JPH06100923A - 含オキサイド系耐火用形鋼の制御圧延による製造方法 - Google Patents

含オキサイド系耐火用形鋼の制御圧延による製造方法

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JPH06100923A
JPH06100923A JP4254701A JP25470192A JPH06100923A JP H06100923 A JPH06100923 A JP H06100923A JP 4254701 A JP4254701 A JP 4254701A JP 25470192 A JP25470192 A JP 25470192A JP H06100923 A JPH06100923 A JP H06100923A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 建造物の構造部材に用いる耐火性と靱性の優
れたH形鋼、I形鋼等のフランジを有する形鋼を新製鋼
法と加速冷却制御圧延によりインラインで製造する。 【構成】 製鋼工程での予備脱酸により溶鋼の酸素濃度
を制御し所定の成分鋼とした後、微量Alにより最終脱
酸し粒内フェライト生成能に優れた複合酸化物粒子を分
散させた鋳片とし、この鋳片を熱間圧延において、圧延
パス間水冷と圧延後の加速冷却との組合せ処理を行い、
組織の微細化と低合金化を達成し、常温・高温強度、靱
性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、建造物の構造部材とし
て用いられる耐火性、靱性の優れた制御圧延形鋼の製造
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】建築物の超高層化、建築設計技術の高度
化などから耐火設計の見直しが建設省総合プロジェクト
により行われ、昭和62年3月に「新耐火設計法」が制
定された。この規定により、旧法令による火災時に鋼材
の温度を350℃以下にするように耐火被覆するとした
制限が解除され、鋼材の高温強度と建築物の実荷重との
かねあいにより、それに適合する耐火被覆方法を決定で
きるようになった。即ち600℃での設計高温強度を確
保できる場合はそれに見合い耐火被覆を削減できるよう
になった。
【0003】このような動向に対応し、先に特開平2−
77523号公報の耐火性の優れた建築用低降伏比鋼お
よび鋼材並びにその製造方法が提案されている。この先
願発明の要旨は600℃での降伏点が常温時の70%以
上となるようにMo、Nbを添加し高温強度を向上させ
たものである。鋼材の設計高温強度を600℃に設定し
たのは、合金元素による鋼材費の上昇とそれによる耐火
被覆施工費との兼ね合いから最も経済的であるという知
見に基づいたものである。
【0004】また、従来は鋼のAl脱酸は溶製過程の初
期段階でAl添加され、溶鋼の脱酸と生成したAl2
3 を浮上分離し、高清浄化することを目的にしていた。
即ち、如何に溶鋼の酸素濃度を下げ、鋼中の一次脱酸酸
化物数を減らすかに主題がおかれていた。本発明は従来
の発想とは異なり、脱酸過程を制御することにより粒内
フェライト変態核として有能な微細な複合酸化物を析出
させ利用する点に特徴がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は前述の先
願技術によって製造された鋼材を各種の形鋼、特に複雑
な形状から厳しい圧延造形上の制約を有するH形鋼の素
材に適用することを試みた結果、ウエブ、フランジ、フ
ィレットの各部位での圧延仕上げ温度、圧下率、冷却速
度の差から、部位により組織、特にベイナイト割合が著
しく異なり、常温・高温強度、延性、靱性がバラツキ、
溶接構造用圧延鋼材(JIS G3106)等の規準に
満たない部位が生じた。
【0006】本発明は、上記の課題を解決するために、
ミクロ組織の細粒化を製鋼と圧延工程を工夫することに
より達成し、材質特性に優れた安価で経済的な耐火性、
靱性に優れた制御圧延形鋼の製造手段を提供することに
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決するためになされたものであり、その要旨とすると
ころは、 重量%でC:0.04〜0.20%、Si:0.05
〜0.50%、Mn:0.4〜2.0%、Mo:0.3
〜0.7%、N:0.003〜0.015%、Ti:
0.005〜0.025%を含み、残部がFeおよび不
可避不純物からなる溶鋼を、予備脱酸処理によって、溶
存酸素を重量%で0.003〜0.015%に調整後さ
らに、金属アルミもしくはフェロアルミの添加により脱
酸し、該Al含有量が重量%で0.005〜0.015
%で、かつ溶鋼の溶存酸素〔O%〕に対し−0.004
≦〔Al%〕−1.1〔O%〕≦0.006の関係を満
たす鋳片に鋳造し、該鋳片を1100〜1300℃の温
度域に再加熱後に圧延を開始し、圧延工程で鋼片の平均
温度を700℃以下に水冷し、パス間の復熱過程で圧延
する工程を一回以上繰り返し圧延し、圧延終了後に1〜
30℃/Sの冷却速度で650〜400℃まで冷却する
ことを特徴とする含オキサイド系耐火用形鋼の制御圧延
による製造方法および、 重量%でC:0.04〜0.20%、Si:0.05
〜0.50%、Mn:0.4〜2.0%、Mo:0.3
〜0.7%、N:0.003〜0.015%、Ti:
0.005〜0.025%を含み、加えてV≦0.20
%、Cr≦0.7%、Nb≦0.05%、Ni≦1.0
%、Cu≦1.0%、Ca≦0.003%、REM≦
0.010%の1種または2種以上を含み、残部がFe
および不可避不純物からなる溶鋼を、予備脱酸処理によ
って、溶存酸素を重量%で0.003〜0.015%に
調整後さらに、金属アルミもしくはフェロアルミの添加
により脱酸し、該Al含有量が重量%で0.005〜
0.015%で、かつ溶鋼の溶存酸素〔O%〕に対し−
0.004≦〔Al%〕−1.1〔O%〕≦0.006
の関係を満たす鋳片に鋳造し、該鋳片を1100〜13
00℃の温度域に再加熱後に圧延を開始し、圧延工程で
鋼片の平均温度を700℃以下に水冷し、パス間の復熱
過程で圧延する工程を一回以上繰り返し圧延し、圧延終
了後に1〜30℃/Sの冷却速度で650〜400℃ま
で冷却することを特徴とする含オキサイド系耐火用形鋼
の制御圧延による製造方法である。
【0008】
【作用】以下、本発明について詳細に説明する。鋼材の
高温強度は鉄の融点のほぼ1/2の温度の700℃以下
では常温での強化機構とほぼ同様であり、フェライト
結晶粒径の微細化、合金元素による固溶体強化、硬
化相による分散強化、微細析出物による析出強化等に
よって支配される。一般に高温強度の上昇にはMo、C
rの添加による析出強化と転位の消失抑制による高温で
の軟化抵抗を高めることにより達成されている。しかし
Mo、Crの添加は著しく焼き入れ性を上げ、母材のフ
ェライト+パーライト組織をベイナイト組織に変化させ
る。ベイナイト組織を生成し易い成分系鋼を圧延形鋼に
適応した場合は、その特異な形状からウエブ、フラン
ジ、フィレットの各部位で、圧延仕上げ温度、圧下率、
冷却速度に差を生じるため、各部位によりベイナイト組
織割合が大きく変化する。その結果として常温・高温強
度、延性、靱性がバラツキ、規準に満たない部位が生じ
る。加えて、これらの元素の添加により溶接部を著しく
硬化させ、靱性を低下させる。
【0009】本発明の特徴は、溶鋼の溶存酸素量の制御
と出鋼直前に微量Alを添加する脱酸元素の添加手順と
により、鋼中に分散析出させたAl、Ti、Mn、S
i、元素より構成される複合酸化物粒子を核にしたMn
S、TiNとVNの複合析出物を分散析出させることに
より、加熱圧延時のオーステナイト粒内からの粒内フェ
ライト変態の促進効果を利用し、H形鋼の各部位のベイ
ナイトとフェライトの組織割合の変化を少なくし、母材
の機械特性の向上と均一化を達成したことと、V炭窒化
物の析出強化により高温強度を上昇させたところにあ
る。
【0010】溶接熱影響部(以下HAZと称す)は鉄の
融点直下の温度に加熱され、オーステナイト粒の著しい
粗粒化を生じ、その結果、組織の粗粒化を招き、靱性を
著しく低下させる。本発明により鋼中に分散させた複合
酸化物粒子は針状の粒内フェライト生成機能に優れ、H
AZ部においても熱安定性に優れ、溶接冷却時に、これ
を核に粒内フェライト組織を生成し組織を著しく微細化
し靱性を向上させる特徴を有している。
【0011】次に本発明鋼の基本成分範囲の限定理由に
ついて述べる。まず、Cは鋼の強度を向上させる有効な
成分として、添加するもので、0.04%未満では構造
用鋼として必要な強度が得られず、また、0.20%超
える過剰の添加は、母材靱性、溶接割れ性、HAZ靱性
などを著しく低下させるので、上限を0.20%とし
た。
【0012】次に、Siは母材の強度確保、予備脱酸な
どに必要であるが、0.5%を超えると熱処理組織内に
硬化組織の高炭素マルテンサイトを生成し、靱性を著し
く低下させる。また、0.05%未満では必要なSi系
酸化物が生成できないため、Si含有量をこの範囲に制
限した。Mnは母材の強度、靱性の確保には0.4%以
上の添加が必要であるが、溶接部の靱性、割れ性などの
許容できる範囲で上限を2.0%とした。
【0013】NはVN、TiNの析出には極めて重要な
元素であり、0.003%未満ではTiN、VNの析出
量が不足し、フェライト組織の十分な生成量が得られ
ず、また600℃での高温強度も確保できないため0.
003%以上とした。含有量が0.015%を超えると
母材靱性を低下させ、連続鋳造時の鋼片の表面割れを生
じさせるため0.015%以下に制限した。
【0014】Moは母材強度および高温強度の確保に有
効な元素である。0.3%未満ではVNの析出強化との
複合作用によっても十分な高温強度が確保できず、0.
7%超では焼き入れ性が上昇しすぎ母材靱性、HAZ靱
性が劣化するため0.3〜0.7%に制限した。Tiは
脱酸材としTi系酸化物を生成させ、圧延時に粒内フェ
ライトの生成を促進させる効果と微細なTiNを析出さ
せオーステナイトの細粒化と粒内フェライトの生成を促
進し母材及び溶接部の靱性を向上させる。従って、0.
005%未満では酸化物中のTi含有量が不足し、粒内
フェライト生成核としての作用が低下するためTi量の
下限値を0.005%以上とした。しかし0.025%
を超えると過剰なTiはTiCを生成し、析出硬化を生
じ溶接熱影響部の靱性を著しく低下させるためにこれを
上限とした。
【0015】不可避不純物として含有するP、Sはその
量について特に限定しないが凝固偏析による溶接割れ、
靱性などの低下を生じるので、極力低減すべきであり、
望ましくはP,S量はそれぞれ0.02%未満である。
以上が本発明鋼の基本成分であるが、母材強度の上昇、
および母材の靱性向上の目的で、V、Cr、Nb、N
i、Cu、Ca、REMの1種または2種以上を含有す
ることができる。
【0016】まず、VはVNとして粒内フェライト組織
の生成とその細粒化、高温強度の確保のために必要であ
るが、0.2%超では析出量が過剰になり母材靱性、溶
接部靱性が低下するため0.2%以下に制限した。Cr
は焼き入れ性を向上させ、母材の強化、高温強化に有効
である。しかし上限を超える過剰の添加は、靱性および
硬化性の観点から有害となるため、上限を0.7%とし
た。
【0017】Nbは母材の強靱化に有効であるが上限を
超える過剰の添加は、靱性及び硬化性の観点から有害と
なるため0.05%以下とした。Niは、母材の強靱性
を高める極めて有効な元素であるが、1.0%を超える
添加は合金コストを増加させ経済的でないので上限を
1.0%とした。Cuは母材の強化、耐候性に有効な元
素であるが、応力除去焼鈍による焼き戻し脆性、溶接割
れ性、熱間加工割れなどを考慮して、上限を1.0%と
した。
【0018】CaとREMは熱間圧延時にMnSの延伸
により生じるUST欠陥、靱性低下を防止する目的で添
加するものである。理由はMnSに代わり、高温変形能
の小さいCa−O−S或いはREM−O−Sの球状の硫
化酸化物を生成させ、圧延によってもMnSのように延
伸しないように介在物の性状と形状制御を行うことであ
る。しかし、重量%でCaが0.003%を、REMで
0.01%を超えて添加すると各々のCa−O−S、R
EM−O−Sは多量に、しかも粗大介在物となり、母材
及び、溶接部の靱性悪化をもたらすので重量%でCaは
0.003%以下に、REMは0.01%以下に制限し
た。
【0019】上記の成分でなる溶鋼を予備脱酸処理によ
り溶存酸素を制御する。溶存酸素の制御は溶鋼を高清浄
化すると同時に鋳片内に微細な酸化物を分散させるため
に極めて重要なものである。溶存酸素を重量%で0.0
03〜0.015%の範囲に制御する理由は、予備脱酸
後の〔O〕濃度が0.003%未満では粒内フェライト
変態を促進する粒内フェライト生成核の複合酸化物が減
少し、細粒化できず靱性を向上できない。一方、0.0
15%を超える場合は、他の条件を満たしていても、酸
化物が粗粒化し脆性破壊の起点となり、靱性を低下させ
るために予備脱酸後の〔O〕濃度を重量%で0.003
〜0.015%に限定した。
【0020】上記の予備脱酸処理は真空脱ガス、Al、
Si、Ca、Mg脱酸により行った。その理由は真空脱
ガス処理は直接溶鋼中の酸素をガスおよびCOガスとし
て除去し、Al、Si、Ca、Mgなどの強脱酸により
生成する酸化物系介在物は浮上、除去しやすいため溶鋼
の清浄化に極めて効果的なためである。次に微量Alを
添加し、鋳造を行い製鋼工程を終了する。但し、Alは
強力な脱酸元素であり、0.015%超の含有は粒内フ
ェライト変態を促進する複合酸化物が生成されず、靱性
の低下がもたらされることと、過剰な固溶AlはNと化
合しAlNを生成し、VNの析出量を低減させるため
0.015%以下に限定した。また、0.005%未満
では目的のAlを含有する複合酸化物が生成できないた
め、0.005%以上とした。かつ溶鋼の溶存酸素〔O
%〕に対しAl量を重量%で,−0.004%≦〔Al
%〕−1.1〔O%〕≦0.006%の関係を満たすよ
うに限定したのは、この関係式において重量%でAlが
〔O〕濃度に対し過剰である場合は複合酸化物の生成数
が減少し、粒内フェライト生成核として無効なAl2
3 を多数生成し組織の細粒化ができず靱性が低下し、重
量%でAlが〔O〕濃度に対し過小である場合は粒内フ
ェライト核となる複合酸化物が著しく減少するため、こ
のように限定した。なお、Alを製鋼過程の後期に添加
する理由はAlは脱酸力が強く安定なAl2 3 を生成
し、目的の低融点の複合酸化物が生成しにくいためであ
る。
【0021】上記の処理を経た鋳片は次に1100〜1
300℃の温度域に再加熱する。この温度域に再加熱温
度を限定したのは、熱間加工による形鋼の製造には塑性
変形を容易にするために1100℃以上の加熱が必要で
あり、且つV,Moによる高温での降伏点を増大させる
には、これらの元素を十分に固溶させる必要があるため
再加熱温度の下限を1100℃とした。その上限は加熱
炉の性能、経済性から1300℃とした。
【0022】加熱した鋼材は粗圧延、中間圧延、仕上げ
圧延の各工程により圧延造形されるが、本発明法の圧延
工程における特徴は、中間圧延機において、圧延パス間
で、鋼片表層部の温度を700℃以下に冷却し、鋼材表
面が復熱する過程で熱間圧延を行うことを少なくとも中
間圧延工程で1回以上行うことである。これは圧延パス
間の水冷により、鋼片の表層部から内部にかけ温度勾配
を付与し、低圧下条件においても内部への加工を浸透さ
せるためと、低温圧延により生じるパス間待ち時間を短
縮し、効率的に行うためである。水冷と復熱圧延の繰り
返し数は被圧延材の厚みの大きさ、例えばH形鋼の場合
ではフランジの厚みに応じ、厚みが大きい場合には復数
回行う。ここで鋼片の平均温度を700℃以下に限定し
冷却する理由は、圧延に引き続き加速冷却するため、通
常のγ温度域からの冷却では表層部に焼きが入り、硬化
相を生成し加工性を損ねるためである。即ち700℃以
下に冷却すれば、一旦γ/α変態温度を切り、次の圧延
するまでに表層部は復熱昇温し、低温γかγ/α二相共
存温度域での加工となり、焼き入性を著しく低減でき、
加速冷却による表面層の焼き入れ硬化を防止できる。
【0023】また、圧延終了後、引続き、1〜30℃/
Sの冷却速度で650〜400℃まで冷却し終了すると
したのは、通常のスプレー冷却で制御可能な範囲は1〜
30℃/Sの冷却速度の加速冷却であり、この冷却速度
範囲でフェライトの粒成長の抑制とパーライト及びベイ
ナイト組織比率を増加させ、低合金で目標の強度を得る
ためであり、650〜400℃で加速冷却を停止するの
は、650℃超での加速冷却の停止では、Ar1 点以上
となり、一部γ相が残存し、フェライトの粒成長の抑制
とパーライト及びベイナイト組織比率を増加させること
ができないため、650℃以下とした。また、400℃
未満の冷却では、その後の放冷によりフェライト相に過
飽和に固溶しているC、Nを炭化物、窒化物として析出
させることができず、フェライト相の延伸が低下するた
め、この温度範囲に限定した。
【0024】
【実施例】試作形鋼は転炉溶製し、真空脱ガス処理時に
予備脱酸処理を行い、合金添加後、溶鋼の酸素濃度を測
定し、その量に見合ったAl量を添加し連続鋳造により
250〜300mm厚鋳片に鋳造した後、図1に示す、ユ
ニバーサル圧延装置列によりH形鋼に圧延した。図にお
いて粗圧延機の図示は省略しているが、粗圧延機に続い
て配置された中間圧延機4、この中間圧延機4の前後面
に配した水冷装置5a、および仕上げ圧延機6、仕上げ
圧延機6の後面に配置した冷却装置5bを示す。この圧
延装置列によって、圧延パス間水冷は中間ユニバーサル
圧延機の前後面でのフランジ内外面のスプレー冷却とリ
バース圧延の繰り返しにより行い、圧延後の加速冷却は
仕上げ圧延機の後面でフランジ、ウエブをスプレー冷却
した。機械特性は図2に示すフランジ2の板厚t2 の中
心部(1/2t2 )でフランジ幅全長(B)の1/4,
1/2幅(1/4B,1/2B)から、ウェブ3の板厚
中心部でウエブ高さの1/2Hから試験片を採集し求め
た。なお、これらの箇所の特性を求めたのはフランジ1
/4F部とウェブ1/2W部はフランジ部とウェブ部の
各々の平均的な機械特性を示し、フランジ1/2F部は
その特性が最も低下するので、これら三箇所によりH形
鋼の機械試験特性を代表できるとしたためである。
【0025】
【表1】
【0026】
【表2】
【0027】表1および表2は、試作鋼の化学成分値を
示し、表3および表4は圧延と加速冷却条件に対する機
械試験特性を示す。なお、圧延加熱温度を1280℃に
揃えたのは、一般的に加熱温度の低減は機械特性を向上
させることは周知であり、高温加熱条件は機械特性の最
低値を示すと推定され、この値がそれ以下の加熱温度で
の特性を代表できると判断したためである。
【0028】
【表3】
【0029】
【表4】
【0030】表3および表4に示すように、本発明によ
る鋼1〜6は、目標の600℃における高温強度および
母材強度(前記JISG3106)と−5℃でのシャル
ピー値47(J)以上を十分に満たしている。一方、比
較鋼の7、8、9は本発明の複合酸化物の分散が施され
ていない通常のAl脱酸のためと、圧延中と圧延後の加
速冷却処理が施されていないため、母材の常温強度と高
温強度は規格を満たすものの、組織の細粒化と低合金化
ができないため、靱性が低下し、特にフランジの板厚1
/2で幅1/2部の靱性は目標値を満足しない。なお、
本発明は圧延後の加速冷却処理により、フランジ表層部
に焼きが入り、硬化し、加工性を損なう現象を圧延パス
間水冷によるγ細粒化により防止しており、フランジ外
側面の表面硬さが目標のビッカース硬さでHv240以
下を達成している。
【0031】即ち、本発明の要件が総て満たされた時
に、表3および表4に示される形鋼1〜6のように、圧
延形鋼の機械試験特性を最も満たしにくいフランジ板厚
1/2,幅1/2部においても常温と600℃における
十分な強度を有する、耐火性と靱性の優れた材質特性を
持つ圧延形鋼の製造が可能になる。なお、本発明が対象
とする圧延形鋼は上記実施例のH形鋼に限らずI形鋼、
山形鋼、溝形鋼、不等辺不等厚山形鋼等のフランジを有
する形鋼にも適用できることは勿論である。
【0032】
【発明の効果】本発明による圧延形鋼は機械試験特性の
最も保証しにくいフランジ板厚1/2,幅1/2部にお
いても十分な強度、靱性を有し、高温特性、耐火材の被
覆厚さが従来の20〜50%で耐火目的を達成できる、
優れた耐火性及び靱性を持つ制御冷却圧延形鋼の能率的
な製造がインラインで可能になり、施工コスト低減、工
期の短縮による大幅なコスト削減が図られ、大型建造物
の信頼性向上、安全性の確保、経済性等の産業上の効果
は極めて顕著なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明法を実施する装置配置例の略図である。
【図2】H形鋼の断面形状および機械試験片の採取位置
を示す図である。
【符号の説明】
1…H形鋼 2…フランジ 3…ウエブ 4…中間圧延機 5a…中間圧延機前後面の水冷装置 5b…仕上げ圧延機後面冷却装置 6…仕上げ圧延機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C22C 38/12

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で C:0.04〜0.20%、 Si:0.05〜0.50%、 Mn:0.4〜2.0%、 Mo:0.3〜0.7%、 N:0.003〜0.015%、 Ti:0.005〜0.025% を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなる溶鋼
    を、予備脱酸処理によって、溶存酸素を重量%で0.0
    03〜0.015%に調整後さらに、金属アルミもしく
    はフェロアルミの添加により脱酸し、該Al含有量が重
    量%で0.005〜0.015%で、かつ溶鋼の溶存酸
    素〔O%〕に対し−0.004≦〔Al%〕−1.1
    〔O%〕≦0.006の関係を満たす鋳片に鋳造し、 該鋳片を1100〜1300℃の温度域に再加熱後に圧
    延を開始し、圧延工程で鋼片の平均温度を700℃以下
    に水冷し、パス間の復熱過程で圧延する工程を一回以上
    繰り返し圧延し、圧延終了後に1〜30℃/Sの冷却速
    度で650〜400℃まで冷却することを特徴とする含
    オキサイド系耐火用形鋼の制御圧延による製造方法。
  2. 【請求項2】 重量%で C:0.04〜0.20%、 Si:0.05〜0.50%、 Mn:0.4〜2.0%、 Mo:0.3〜0.7%、 N:0.003〜0.015%、 Ti:0.005〜0.025%を含み、 加えてV≦0.20%、Cr≦0.7%、Nb≦0.0
    5%、Ni≦1.0%、Cu≦1.0%、Ca≦0.0
    03%、REM≦0.010%の1種または2種以上を
    含み、残部がFeおよび不可避不純物からなる溶鋼を、
    予備脱酸処理によって、溶存酸素を重量%で0.003
    〜0.015%に調整後さらに、金属アルミもしくはフ
    ェロアルミの添加により脱酸し、該Al含有量が重量%
    で0.005〜0.015%で、かつ溶鋼の溶存酸素
    〔O%〕に対し−0.004≦〔Al%〕−1.1〔O
    %〕≦0.006の関係を満たす鋳片に鋳造し、該鋳片
    を1100〜1300℃の温度域に再加熱後に圧延を開
    始し、圧延工程で鋼片の平均温度を700℃以下に水冷
    し、パス間の復熱過程で圧延する工程を一回以上繰り返
    し圧延し、圧延終了後に1〜30℃/Sの冷却速度で6
    50〜400℃まで冷却することを特徴とする含オキサ
    イド系耐火用形鋼の制御圧延による製造方法。
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