するまでにウエブとフランジの温度差を少なくする手段
として、冷えば特開昭５０−１３３１１０号公報のウエ
ブ保温法あるいは特開昭４９−４３８１０号公報のフラ
ンジ水冷法がある。しかしながら薄肉ウエブＨ形鋼を製
造する場合、単にウエブとフランジの温度差を少なくす
るだけでは充分な効果を得られなかった。そこで本願出
願人は先に薄肉ウ（５） エブＨ形鋼を製造する具体的な手段として特願昭６３−
２７７００号で、強制冷却中にウエブ波が発生しない水
冷時間の上限もしくは水冷直後のフランジとウエブの温
度差の下限と、強制冷却後常温に至るまでのウエブの熱
応力がウエブの座屈応力以下となる水冷時間の下限もし
くは水冷直後のフランジとウエブの温度差の上限をＨ形
鋼のサイズおよび冷却水量密度毎に予め定めておき、こ
の範囲内で強制冷却する手段を提案した。この特願昭６
３−２７７００号技術の提供により既存の圧延加工装置
列に特別な装置を付加することなく薄肉ウエブＨ形鋼を
経済的に製造することが可能となったが、ある操業条件
のもとでは圧延材の長さ方向で部分的にウエブ波が生ず
ることがあり、またこの冷却手段ではＨ形鋼の圧延方向
先端部からフランジ冷却水がウエブ面に流入し、ウエブ
部が過度に冷却されるためウエブ波が生じやすいという
問題もあった。

［発明が解決しようとする課題コ 本願発明は本願出願人が先に提案した特願昭６３−２７
７００号技術を改良しＨ形鋼の長さ方向全長にわ（６） たってウエブ波を生しない最適な冷却手段とその装置を
提供するものである。

［課題を解決するための手段・作用］ まず、本願出願人の先願発明と共通するＨ形鋼のウエブ
波に関する基本的なメカニズム、即ちフランジの冷却条
件、冷却後の時間経過がフランジおよびウエブの温度、
さらにはウエブ応力等にどのように影響するかについて
述べる。第７図（ａ）は仕上げ圧延後のＨ形鋼の空冷お
よび水冷における冷却曲線の例を示し，第７図（ｂ）は
第７図（ａ）の温度変化に対応するウエブの熱応力の変
化を示したものである。横軸はウエブ幅方向中央部の温
度であり、横軸右方向は時間の経過とともに高温から低
温へ推移する状態を示す。曲線１１は空冷の場合のフラ
ンジ冷却曲線，曲線１２〜１４はウエブ温度がＤであっ
た時点からフランジ水冷を開始した時のフランジの冷却
曲線であり、１２は短時間水冷（水冷終了が温度Ｅまで
）、１４は長時間水冷（水冷終了温度Ｇまで）、１３は
両者中間の水冷時間（水冷終了が温度Ｆまで）で冷却し
た場合の各フランジの（７） 冷却曲線を示す。直線Ｉ５はウエブの冷却曲線であるが
、ウエブに対しては強制冷却を施さないので空冷・水冷
共通となっている。第７図（ｂ）の曲線１６〜ｌ９は前
記の各冷却曲線１１〜１４に対応するウェブの熱応力推
移を示す。また、図中の曲線２０はウエブの座屈応力を
示し、高温度になるほど小さな値となる。ところで、ウ
エブ波は前記したようにウエブの座屈限界を越える圧縮
内部応力がウエブに生じた時に発生するから、第７図の
空冷の場合の熱応力ｌ６は温度低下につれて圧縮応力が
増大し、点二において座屈応力２０に達し、ウエブ波が
発生することになる。フランジ水冷材の熱応力を示す曲
線１７〜１９で共通していることは、水冷中にフランジ
とウエブの温度差が小さくなるに従い圧縮応力が増大す
るが、水冷を終了すると一旦引張り側へ変化した後、再
び圧縮側へ変化する。これは水冷により縮小されたフラ
ンジとウエブの温度差が、水冷後一旦拡大し、縮小する
ためである。水冷中のウエブの圧縮応力は点ト、へ，ホ
で示すように、水冷時間が長いほど大きく、逆に常温の
圧縮応カ（８） は点ヌ、り、チで示すように水冷時間が長いほど小さく
なる。」二記の短・中・長の各水冷時間条件のうちで冷
却時間の長い応力推移曲線１９の水冷中の応力は点ルで
座屈応力２０に達しており、水冷中にウエブ波が発生す
る。また、冷却時間が短い応力曲線１７の場合，水冷中
の熱応力のピーク点示は座屈応力２０以下であり、水冷
中にウエブ波が発生することはないが、水冷終了後常温
に至る途中の点ヲで座屈応力２０に達し、ウェブ波が発
生することが分った。即ち，水冷程度が強すぎる場合は
水冷中に、また水冷程度か弱すぎる場合には水冷後常温
に至るまでの間にウエブ波が発生している。そして、中
間の水冷時間の場合の熱応力推移１８は水冷中および水
冷後常温に至るまで座屈応カ以下であり，この条件のも
とでウェブ波を防止することが可能となる。即ち、薄肉
ウェブＨ形鋼の場合は、従来サイズのＨ形鋼における残
留応カ軽減法のように単にフランジとウエブの温度差を
縮小するためのフランジ水冷のみではウェブ波を防止す
ることができない。そこで、本願出願人が先に提案し（
９） た特願昭６３−２７７００号において、強制冷却中にウ
エブ波が発生しない水冷時間の上限もしくは水冷直後の
フランジとウエブの温度差の下限と、強制冷却後常温に
至るまでのウエブの熱応力がウエブの座屈応力以下とな
る水冷時間の下限もしくは水冷直後のフランジとウエブ
の温度差の上限をＨ形鋼のサイズおよび冷却水量密度毎
に予め定めておき、この範囲内で強制冷却する手段を提
案したものである。

基本的には上記の冷却手段によって薄肉ウエブＨ形鋼の
冷却途中に発生するウエブ波は防止可能であるが、Ｈ形
鋼の全長に亘って冷却時間を一定とした場合に、ある条
件のもとではウェブ波が解消しないことが分かった。即
ち、圧延Ｈ形鋼の長さは通常５０〜１４０ｍにおよび、
冷却開始時のＨ形鋼の長さ方向におけるフランジとウエ
ブの温度は均一でなく、Ｈ形鋼の全長に亘って一定の冷
却時間とすれば長さ方向各部位での冷却終了温度が異な
ることになり、圧延Ｈ形鋼全長で冷却時間範囲が共通で
ない場合に全長にわたってウェブ波が解（１０） 消されない。本願発明の冷却手段は上述の冷却前におけ
るＨ形鋼の長さ方向のフランジとウエブの温度の差異に
応じ、水冷時間を変更することによってウエブ波を解消
したものであって、その要旨とするところは最終仕上げ
圧延機で仕上げ圧延した直後のＨ形鋼のフランジを強制
冷却して薄肉ウエブＨ形鋼を製造する方法において、強
制冷却中にウエ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エブの熱応力がウエブの座
屈応力以下となる水冷時間の下限とをＨ形鋼のサイズ，
鋼種，冷却水量密度およびＨ形鋼のフランジ温度とウエ
ブ温度毎に予め定めておくと共に最終仕上げ圧延機出側
の形鋼搬送方向の両側に複数ゾーンに分割したフランジ
冷却装置を設け、水冷開始前のフランジ温度とウエブ温
度をＨ形鋼の長さ方向に測定し、フランジ水冷時間が前
記水冷時間の上下限の範囲内になるように前記フランジ
冷却装置の各ゾーンをオン・オフ制御してＨ形鋼長手方
向の冷却時間を変更する薄肉ウェブＨ形鋼の冷却方法で
ある。以下、本発明を更に詳細に（１１） ？明する。

対象とする薄肉ウエブＨ形鋼の冷却開始温度は長手方向
およびバー間で同一でない。このため冷却開始時のフラ
ンジとウエブの温度によってウエブ波を防止できる冷却
時間の範囲、即ち冷却上・下限時間が異なる。従って、
対象とする薄肉ウエブＨ形鋼の長手方向およびバー間の
フランジとウエブの温度範囲を全て包含するフランジ温
度とウエブ温度の関連毎に前記第７図で説明した熱応力
計算を行い、予めウエブ波の防止が可能な冷却時間範囲
を求めておく。例えば、第１−図（ａ）は仕」二げ圧延
終了後、水冷開始時のフランジ温度■とウエブ温度■を
Ｈ形鋼の長さ方向に測定したものである。図においてフ
ランジ温度とウエブ温度はＨ形鋼の長さ方向先端部下が
最も高温であり、長さ方向後端になる従い漸次低下し最
後端部Ｂで最も低い温度となっている。例えば長手方向
Ｐ３におけるフランジ温度Ｔ１、ウエブ温度Ｔ２で、こ
の長手方向Ｐ■におけるウエブ波を防止できる水冷時間
範囲は第１図（ｂ）に示す水冷時間上限■及び水（ｌ２
） ？時間下限■で囲まれた範囲ｔ■秒となる。同様に長手
方向の部位がＰ２点ではフランジ温度がＴ１１、ウエブ
温度がＴ２２に低下しているので水冷時間」二限■及び
水冷時間下限■の温度はおのお小さくなり，水冷時間は
ｔ２秒の範囲となり、Ｐ１点の場合より水冷時間は短く
する必要がある。このようにして第１図（ａ）の長手方
向各部位の冷却開始時のフランジ温度■、ウエブ温度■
に応じたウエブ波防止水冷時間範囲は第工図（ｂ）の水
冷時間上限■及び水冷時間下限■で囲まれた範囲が求ま
る。

本発明では上述のように長平方向でウエブ波防止水冷時
間範囲が異なることに着目して、製品サイズ、鋼種、冷
却水量密度毎にフランジとウエブの温度とウエブ波発生
有無との関係を予め把握しておき、長手方向の実測温度
に応じて水冷時間を変更するものである。本発明におい
て長手方向に対して冷却時間を変更する具体的な手段は
、フランジ冷却装置を形鋼搬送方向に複数ゾーンに分割
し、圧延材を一定の速度で冷却帯を搬送しながら（１３
） 圧延材の長さ方向各位置で、所要水冷時間に応じて所要
ゾーン数だけ注水するオン・オフ制御するようにしてい
る。

なお、ウエブ温度が高い程ウエブ波防止は容易であるた
め、注水中のフランジ水冷帯へ薄肉ウェブＨ形鋼を走行
させるとフランジ冷却水がウェブ上面に被水し、ウェブ
部が過度に冷却されることを防止する手段として、本発
明ではＨ形鋼の先端部が当該冷却ゾーンを通過した後に
その冷却ゾーンの冷却を開始するようにした。第２図（
ａ）〜（ｄ）はその過程の一部を示す略図であり、第２
図（ａ）はＨ形鋼１ａの最先端部１１ａが最終仕上げ圧
延４！ｆＩ２１を出た時点では、最先の冷却ゾーン２２
ａは未だ注水されていない状態、第２図（ｂ）は冷却ゾ
ーン２２ａを先端部１１ａが通過した後に冷却ゾーン２
２ａの注水が開始される状態（斜線を付している）、以
下、冷却ゾーン２２ｂ〜２２ｈの制御も順次同様にして
行う。

第３図は本発明装置の概略図である。図において最終仕
上げ圧延機２ｌの後面にはＨ形鋼搬送方向に沿って両側
に複数の冷却ゾーンに分割されたフ（１４） ランジ冷却装置２２が設けられている。なお、各冷却ゾ
ーンの長さ悲は各ゾーン一定長さとしている。

各冷却ゾーンの間にはＨ形鋼先端部の到着を検知する鋼
材検出器２３が設けられている。２４ａ，　２４ｂは最
終仕上げ圧延機後面の最先の冷却ゾーン２２ａの前面に
設けられたフランジおよびウエブ温度検出器である。冷
却基準値記憶装置２５は前述のＨ形鋼のサイズ、鋼種、
冷却水量密度等の基準値を予め記憶しておく記憶装置で
あり、冷却制御装置２６は前記鋼材検出器２３、温度検
出器２４ａ，　２４ｂおよび冷却基準値記憶装置２５か
らの入力信号により各冷却ゾーンに注水のオン・オフ指
令を行う冷却ゾーン制御装置２７に出力するものである
。

［実施例コ 第４図（ａ）はＨ　６００　Ｘ　２００　Ｘ　６／１９
、材質ＳＳ４　１の圧延材の長さ方向各位置での水冷開
始温度を示し、■はフランジの水冷開始温度、■はウエ
ブの水冷開始温度であり、（ｂ）はこの温度実績に応じ
た水量密度４００Ｑ／ｍ２・ｍｉｎで長さ方向各位置で
のフランジ水冷時間を求めたもので、■は冷却上限時間
、（１５） ■は冷却下限時間で、■と■との間の時間でフランジを
冷却すれば冷却ウエブ波が防止できる範囲である。

第４図から明らかなように全長均一フランジ水冷時間で
の冷却ウエブ波防止は不可能である。全長冷却ウエブ波
を防止するためには長さ方向各位置で水冷時間を変更す
る必要がある。Ｈ　６００　Ｘ　Ｚｏｏ　Ｘ６／１９、
鋼種ＳＳ４　１の薄肉ウエブＨ形鋼に対し、仕上げ圧延
機後面のフランジ水冷装Ｒ（全長６０ｍ、各ゾーン長５
ｍ、ゾーン数１２）によって実施した結果を長さ方向均
一時間冷却と比較して第１表に示す。

第　　　　１　　　　表 第１表から明らかなように本発明法によってＨ形（１６
） 鋼全長にわたってウエブ波の防止が可能である。

なお、本実施例では水冷時間を第４図（ｂ）の■に示す
階段状に設定したが、この長さ方向の水冷時間設定はフ
ランジ水冷装置の１ゾーン長と同じ長さ毎に設定し、そ
の位置での許容冷却時間の中央を設定するのが望ましい
。

［発明の効果］ 本発明によれば薄肉ウエブＨ形鋼のウエブ波を長手方向
全長にわたって防止でき、使用設備も大規模なものを必
要としないので工業的な経済効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するグラフ、 第４図は本発明の実施例を示す図、 第５図は薄肉ウエブＨ形鋼を説明する略図、第６図はウ
エブとフランジの内部応力と時間経過との関係を示すグ
ラフ、 第７図は冷却条件を変化させた場合のウェブ温度（１７
） の変化およびウエブ温度に対応するウエブ応力の変化を
示すグラフ、 である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）最終仕上げ圧延機で仕上げ圧延した直後のＨ形鋼
   のフランジを強制冷却して薄肉ウェブＨ形鋼を製造する
   方法において、強制冷却中にウェブ波が発生しない水冷
   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とを
   Ｈ形鋼のサイズ、鋼種、冷却水量密度およびＨ形鋼のフ
   ランジ温度とウェブ温度毎に予め定めておくと共に最終
   仕上げ圧延機出側の形鋼搬送方向の両側に複数ゾーンに
   分割したフランジ冷却装置を設け、水冷開始前のフラン
   ジ温度とウェブ温度をＨ形鋼の長さ方向に測定し、フラ
   ンジ水冷時間が前記水冷時間の上下限の範囲内になるよ
   うに前記フランジ冷却装置の各ゾーンをオン・オフ制御
   してＨ形鋼長手方向の冷却時間を変更することを特徴と
   する薄肉ウェブＨ形鋼の冷却方法。
2. （２）Ｈ形鋼の長さ方向先端部が冷却ゾーンを通過した
   後に当該冷却ゾーンの冷却を順次開始し、ウエブへの水
   乗りを防止することを特徴とする請求項（１）記載の薄
   肉ウェブＨ形鋼の冷却方法。
3. （３）最終仕上げ圧延機後面のＨ形鋼搬送方向の両側に
   複数の冷却ゾーンに分割されたフランジ冷却装置と、該
   冷却ゾーン毎に設けられた鋼材検出器と、前記フランジ
   冷却装置の前面に設けられた温度検出器と、Ｈ形鋼のサ
   イズ、鋼種、冷却水量密度等の基準値を予め記憶してお
   く冷却基準値記憶装置と、前記鋼材検出器、温度検出器
   および冷却基準値記憶装置からの入力信号によりフラン
   ジ冷却装置の作動を制御する冷却制御装置からなること
   を特徴とする薄肉ウェブＨ形鋼の冷却装置。