JPH074616B2

JPH074616B2 - 形鋼の拘束冷却制御方法

Info

Publication number: JPH074616B2
Application number: JP16339388A
Authority: JP
Inventors: 和郎大森; 恒雄瀬戸; 進片山; 嘉夫芳村
Original assignee: 川崎製鉄株式会社
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPH0215816A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は形鋼の拘束冷却制御方法に係り、詳しくは、形
鋼の熱間圧延中に生じる断面内温度不均一に起因する反
りを精度よく解消する形鋼の拘束冷却制御方法に係る。

従来の技術一般にＵ型鋼矢板などは熱間圧延で製造され、このＵ型
鋼矢板等の断面形状は第５図（ａ）に示す通りの断面形
状を成している。

すなわち、第５図（ａ）から明らかなように、Ｕ型鋼矢
板のフランジ部（Ｆ）ならびにウエブ部（Ｗ）におい
て、とくに、フランジ部（Ｆ）の断面各部の厚み差があ
る。このため、フランジ部（Ｆ）は第５図（ｂ）に示す
ように、この厚み差に起因して温度差を生じ、これによ
って冷却後に曲がり、反りが生じる。

また、断面形状が対称なＨ形鋼であっても、断面各部の
冷却条件差によって温度差が発生し、冷却後に、反りが
生じる。

ちなみに、Ｕ型鋼矢板を例にとると、第６図に示すよう
に、（１）仕上げ圧延後のフランジ部（Ｆ）とウエブ部
（Ｗ）との温度差は50〜70℃であって、この差は平均温
度30℃前後に達するまで縮まらない。

（２）このような温度差に起因して、単に圧延した姿勢
のままで冷却したときには、冷却の間に反りが発生す
る。

一方、ローラ矯正機でこの反りを矯正する場合には、ロ
ーラ矯正機で強圧下することになる。

しかし、この強圧下によって丸味部、つまり、所謂Ｒ部
の割れ等の形状不良が発生する。

反りが大きい場合、矯正効果は先端部及び後端部で小さ
く、この矯正効果の小さい先端部や後端部に反りが残
る。

この反りを低減するために、本発明者等は、特願昭63−
29710号公報に示すように、形鋼を拘束した状態で冷却
する拘束冷却装置を提案した。

この装置は、第１図及び第２図に示すように、拘束ロー
ラ６とテーブルローラ５とを同軸上に配置し、テーブル
ローラ５上に導入した鋼矢板12を拘束ローラ６によって
拘束する。この拘束状態の鋼矢板１の下方には冷却ノズ
ル７で水を上向きに噴射冷却する。このように冷却する
と、鋼矢板１を拘束した状態であるため、冷却の際の反
りを防止できる。

この装置によれば、形鋼を拘束した状態で冷却するた
め、形鋼の断面内での温度差をなくすことができ、冷却
後の反りを低減することができる。

しかし、圧延完了直後の形鋼の材料温度は変態点に近い
場合が多く、冷却中あるいはこの変態や冷却中の変態の
状態によって、材料の変形状態が大幅に変化する。この
ため、上記拘束冷却によって形鋼の断面内温度をある程
度均一にすることができても、冷却後の反りや、その反
り量が大きく変化するという問題が残る。

また、特開昭55−92225号公報には、仕上圧延機通過後
のＵ型鋼矢板において、先行して変態が起こるフランジ
部の変態終了までは、Ｕ型鋼矢板を真直に拘束し、後行
して起こるウエブ部の変態の時には、この拘束を除去し
て放冷する方法が提案されている。

この方法によれば、フランジ部の変態の時の膨張が拘束
されるので、フランジ部に圧縮応力、ウエブ部に引張応
力が発生し、塑性変形が生じることもあって、冷却後の
反りを軽減することができる。

しかし、この方法では拘束開始と拘束解除の間における
冷却条件が適当でない場合、常温において、曲り又は反
りが残る。

発明が解決しようとする課題本発明はこれらの問題点を解決することを目的とし、具
体的には、形鋼の拘束時の冷却条件の設定がむづかし
く、拘束を解除してから常温まで冷却しても反りを解消
することができないこと、また、常温においても反りの
ない拘束冷却条件の研究、開発が未だ十分に行なわれて
いない等の問題を解決した形鋼の拘束冷却制御方法を提
案することを目的とする。

課題を解決するための手段ならびにその作用すなわち、本発明は、形鋼の熱間圧延中に生じる断面内
温度不均一に起因する反りを防止するために形鋼を拘束
して冷却する方法において、この拘束冷却前に形鋼の材
料温度を測定し、この測定した材料温度にもとずいて冷
却中の形鋼の材料温度を推測するとともにこれら冷却中
の材料温度から形鋼の材料変態率を推定し、これら推測
値ならびに推定値により、拘束冷却を解除したときの形
鋼の反りの曲率と、拘束冷却解除後常温まで冷却したと
きに生じる形鋼の反りとを予測し、この予測された反り
が実質的に零になるよう、拘束冷却時の熱伝達係数また
は冷却時間のうちの一方を設定値とする一方、他方を拘
束冷却条件の一つとして求め、この拘束冷却条件で拘束
冷却するこを特徴とする。

そこで、本発明の手段たる構成ならびにその作用につい
て更に説明すると、次の通りである。

まず、本発明者等が先に提案した拘束冷却方法では常温
まで冷却したときに反りが残るというところについて検
討した。

すなわち、第７図（ａ）及び（ｂ）は鋼矢板の断面図と
反りの状態を示す断面図である。

反りの曲率はケースでρ_１、ケース２でρ_２、ケース３
でρ_３である。

ケース１は鋼矢板を拘束せずに冷却した場合である。こ
の場合に生じる温度変化や、変態に対応して、ウエブ部
を内側にするような上反りが発生し、この上反りの曲率
はρ_１となる。

ケース２は拘束して冷却した場合である。この拘束によ
りケース１の上反りは拘束されるが、先に示した通り、
材料を変化し、拘束を解除した時に反対の下反りが発生
し、この下反り曲率はρ_２になる。

ケース３はケース２で処理したのちに引続いて常温まで
放冷した場合の反りを示す。拘束完了時の温度差に応じ
た所謂上反りがケース２の下反りにかわってあらわれ、
この上反りの曲率はρ_３となる。

このところから、拘束を解除したときから常温まで冷却
したときの上反りをなくすには、ケース２の下反りの曲
率ρ_２とケース３の上反りの曲率ρ_３とを等しくする必
要があり、このために、拘束開始から拘束解除の間の冷
却条件を制御することが必要になる。

更に進んで、この条件を満足する冷却制御条件を研究
し、この研究にもとずいて本発明は成立したものであ
る。

このように本発明法によって拘束冷却する場合にも、先
に提案したものと同様に、第１図ならびに第２図に示す
ように、冷却する。

第１図ならびに第２図において、符号１は被圧延材のＵ
型鋼矢板、２は先端拘束装置、３は後端拘束装置、４は
冷却ヘッダー、５はテーブルローラ、６は拘束ローラ、
７は冷却ノズル、８は拘束ローラ昇降装置を示す。

この冷却装置はＵ型鋼矢板１を上部からの拘束ローラ６
とテーブルローラ５との間で拘束し、先端拘束装置２な
らびに後端拘束装置３の各冷却ノズル７によって冷却ヘ
ッダ４からの冷却水を噴射してＵ型鋼矢板を冷却する。

先端及び後端の各拘束装置２、３の拘束ローラ６とテー
ブルローラ５との間にＵ型鋼矢板１を入れ、Ｕ型鋼矢板
１は冷却ノズル７からの冷却水によって冷却される。

なお、Ｈ形鋼の場合、拘束ローラ６は材料温度の高いフ
ランジ下端を冷却する構造とすればよく、具備すべき機
能はＵ型鋼矢板の場合と同様である。

また、拘束冷却装置は長手方向の均一冷却を行なうため
に、テーブルローラ５はオシレーション機能を具えたも
のから構成される。

以上の通り、仕上げ熱間圧延後のＵ型鋼矢板を拘束冷却
する場合、例えば、第３図に示すように、拘束冷却中の
冷却時間、冷却時の熱伝達係数を定めて、冷却する。

まず、熱間圧延されたのちのＵ型鋼矢板（材料）につい
てウエブ温度（T_wo）及びフランジ温度（T_fo）を測定
し、これら測定値（T_wo、T_fo）にウエブ部ならびにフラ
ンジ部の熱伝達係数（α_ｗ、α_ｆ）を関連させて、冷却
時のウエブ温度（T_w）とフランジ温度（T_f）を予測す
る。

すなわち、冷却は、熱伝達係数（α_ｗ、α_ｆ）毎に得ら
れる冷却曲線（つまり、種々の熱伝達係数毎に得られる
フランジ温度又はウエブ温度と冷却時間の推移を示す関
係式）に沿って行なわれる。このため、各冷却曲線にし
たがって、冷却前に推定したウエブ温度T_woならびにフ
ランジ温度T_foから、冷却中のウエブ温度T_wならびにフ
ランジ温度T_fを求める。

なお、種々の熱伝達係数毎の冷却曲線を簡易式で示す
と、一般的に、（１）、（２）の式としてあらわされ
る。

T_w＝f₁(T_wo、α_ｗ、ｔ） ……（１） T_f＝f₂(T_fo、α_ｆ、ｔ） ……（２）但し、（１）、（２）式でα_ｗ及びα_ｆは、それぞれ、
冷却時のウエブ部及びフランジ部の熱伝達係数、ｔは冷
却時間である。

次に、求められた冷却中のウエブ温度（T_w）及びフラン
ジ温度（T_f）と熱伝達係数（α_ｗ、α_ｆ）とからウエブ
部ならびにフランジ部の各断面内での変態率、X_w,X_f、
つまり、断面内で温度が変態点以下にあるとろこの割合
を求める。

すなわち、フランジ部や、ウエブ部の断面内温度分布は
冷却条件、数量的に云うと、冷却時の熱伝達係数によっ
て左右される。したがって、冷却時の冷却面の熱伝達係
数の大小によって変態開始時が異なり、ちなみに、水冷
面と空冷面では変態開始時が異なり、相当な時間差があ
る。

このところから、先に示したところと同様に、種々の熱
伝達係数毎に、先に求めたウエブ温度（T_w）ならびにフ
ランジ温度（T_f）にもとずいて断面内（板厚内）の温度
分布を求め、そのときの変態率X_w,X_fを求める。

ちなみに、このところの関係を式でまとめて示すと、
（３）、（４）式の通りである。

X_w＝f₃(T_w、α_ｗ） ……（３） X_f＝f₄(T_f、α_ｆ） ……（４）なお、平均のヤング率Ｅや、降伏応力σ_Ｙは冷却中の温
度（T_f,T_w）の関数であって、これらの関係は実験的に
求められるが、ちなみに一般的には、（５）ならびに
（６）式であらわされる。

Ｅ＝f₅(T_w、T_f) ……（５） σ_Ｙ＝f₆(T_w、T_f) ……（６）以上の通り、冷却前に、予め、ウエブ温度（T_wo）、フ
ランジ温度（T_fo）を実測し、これにもとずいて、冷却
中のウエブ温度（T_w）、フランジ温度（T_f）を種々の熱
伝達係数（α_ｗ、α_ｆ）毎に推測し、更に、種々の熱伝
達係数毎に推測した冷却中のフランジ温度（T_f）、ウエ
ブ温度（T_w）によって断面内の変態率X_w、X_fを求める。

これらの値が求められると、拘束しないので冷却した場
合の反りの曲率ρ_１は、（７）式で求められる。

但し、（７）式のβは線膨張係数、β_１は変態による伸
び率、Ｈはフランジ高さである。

これに対し、本発明法のように、拘束して冷却した時に
拘束をとり除いたときの反りの曲率ρ_２は（８）式から
求められる。

ρ_２＝f₇(T_fo、T_f、T_wo、T_w、X_f、X_w、Ｅ、σ_Ｙ）……（８）すなわち、冷却中のウエブ部ならびにフランジ部につい
て、先に求めた曲率ρ_１の値によって、弾性域、一部塑
性域、前部塑性域の状態にあるか、どうかを吟味する。

この吟味によって一般的な材料力学の弾塑性論を適用
し、それにもとずいて、曲げモーメントを求める。

この曲げモーメントを断面係数（つまり、ヤング率Ｅと
慣性モーメントの積）で割ると反りの曲率ρ_２は容易に
求まる。

このところの関係をまとめて一般的にあらわすと、
（７）式になる。

また、上記の通り拘束冷却後常温まで冷却される間に、
第７図に示すように、反りρ_２と方向が反対な反りρ_３
は生じ、このρ_３は（９）式で求められる。

ただし、T_oは常温、βは線膨張係数、β_１は変態による
伸び率である。

以上の通り、冷却開始前のフランジ温度（T_fo）ならび
にウエブ温度（T_wo）を実測し、これによって（１）〜
（９）式によって冷却中のフランジ温度）T_f）ならびに
ウエブ温度（T_w）、拘束冷却のときの反りの曲率ρ_２、
常温までの冷却の反りの曲率ρ_３を予め推測しておく。

このときに、拘束冷却から常温までの冷却の間に反りが
全く生じない条件は、ρ_２＋ρ_３＝０であり、この条件
のもとで（１）〜（９）を連立させて、その解として、
例えば冷却時間（ｔ）を求める。

すなわち、上記のような反りを“0"にするための条件
は、ρ_２＋ρ_３＝０であるが、この条件を（１）〜
（９）式を連立させて導入すると、冷却条件式は、 f₁₀(T_fo、T_wo、α_ｗ、α_ｆ、ｔ）＝０ ……（10）として示される。

この（10）式で示される冷却条件で、第１図ならび第２
図に示す場合には、ウエブ部が水冷、フランジ部が空冷
である。この場合、フランジ部の熱伝達係数α_ｆは既知
である。ウエブ部の熱伝達係数α_ｗ、冷却時間ｔのどち
らか一方を設定することによってもう一方を決定するこ
とができる。

しかし、一般に、材質、形状（局部変形）の面から熱伝
達係数は制約を受ける。このため、次に示す実施例の通
り、ウエブ部の熱伝達係数α_ｗを設定し、（10）式から
冷却時間ｔを求めて、冷却すると、反りを全く零にする
ことができる。

なお、Ｕ型鋼矢板について説明したが、本発明法はこれ
に制限されるものではない。

実施例熱間圧延した直後の5L型鋼矢板を、第３図に示すフロー
シートに基づいて、本発明方法によって、拘束冷却し、
その後、常温まで冷却した。この場合、冷却に先立っ
て、第１表に示すように、冷却前のウエブ温度（T_wo）
とフランジ温度（T_fo）を求めた、これらT_wo、T_foととも
にウエブ熱伝達係数（α_ｗ）も第１表に示すように設定
した。

これらの値を、（１）〜（９）式を代入して、とくに、
（10）式に示す条件式から、冷却時間（ｔ）を求めたと
ころ、第１表の通りであった。

そこで、この冷却条件で拘束冷却した結果は第４図に示
す通りであった。

第４図において、拘束冷却完了時のウエブ温度（T_w）と
フランジ温度（T_f）の温度差と反り量との関係を示し、
図中のＡはウエブ変態途中で冷却停止、Ｂはウエブ変態
完了で冷却停止した場合で、初期条件、冷却完了時の材
料温度は異なるが、反り量をほぼ“0"にできた。

なお、図中に記号Ｃで示した拘束冷却を行なわなかった
場合の反り量である。この比較から、本発明に係る拘束
冷却制御方法を適用することによって大幅に反りを低減
できることがわかる。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明方法はまた、熱間圧延後の
形鋼の材料温度を実測し、この冷却前の材料温度の実測
値から冷却中のウエブ温度、フランジ温度、更に、ウエ
ブやフランジの変態率を推定し、その上に立って、拘束
冷却によって生じる反りや、その後の冷却のときに生じ
る反りの量を推定し、これをもとに拘束冷却条件を決定
し、この条件で拘束冷却するものである。

従って、本発明によれば、拘束冷却のときの冷却条件を
拘束冷却開始時の形鋼温度にもとずいて、冷却中の形鋼
温度や変態率等が推測され、この条件に従って拘束冷却
される。このため、冷却後の反りを精度良く制御するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法を実施する際に用いる装置の一例を示
す全体の配置を説明する断面図、第２図は第１図のＡ−
Ａ視の断面図、第３図は本発明法の一つの実施例の処理
フロー図、第４図は本発明法に係る実施例の一例ウエブ
とフランジとの温度差と反り量との関係を示すグラフ、
第５図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ従来例の鋼矢板の断
面図及びその冷却過程での温度分布図、第６図は従来例
の鋼矢板の圧延後の時間と温度との関係を示すグラフ、
第７図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ従来例の鋼矢板の断
面図及びその反りの状態を示す断面図である。符号１……圧延材２……先端拘束装置３……後端拘束装置４……冷却ヘッダー５……テーブルローラ６……拘束ローラ７……冷却ノズル８……拘束ローラ昇降装置Ｆ……フランジＷ……ウエブ ρ_１、ρ_２、ρ_３は反り曲率Ａ、Ｂ、Ｃ……反り量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者芳村嘉夫岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】形鋼の熱間圧延中に生じる断面内温度不均
一に起因する反りを防止するために形鋼を拘束して冷却
する方法において、この拘束冷却前に形鋼の材料温度を
測定し、この測定した材料温度にもとずいて冷却中の形
鋼の材料温度を推測するとともにこれら冷却中の材料温
度から形鋼の材料変態率を推定し、これら推測値ならび
に推定値により、前記拘束冷却を解除したときの形鋼の
反りの曲率と、前記拘束冷却解除後常温まで冷却したと
きに生じる形鋼の反りとを予測し、この予測された反り
が実質的に零になるよう、前記拘束冷却時の熱伝達係数
または冷却時間のうちの一方を設定値とする一方、他方
を拘束冷却条件の一つとして求め、この拘束冷却条件で
拘束冷却することを特徴とする形鋼の拘束冷却制御方
法。