JP4089543B2 - 狭フランジ幅ｈ形鋼のユニバーサル圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、フランジ幅がウェブ高さに対して１／４より小さい寸法である狭フランジ幅Ｈ形鋼のユニバーサル圧延方法に関し、特に、そのユニバーサル圧延の圧下設定方法に関する。

Ｈ形鋼等のフランジを有する形鋼は、一般にブレークダウン圧延機、ユニバーサル圧延機、エッジャ圧延機を有する圧延ラインで製造される。加熱炉から出た素材鋼片は、まず２重式の圧延機であるブレークダウン圧延機ＢＤによって、目的とする製品寸法に適する形状に圧延される。続いて粗ユニバーサル圧延機Ｕとエッジャ圧延機Ｅからなる粗ユニバーサル圧延機群において厚みを減じられるとともにフランジ端部の成形が行われる。さらに、仕上ユニバーサル圧延機Ｆによってフランジが直角に成形され、Ｈ形の製品となる。

従来のＨ形鋼はフランジ幅がウェブ高さの１／３以上という寸法比率が一般的であり、特にウェブ高さが５００ｍｍ以上の大断面Ｈ形鋼では、ウェブ高さの１／４よりも小さいフランジ幅を有するＨ形鋼は製品例が極めて少ない。近年、２枚の条材を溶接してＴ形鋼とし、大型船の船体の補強材として使用する例が増えている。このような造船用途のＴ形鋼は、補強材として必要な断面性能を得るため、フランジ幅に対してウェブ高さが２倍〜５倍程度の細長い断面形状が適している。２枚の条材を溶接する方法では、それぞれの条材の板幅を任意に選ぶことにより、ウェブ高さとフランジ幅の比率は幅広く変更することが可能である。

ところが、溶接により製造したＴ形鋼では、溶接部分に接合不良が生じる場合があり、補強材として使用する場合の信頼性が劣っていた。また、溶接部の表面に凹凸があり、滑らかな表面となっていないため、応力集中の恐れがあった。さらに、溶接で鋼材に加わる熱が材質に悪影響を及ぼすことから、材質の劣化が懸念される場合があった。

一方、圧延で製造されるＨ形鋼をウェブ中央で切断してＴ形鋼を製造する場合には、Ｈ形鋼のフランジ幅に対するウェブ高さが通常は３倍以下であることから、一般的なＨ形鋼では船体補強材として望ましいＴ形鋼を得ることができなかった。これに対して、例えば特開２００２−３０１５０１号公報（特許文献１）には、（ウェブ高さ／フランジ幅）≧４．０（Ｔ形鋼のウェブ高さ／フランジ幅が２．０〜３．５）のＩ形鋼を製造し、このＩ形鋼を長手方向に２分割してＴ形鋼を得る技術が開示されている。

特開２００２−３０１５０１号公報

上記の特開２００２−３０１５０１号公報（特許文献１）においては、ユニバーサル圧延機を用いて（ウェブ高さ／フランジ幅）≧４．０のＩ形鋼を製造するものであるが、ユニバーサル圧延の条件としては、上下左右のガイドにより、反りと曲がりを防止することが記載されているものの、このようなウェブ高さがフランジ幅に対して大きな形鋼をユニバーサル圧延するためのウェブとフランジの圧下条件については何ら開示されていない。圧延においてパスごとの圧下条件を適切に選定することは極めて重要であるにもかかわらず、上記の従来技術（特許文献１）ではそのような方法が開示されていなかった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、狭フランジ幅Ｈ形鋼を安定して製造することを可能にした狭フランジ幅Ｈ形鋼の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、フランジとウェブが一体で製造されたフランジ幅がウェブ高さの１／２よりも小さいＴ形鋼の素材となる、フランジ幅がウェブ高さの１／４より小さい狭フランジ幅Ｈ形鋼をユニバーサル圧延で効率よく製造する方法を開発するため、数値計算やモデル圧延機を用いた多数の圧延実験、さらには実機による圧延試験を行い種々の検討を重ねた結果、以下のような特徴を有する本発明の圧延方法を発明するに至った。

本発明に係るユニバーサル圧延方法は、素材鋼片を略Ｈ形状に圧延して粗形鋼片とした後に、ユニバーサル圧延機によりウェブ厚及びフランジ厚を圧下し、エッジャ圧延機によりフランジ幅を圧下して、フランジ幅がウェブ高さに対して１／４より小さい寸法からなる狭フランジ幅Ｈ形鋼を圧延するに際し、ユニバーサル圧延開始時のフランジ脚長及びウェブとフランジの総圧下ひずみを以下の範囲とするものである。
0.4≦HE_ini／HE_p≦1.0
1.0≦ln(tw_ini/tw_p) ／ln(tf_ini/tf_p)≦1.1
ここで、HE_ini，tf_ini，tw_iniはそれぞれユニバーサル圧延の開始時における粗形鋼片の断面におけるフランジ脚長、フランジ厚、ウェブ厚、また、HE_p，tf_p，tw_pは、それぞれ狭フランジ幅Ｈ形鋼の製品断面におけるフランジ脚長、フランジ厚、ウェブ厚である。また、好ましくは、各ユニバーサル圧延パスの圧下バランス（λ_f−λ_w）の適正範囲を次式の範囲とする。
-0.02≦λ_f−λ_w≦0.02

本発明においては、ユニバーサル圧延でのウェブとフランジの圧下量を上式の範囲としたことにより、フランジ幅がウェブ高さの１／４以下である狭フランジ幅Ｈ形鋼を安定して製造することが可能になっている。

図１は本発明の実施形態に係る狭フランジ幅Ｈ型鋼のユニバーサル圧延方法が適用された形鋼圧延設備の一例を示す全体構成図である。加熱炉１０から出た素材鋼片は、２重式のブレークダウン圧延機（ＢＤミル）１１によって、目的とする狭フランジ幅Ｈ形鋼の製品寸法に適する略Ｈ断面形状の粗形鋼片（図６参照）に圧延される。続いて粗ユニバーサル圧延機（Ｕ）１２とエッジャ圧延機（Ｅ）１３からなる粗ユニバーサル圧延機群（Ｒミル）１４においてフランジに傾斜をつけた状態での圧延が行われ、厚みを減じられるとともにフランジ端部の成形が行われる。さらに、仕上ユニバーサル圧延機（Ｆミル）１６によってフランジが直角に成形されてＨ形の断面形状となり、冷却床１７に送り出される。

図４は本実施形態が対象としている狭フランジ幅Ｈ形鋼の断面形状の一例を示した図であり、図５は図４の狭フランジ幅Ｈ形鋼を切断して製造されるＴ形鋼の一例を示した図である。図４に示されるように、フランジ幅Ｂがウェブ高さＨの１／４より小さいことから、非常に横長のＨ形鋼となっている。この狭フランジ幅Ｈ形鋼のウェブ中央を長手方向に切断することにより、図５に例示されるようなＴ形鋼を容易に製造することができる。

発明者らは、上記の工程において粗形鋼片から製品形状を作りこむユニバーサル圧延の工程に着目し、狭フランジ幅Ｈ形鋼に適した圧延条件を調査・検討した。その結果、狭フランジ幅Ｈ形鋼のユニバーサル圧延においては、従来のＨ形鋼に比べて２倍程度の非常に大きなフランジ幅広がりが生じるという知見を得た。

図２は実験により得られたフランジ幅広がりの結果を示した特性図である。縦軸のフランジ幅広がりは以下の式で定義されるフランジ幅広がりひずみλ_Bとしている。
λ_B＝ln（Ｂ₁／Ｂ₀） …（式１）
ここで、Ｂ₀：ユニバーサル圧延前のフランジ幅、
Ｂ₁：ユニバーサル圧延後のフランジ幅
である。横軸はフランジとウェブの板厚圧下条件の違いを示すパラメータである圧下バランスとした。圧下バランスλ_f−λ_wは以下の式で定義する。
λ_f−λ_w＝ln（ｔf₀／ｔf₁）−ln（ｔw₀／ｔw₁） …（式２）
ここで、ｔf₀：ユニバーサル圧延前のフランジ厚、
ｔf₁：ユニバーサル圧延後のフランジ厚、
ｔw₀：ユニバーサル圧延前のウェブ厚、
ｔw₁：ユニバーサル圧延後のウェブ厚
である。

図２の特性図には従来のＨ形鋼として、Ｈ６００ｍｍ（ウェブ高さ）×３００ｍｍ（フランジ幅）、狭フランジ幅Ｈ形鋼としてＨ６００ｍｍ（ウェブ高さ）×１２５ｍｍ（フランジ幅）についての結果がプロットされている。フランジ幅の狭いＨ６００×１２５で、圧下バランスの変化に対してフランジ幅広がりひずみが大きく変化しており、両者の関係を直線近似した場合の傾きは約０．５８と、Ｈ６００×３００の２倍程度になっている。また、圧下バランスが０のＹ軸に対する切片も狭フランジ幅Ｈ形鋼の方がやや大きい。以上のことから、同じ圧下バランスで圧延した場合、狭フランジ幅Ｈ形鋼は従来寸法のＨ形鋼に対し２倍以上のフランジ幅広がりが生じることがわかる。

狭フランジ幅Ｈ形鋼では、フランジ幅広がりが大きい場合には、次に述べるような問題が生じる。ユニバーサル圧延ではフランジ幅が変化しなくても、圧延後にウェブ厚が減少していることから、フランジ先端とウェブ表面との距離であるフランジ脚長ＨＥはウェブ厚減少量の半分だけ増加する。さらにユニバーサル圧延で大きな幅広がりが発生した場合には、（ウェブ厚減少量＋幅広がり量）／２のフランジ脚長増加量となる。ユニバーサル圧延機に隣接して設置されているエッジャ圧延機１３は、フランジ幅の圧下を行う役目を持っている。ユニバーサル圧延でのフランジ脚長増加量をエッジャ圧延で圧下しなければ、フランジ幅はパスごとに大きくなって目標寸法を達成することができないから、ユニバーサル圧延でフランジ幅広がりが大きい場合にはエッジャ圧延でのフランジ幅圧下量も大きくならざるを得ない。

図３（Ａ）（Ｂ）はフランジ幅広がりが大きいときのエッジャ圧延とユニバーサル圧延の状況を示した図である。エッジャ圧延で圧下された部分の断面積は、図３（Ａ）に示されるように、ほとんどがフランジ厚の増加となって現れる。すると、次のユニバーサル圧延では、、図３（Ｂ）に示されるように、目標とするフランジ厚を得るためにフランジ厚の圧下を大きくしなければならず、圧下バランスが大きくなってフランジが大きな幅広がりとなるという悪循環に陥る。このようにして、エッジャ圧延及びユニバーサル圧延ともにフランジの圧下が大きくなることから、圧延ロールの摩耗が大きくなるとともに、圧延材の表面疵の発生や圧延動力の増大を招き、製造コストの増加や品質の低下などの問題が生じる。

このような狭フランジ幅Ｈ形鋼特有のユニバーサル圧延での問題を解決するため、本発明者らはユニバーサル圧延のウェブとフランジの圧下条件を適正化することを目的とした検討を行い、ユニバーサル圧延開始時のフランジ脚長及びウェブとフランジの総圧下量を以下の範囲とすることにより、フランジ幅の過剰な広がりを抑制して寸法精度の良好な製品が圧延できることを見出した。
0.4≦HE_ini／HE_p≦1.0 …（式３）
1.0≦ln(tw_ini/tw_p) ／ln(tf_ini/tf_p)≦1.1 …（式４）
ここで、HE_ini，tf_ini，tw_iniはそれぞれ図６に示される粗造形圧延終了後でユニバーサル圧延の開始時における粗形鋼片の断面におけるフランジ脚長、フランジ厚、ウェブ厚である。また、HE_p，tf_p，tw_pは、それぞれ図４に示される狭フランジ幅Ｈ形鋼の断面におけるフランジ脚長、フランジ厚、ウェブ厚である。

ユニバーサル圧延開始時のフランジ脚長を製品のフランジ脚長以下とする理由は、フランジ幅広がりが大きいというユニバーサル圧延での特性を見込んで、予め圧延開始時のフランジ幅を小さくしておくことにより、エッジャ圧延でのフランジ幅圧下を小さくし、過剰なフランジ幅広がりを抑えるためである。ただし、ユニバーサル圧延開始時のフランジ幅は極端に小さくすることはできず、製品が寸法公差を満たす最低限のフランジ幅を得るためには、ユニバーサル圧延開始時のフランジ脚長を製品フランジ脚長の0.4倍以上とする必要がある。また、ユニバーサル圧延開始時にフランジ脚長が小さい場合には、フランジ部分が水平ロール間に噛み込みロールを破損する危険性が高まるため、望ましくはユニバーサル圧延開始時のフランジ脚長は製品脚長の0.7倍以上とすべきである。

ユニバーサル圧延開始時のウェブとフランジの総圧下量の関係を（式４）のように規定する理由は次の通りである。図２の特性図から、フランジ幅広がりを抑制するためには、圧下バランス（λ_f−λ_w）を小さくすればよいことが分かる。そこで、ユニバーサル圧延におけるウェブの総圧下ひずみであるln(tw_ini/tw_p)をフランジの総圧下ひずみであるln(tf_ini/tf_p)よりも大きくすることにより、ユニバーサル圧延工程における圧下バランス（λ_f−λ_w）を平均的に０以下とすることができる。圧下バランスが０以下であればフランジ幅はほとんど増加しないか、逆に減少することから、フランジ幅広がりを抑制しつつユニバーサル圧延を行い、目標とするフランジ厚、フランジ幅の製品を精度よく製造することができる。なお、ウェブの総圧下ひずみがフランジの総圧下ひずみに対して大きすぎる場合には、フランジ幅の不足などの寸法不良が発生することから、ln(tw_ini/tw_p)はln(tf_ini/tf_p)の1.1倍以下とすることが望ましい。

また、さらに詳細なユニバーサル圧延条件を決定するため、本発明者らは各パスにおけるユニバーサル圧延のフランジとウェブの圧下のバランスを適正化する方法を検討した。すなわちフランジ幅がウェブ高さの１／４より小さい狭フランジ幅Ｈ形鋼では、各ユニバーサル圧延パスの圧下バランス（λ_f−λ_w）の適正範囲は以下の式で表すことができることを種々の実験の結果から導き出した。
-0.02≦λ_f−λ_w≦0.02 …（式５）

圧下バランスが０．０２より大きい範囲では、ユニバーサル圧延における幅広がりがプラスとなり、幅広がりが大きくなるので好ましくない。また、圧下バランスが−０．０２よりも小さい場合には、逆にフランジ幅が小さくなりすぎてエッジャ圧延でフランジ幅の圧下ができなくなるという問題が生じる。

以上の圧下バランスの範囲での圧延は、フランジが比較的厚いユニバーサル圧延工程の初期から中期にかけて、特に厳密に守る必要がある。一方、フランジの厚みが薄くなったユニバーサル圧延工程の後期では、フランジ幅の圧下によるフランジ厚増加の効果が小さくなるため、通常のＨ形鋼に準じる圧下バランスの範囲でも圧延が可能である。このような知見から、圧下バランスの範囲を限定する必要があるのは、ユニバーサル圧延工程の前半であることが分かった。但し、本実施形態では、ユニバーサル圧延開始時の圧延材のフランジ脚長ＨＥは製品のフランジ脚長よりも小さくする場合があり、ユニバーサル圧延初期にエッジャ圧延でフランジ幅圧下が行われない場合がある。このような場合にはフランジ幅広がりを抑制する必要性が低いことから、圧下バランスの範囲を限定するパスはユニバーサル圧延工程のエッジャによるフランジ幅圧下開始パス以降から中間パスまでの間とすればよい。

ところで、フランジ幅がウェブ高さの１／１０より小さいＨ形鋼は、粗及びユニバーサル圧延で被圧延材がロールに対して左右にずれた状態で圧延する可能性が高く、被圧延材のねじれ、などの形状不良やフランジ部を水平ロール間で圧延してロール損傷が発生するおそれがあるため、現実的には量産が不可能である。このようなことから、本実施形態においては、フランジ幅がウェブ高さに対して１／４〜１／１０の寸法の狭フランジＨ形鋼を対象としている。

（実施例１）
本発明の実施例１として、図１に示される形鋼の製造設備を用いて狭フランジ幅Ｈ形鋼を製造した。ここで、目標とする製品の寸法はウェブ高さ６００ｍｍ、フランジ幅１２５ｍｍ、フランジ脚長５６．５ｍｍ、ウェブ厚は１２ｍｍ、フランジ厚は１８ｍｍであった。フランジ幅はウェブ高さの１／４．８である。素材は長方形断面の連続鋳造スラブとし、その断面寸法は幅９００ｍｍ、厚さ２５０ｍｍとした。このスラブを複数の孔型で１１パス圧延し、略Ｈ形状の粗形鋼片とした後、引き続き粗ユニバーサル圧延機とエッジャ圧延機により合計１５パス圧延し、最後に仕上ユニバーサル圧延機で１パスの圧延を行った。このとき、粗形鋼片の状態でのフランジ脚長は表１の条件番号（１）に示す寸法であり５１ｍｍ、フランジ厚１２０ｍｍ、ウェブ厚８８ｍｍであった。したがってユニバーサル圧延工程におけるフランジの総圧下ひずみは１．９０、ウェブの総圧下ひずみは１．９９であり、（式３）及び（式４）の条件を満足していた。以上のような条件で圧延を行った結果、目標とする厚みとフランジ幅及びウェブ高さの狭フランジ幅Ｈ形鋼を製造することができた。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２として、素材寸法のフランジ脚長を４７ｍｍとするよう、粗造形圧延のパススケジュールと孔型形状を変更し、その他の寸法は表１の条件番号（２）の粗形鋼片として（式３）及び（式４）を満たす条件でユニバーサル圧延を行った。このとき、ユニバーサル圧延の各パスでの圧下バランスλf−λwはほぼ０となるようにし、（式５）をも満たす条件で圧延を行った。以上の条件で目標とする断面寸法の製品が得られた。

また、条件番号（２）の圧延と同様の粗形鋼片寸法において、ユニバーサル圧延全１６パスの前半途中の５パス目において圧下バランスを０．０４として圧延を行った。その結果、続く５パス目のエッジャ圧延において入り側フランジ幅が大きかったために圧下量が過大となり、エッジャ圧延の荷重が増加するとともにフランジが外側に倒れる現象が生じ、圧延が不安定になった。このような場合には、製品のフランジ幅が圧延方向で変動し、寸法精度が悪化する可能性があることから、各ユニバーサル圧延パスにおいては（式５）の範囲となるよう圧下バランスを設定することが望ましいことがわかった。

さらに、粗形鋼片の寸法を表１の（３）及び（４）に示す値とした本発明の別の条件でも圧延を行った。条件番号（３）はフランジ脚長を製品の０．４３倍とし、また総圧下ひずみの比を１．０１とした場合であり、圧延後の製品はフランジ幅が目標よりも１．９ｍｍ小さかったものの、±２．５ｍｍの寸法公差内であった。条件番号（４）はフランジ脚長を製品の０．９７倍、総圧下ひずみの比を１．０９とした場合であり、圧延後の製品はフランジ幅が目標よりも１．８ｍｍ大きかったが、表１の（３）と同様に寸法公差内であった。

（比較例）
一方、比較例として、表１の（５）〜（８）に示すような圧延条件でユニバーサル圧延を実施した。条件番号（５）、（６）は、粗ユニバーサル圧延開始前のフランジ脚長が（式３）の条件を満たしておらず、また条件番号（７）、（８）は（式４）の条件を満たしていなかった。これらの条件で圧延を行ったところ、いずれも製品寸法が目標通りに圧延できないという結果が得られた。例えば、条件番号（５）及び（７）の場合には、粗ユニバーサル圧延を進めるにつれてフランジ脚長が増大するとともに、エッジャ圧延でのフランジ幅圧下量が大きくなり、エッジャ圧延後のフランジ厚も大きくなった。このため、次の粗ユニバーサル圧延パスでフランジの圧下率が実質的に大きくなり、圧延が不安定になった。また，狭フランジ幅Ｈ形鋼の仕上り寸法を測定したところ，目標よりもフランジ幅が３ｍｍ大きくなっており、製品の寸法公差を外れてしまっていることがわかった。これは、圧延でフランジ幅広がりが大きいことに加え、フランジが薄くなる圧延後期においてフランジが外側に倒れることによりフランジ脚長が増加したためと考えられる。

また、条件番号（６）及び（８）では、圧延した狭フランジ幅Ｈ形鋼の製品形状を調べたところ、フランジ先端の角部に約３ｍｍの幅の肉落ちがあり、断面形状不良となっていた。フランジの総圧下率をウェブに対して小さくしすぎたために、フランジ幅広がりが過小となり、エッジャでのフランジ先端圧下が不足したものと考えられる。

以上のことから、本発明のユニバーサル圧延方法によれば、製品寸法を目標とする値に精度よく仕上げることが可能であることがわかった。

本発明の実施に供する形鋼熱間圧延設備の一例を示す全体構成図である。 圧下バランスとフランジ幅広がりの関係を示す図である。 フランジ幅広がりが大きいときのエッジャ圧延とユニバーサル圧延の状況を示す図である。 本発明の狭フランジ幅Ｈ形鋼の断面形状の一例を示した図である。 本発明の狭フランジ幅Ｈ形鋼を切断して製造されるＴ形鋼の断面形状の一例を示した図である。 本発明のユニバーサル圧延法に用いられるユニバーサル圧延の開始時における粗形鋼片の断面形状の一例を示した図である。

符号の説明

１０：加熱炉、１２：粗ユニバーサル圧延機、１３：エッジャ圧延機、１４：粗ユニバーサル圧延機群、１６：仕上ユニバーサル圧延機、１７：冷却床。

Claims (1)

1. 素材鋼片を略Ｈ形状に圧延して粗形鋼片とした後に、ユニバーサル圧延機によりウェブ厚及びフランジ厚を圧下し、エッジャ圧延機によりフランジ幅を圧下して、フランジ幅がウェブ高さに対して１／４より小さい寸法からなる狭フランジ幅Ｈ形鋼を圧延するに際し、ユニバーサル圧延開始時のフランジ脚長及びウェブとフランジの総圧下ひずみを以下の範囲とすることを特徴とするユニバーサル圧延方法。
   0.4≦HE_ini／HE_p≦1.0
   1.0≦ln(tw_ini/tw_p) ／ln(tf_ini/tf_p)≦1.1
   ここで、HE_ini，tf_ini，tw_iniはそれぞれユニバーサル圧延の開始時における粗形鋼片の断面におけるフランジ脚長、フランジ厚、ウェブ厚、また、HE_p，tf_p，tw_pは、それぞれ狭フランジ幅Ｈ形鋼の製品断面におけるフランジ脚長、フランジ厚、ウェブ厚である。

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