JPH04231108A - Ｈ形鋼のフランジ拘束冷却方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用】本発明は、熱間圧延によりＨ形鋼を製
造する際のフランジの冷却方法、詳しくは、熱間仕上圧
延後の冷却過程でＨ形鋼のウェブに生ずる波打ち変形や
、Ｈ形鋼全体の反りや曲がり変形を防止し、良好な形状
のＨ形鋼を効率よく製造することができるフランジの冷
却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱間圧延により製造されるＨ形鋼におい
ては、特にフランジ厚に対してウェブ厚が薄い場合、仕
上圧延終了時におけるウェブとフランジの温度差および
仕上圧延終了後のウェブとフランジの冷却速度の差に起
因してウェブに波打ち変形が生じたり、反り曲がり変形
が生ずる。

【０００３】このようなウェブの波打ち変形を防止する
ため、一般にフランジ面に冷却水を噴射してフランジを
ウェブよりも強く冷却する方法が用いられている。また
、Ｈ形鋼の走行通路の両側に冷媒で冷却したガイドロー
ラを複数対配設し、走行する熱延Ｈ形鋼の左右のフラン
ジ外面にそれぞれガイドローラを軽く接触させて冷却す
る方法も提案されている（特開昭６２−１６１９１６号
公報）。

【０００４】これらの方法では、仕上圧延後の冷却過程
におけるウェブの温度低下にフランジの温度低下を追従
させることにより、ウェブとフランジの冷却速度の差に
起因して生ずるウェブの波打ち変形を防止しようとする
のであるが、フランジを強く冷却すると、冷却中にフラ
ンジが収縮し、ウェブに圧縮応力が働いて波打ち変形が
生ずるという問題がある。すなわち、これらの方法では
、特にウェブが薄く、仕上圧延終了時におけるウェブと
フランジの温度差（以下、初期温度差という）が大きい
場合には、強制冷却中にウェブが波打ち変形をおこし、
また、初期温度差による応力を十分に緩和できないため
に、室温まで冷却した後も波打ち変形が残る。さらに、
水により強制冷却する場合は、噴射した水がフランジの
下方部に流れるので冷却が不均一となり易く、冷却中あ
るいは冷却後に反りや曲がり変形が引き起こされる。

【０００５】このような問題に対する対策として、Ｕ形
、Ｈ形、山形などの形鋼を熱間仕上圧延が終了した後拘
束状態とし、その状態で冷却して反りや曲がりを低減す
る方法あるいは装置が提案されている（特開昭５４−３
３２５３　号公報、特開昭６２−２３５４２３号公報、
特開昭６２−２３５４２４号公報、特開昭６２−２３５
４２５号公報など）。また、ウェブ波打ち防止策として
、例えば、水冷開始前に材料の前後端を固定して温度低
下による収縮を拘束する収縮拘束フランジ水冷法が提案
されている（材料とプロセスｖｏｌ．３（１９９０）　
Ｐ．４９８）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の特開昭
５４−３３２５３　号公報、特開昭６２−２３５４２３
号公報、特開昭６２−２３５４２４号公報および特開昭
６２−２３５４２５号公報に記載されている技術は、何
れも形鋼を抑えつけて冷却する技術であるため、冷却中
の反り（中間反り）を抑えることは可能であるが、ウェ
ブの波打ち変形を防止することはできず、冷却の仕方に
よっては冷却後の反りが大きくなるという問題がある。

【０００７】また、前記の収縮拘束フランジ水冷法は、
材料の前後端を固定しているので水冷中にウェブに圧縮
応力が発生するのを防止することができるとともに、水
冷によって、初期温度差によるウェブとフランジの熱収
縮量の差を相殺できるだけの塑性伸び変形をフランジに
与えることができ、ウェブの波打ち変形を防止すること
ができるが、前後端を固定されたフレームで拘束しなけ
ればならず、圧延を行いながらこの方法を適用すること
は不可能で、作業能率が悪い。その上、拘束装置への過
負荷を防止するために材料の熱収縮に伴って生ずる引張
力をある限度以内に抑えるような引張制御機構を必要と
するなど、未だ試験段階に止まっており、工業的に有効
な方法とは言えない。

【０００８】本発明の課題は、Ｈ形鋼の圧延後の冷却過
程におけるウェブの波打ち変形や反り曲がり変形を防止
し、かつ、Ｈ形鋼を高い効率で製造できるフランジの冷
却方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するために検討を重ねた結果、仕上圧延機から
送り出されるＨ形鋼のフランジをその両面から挟持し、
その挟持部を仕上圧延機から送り出されるＨ形鋼の速度
と同じ速度で移動させつつフランジを強制冷却すること
によりウェブの波打ち変形を防止できることを確認した
。本発明はこの知見に基づいてなされたもので、その要
旨は「熱間仕上げ圧延後のＨ形鋼の両フランジを、それ
ぞれこのＨ形鋼の長手方向の１箇所以上でフランジの両
面から挟持しつつ仕上げ圧延機とフランジ挟持部との間
、および／またはフランジ挟持部どうしの間でフランジ
を強制冷却することを特徴とするＨ形鋼のフランジ拘束
冷却方法」にある。

【００１０】すなわち、フランジを強制冷却する際にフ
ランジに生じようとする熱収縮を、仕上圧延機やフラン
ジ挟持部における接触圧力にもとずく摩擦力により拘束
することによって、フランジに長手方向の引張応力を発
生させ、塑性伸び歪を生じさせてウェブの波打ち変形を
防止するのである。また、フランジ拘束部ＡとＢ、Ｃと
Ｄ（図１参照）の長手方向の挟持力を調整することによ
って、Ｈ形鋼の反り曲がり変形を防止することも可能で
ある。

【００１１】前記のフランジの挟持方法としては、ガイ
ドシューによる方法およびロールによる方法のいずれで
もよい。なお、後述するように、ガイドシューによる場
合はフランジ挟持部を圧延速度と同じ速度で圧延方向に
移動させることが必要であり、ロールによる場合はその
必要がない。ガイドシューとしては、フランジとの接触
面が平板状の治具、丸形の治具などどのような形状の治
具を用いてもよく、あるいは、ガイドシューによらずロ
ールを用いて挟持してもよい。つまり、フランジ挟持部
において、フランジと挟持具の間の接触圧力にもとづく
摩擦力によりフランジを拘束できるものであれば、いず
れも使用可能である。

【００１２】前記の圧延速度とは、仕上圧延機の最終端
から送り出されるＨ形鋼の速度である。

【００１３】フランジの強制冷却は、水の噴射により行
ってもよいし、他に有効な冷却手段があればそれを用い
てもよい。また、強制冷却を行うフランジの部位は拘束
されている範囲であればよく、１箇所で挟持した場合は
仕上げ圧延機とフランジ挟持部との間で、２箇所以上で
挟持した場合はフランジ挟持部どうしの間、あるいはさ
らに仕上げ圧延機と１段目のフランジ挟持部との間で冷
却する。

【００１４】

【作用】まず、ウェブの波打ち変形の発生機構について
述べる。図２−１の（ａ）　はフランジ厚ｔｆ　に対し
てウェブ厚ｔｗ　が薄いＨ形鋼の断面図である。図２−
１の（ｂ）　はこのようなＨ形鋼の仕上圧延終了時にお
けるフランジとウェブの温度の違いを模式的に示した図
で、ウェブとフランジの熱容量の違いや表面積の差に基
づく放熱量の差によって、仕上圧延終了時にはウェブの
温度がフランジ温度に比べて著しく低下する。なお、図
２−１の（ｂ）　において、Ｗはフランジの幅、Ｈ−２
ｔｆ　はＨ形鋼の高さ（Ｈ）から両方のフランジ厚（２
ｔｆ　）を差し引いたウェブの長さをあらわす。このよ
うな温度の違いのある状態で仕上圧延を終了したＨ形鋼
が室温まで冷却されると、ウェブとフランジの温度差は
なくなるが（図２−１の（ｃ））、フランジの方が熱収
縮量が大きいために（図２−１の（ｄ））、Ｈ形鋼の長
手方向に生ずる応力はウェブにおいては圧縮応力、フラ
ンジにおいては引張応力となる（　図２−１の（ｅ）　
参照。以下、この応力を初期温度差による応力と呼ぶ）
。

【００１５】また、仕上圧延後の冷却過程において、前
記の放熱量の差、すなわち、ウェブからの放熱量がフラ
ンジからの放熱量に較べて大きいことから、図２−２の
（ｆ）に示すように、ウェブの温度はフランジの温度に
比べて低下の度合いが大きく、ウェブとフランジの温度
差が一時的に増加する（同図において、破線は仕上圧延
終了時の温度をあらわす）。このウェブの温度低下は、
ウェブに引張熱応力を生じさせ、その結果、ウェブに長
手方向の塑性伸び歪みが生じ（図２−２の（ｇ））、温
度が低下して均一状態に近くなると（図２−２の（ｈ）
）、この塑性伸び歪みによってウェブに長手方向の圧縮
応力が発生する（以下、この応力を塑性変形差による応
力と呼ぶ）。図２−２の（ｉ）　は前記の熱収縮差（図
２−１の（ｄ））と塑性伸び歪差（塑性変形差）とを合
わせたもので、そのため図２−２の（ｊ）　に示すよう
に、ウェブには大きな圧縮応力が、またフランジには大
きな引張応力が生ずる。同図中の破線σｃｒはウェブの
臨界座屈応力で、ウェブに生ずる圧縮応力がこの値を超
えるとウェブに変形が生ずる。すなわち、熱間圧延終了
後のＨ形鋼のウェブは、初期温度差による応力や塑性変
形差による応力などが重畳した高い圧縮応力を受け、そ
のためウェブに波打ち変形が生じ、Ｈ形鋼としての形状
が損なわれるとともに剛性および強度機能が劣化する。

【００１６】このように、ウェブの波打ち変形にはその
発生機構からみて初期温度差によるものと塑性変形差に
よるものとがある。初期温度差は通常の圧延では　１０
０〜２００℃に達するが、例えば、Ｈ　６４０ｍｍ×　
２００ｍｍ×６／２０ｍｍのＨ形鋼について図２に示し
たモデルにより計算すると、ウェブに発生する圧縮応力
は１７〜３４　ｋｇｆ／ｍｍ２にもなる。一方、臨界座
屈応力σｃｒは次の式で表され、上記のＨ形鋼の場合σ
ｃｒは　７．６〜１１．４　ｋｇｆ／ｍｍ２程度となる
ので、初期温度差による応力だけで、塑性変形差が生じ
なくてもウェブの波打ち変形が発生することになる。

【００１７】

【数１】

【００１８】従って、ウェブの波打ち変形を防止するた
めには、この波打ち変形が発生する前に、すなわち、Ｈ
形鋼の温度が低下してウェブに生ずる圧縮応力が臨界座
屈応力σｃｒを超える前に、ウェブとフランジの熱収縮
量の差を減少させるような塑性伸びをフランジに与えて
、ウェブに作用する圧縮応力を減少させればよい。

【００１９】フランジに塑性伸びを与えるには、Ｈ形鋼
を長手方向に拘束し、フランジを強制冷却することによ
ってフランジに降伏応力を超える引張熱応力を発生させ
ればよい（材料とプロセスｖｏｌ．３（１９９０）ｐ．
４４８参照）。そのために、本発明方法では前記のよう
にフランジを両面から挟持して拘束し、強制冷却するの
である。

【００２０】図１は、本発明を実施するための装置の一
例の構成を示す説明図で、図１（ａ）はこの装置の要部
の平面図、図１（ｂ）　は図１（ａ）のＩ−Ｉ矢視図、
図１（ｃ）　はこの装置の一部の拡大断面図で、左右対
称のものの一方のみを示す図である。これらの図におい
て、Ａ、ＢおよびＣ、Ｄは仕上圧延機４を通過したＨ形
鋼１の両フランジ２をそれぞれ挟持するガイドシューで
、これらのガイドシューはフランジ２を両面から挟持す
るためにいずれも２個で１組であり、ＡとＢ、ＣとＤが
対をなすとともに、Ａ、ＢとＣ、ＤとがＨ形鋼の両方の
フランジの相対する位置に配設されている。この例では
、フランジ２を２箇所で挟持している。

【００２１】ガイドシューは、図１（ｃ）　に示すよう
に、２個で１組のうちの一方は油圧シリンダ６を介して
、他方は直接、フレーム５に接続されており、フレーム
５は調節機構８を介して下部フレーム７に固定されてい
る。 調節機構８はＨ形鋼の寸法が変わり、フランジ２と壁面
９の間の距離が変化してもそれに応じてフレーム５の長
さを調節できる機能を有している。また、下部フレーム
７は壁面９に沿ってＨ形鋼の長手方向に、かつ、Ｈ形鋼
が仕上圧延機から送り出される速度ｖと同期させた速度
ｖ′で移動できるように構成されている。また、この例
では仕上圧延機４と１段目のガイドシューＡ、Ｂおよび
Ｃ、Ｄの間、および１段目と２段目のガイドシューの間
に水を噴射してフランジ２を冷却するためのフランジ冷
却ノズル１０が設けられている。

【００２２】この装置を用いて本発明方法を実施するに
は、先ず、仕上圧延機を通過したＨ形鋼１の左右のフラ
ンジ２をその両側面からガイドシューＡ、ＢおよびＣ、
Ｄで挟持し、油圧シリンダ６により力ＦＡ　、ＦＢ　お
よびＦＣ　、ＦＤ　で押圧する。フレーム５は調節機構
８を介して下部フレーム７に固定されているので、Ｈ形
鋼１の壁面９からの距離がＨ形鋼１の寸法によって変わ
っても、それに対応してその長さが調節される。この下
部フレーム７をＨ形鋼１が仕上圧延機４から送り出され
る速度ｖと同期させた速度ｖ′で圧延方向に移動させな
がらフランジ２に冷却ノズル１０から冷却水を噴射し、
フランジ２を強制冷却する。フランジ２は熱収縮しよう
とするので、ガイドシューＡ、ＢおよびＣ、Ｄとフラン
ジ２の接触面にフランジ２の熱収縮を妨げる方向の摩擦
力（拘束力）μＦＡ　、μＦＢ　およびμＦＣ　、μＦ
Ｄ　が働く。この拘束力により、フランジ２に生ずる熱
応力は拘束のない場合に較べてより強い引張応力として
作用する。

【００２３】図３は本発明方法を適用した場合にＨ形鋼
に生ずる応力を示す模式図であるが、この図３の（ａ）
　に示すように、強制冷却後のフランジ２の温度は強制
冷却なしの場合（同図中の破線）に較べてΔＴだけ低下
する。そして、図３（ｂ）　に示すように、強制冷却中
のフランジ２およびウェブ３に生ずる熱応力は、フラン
ジ２においては引張、ウェブ３においては圧縮となるが
、拘束なしの場合（同図中の破線）に比較して前記の摩
擦力に起因するΔσだけ引張応力側に移行し、フランジ
２の発生応力が降伏応力σＹ　を超えるので、フランジ
２に塑性伸びを与えることができる。その結果、フラン
ジ２とウェブ３の熱収縮量の差が緩和され、Ｈ形鋼が室
温まで冷却されウェブ３とフランジ２の温度差がない状
態でのウェブ３に生ずる圧縮応力が低減するので、臨界
座屈応力σｃｒを超えず、ウェブの波打ち変形の発生が
防止される。

【００２４】強制冷却のみによって、拘束を行った場合
と同等の引張熱応力（図３（ｂ）　の実線）と塑性伸び
を与えようとすると、フランジ２における引張熱応力の
増加に伴ってウェブ３における圧縮熱応力を図３（ｂ）
　の破線の場合よりも増加させ、ウェブ３の圧縮応力が
臨界座屈応力σｃｒを超えてしまい、強制冷却中にウェ
ブ３の波打ち変形を招くことになる。本発明方法によれ
ば、強制冷却中のウェブ３の圧縮応力を臨界座屈応力σ
ｃｒよりも低く抑えつつフランジ２の引張応力を増加さ
せることができるので、強制冷却中ならびにＨ形鋼が室
温に冷却されるまでの全冷却過程を通してウェブの波打
ち変形を防止することができるのである。

【００２５】強制冷却中のフランジ２に生ずる引張応力
σｆ　は次のようにあらわされる。

【００２６】

【数２】

【００２７】拘束部ですべりが生ずるとσｆ　は小さく
なるが、すべりが生じてもσｆ　がσＹ　を超える条件
は、次式のようになる。

【００２８】

【数３】

【００２９】図１に示したようなガイドシューでフラン
ジを挟持する装置により本発明方法を実施するにあたっ
ては、ガイドシューによるフランジ拘束箇所は複数箇所
とするのが好ましい。これは、本発明方法を実施する際
前記のように挟持部をＨ形鋼の移送とともに移動させる
のであるが、所定距離移動させた後拘束を解除してガイ
ドシューをもとの位置に戻し、再度挟持しなおして拘束
冷却を行うことになるので、拘束が１箇所の場合は、ガ
イドシューをもとの位置に戻す間拘束なしで冷却される
ことになるからである。なお、挟持部をＨ形鋼の進行方
向に移動させるのは、挟持部と仕上圧延機との間でＨ形
鋼に不必要な圧縮応力を生じさせないためである。

【００３０】図４は本発明方法を実施するための装置の
他の例の挟持部を示す説明図で、左右対称のものの一方
のみを示す図であるが、この場合は、フランジ２を挟持
するためにガイドシューではなくロールＥ、Ｆが用いら
れている。ロールはガイドシューの場合と同様に２個１
組で、そのうちの一方はそのロール軸が油圧シリンダ６
のロッドに接続され、他方はそのロール軸がフレーム（
図示せず）に固定されていて、いずれもＨ形鋼をそれが
仕上圧延機から送り出される速度ｖと同期させた速度で
、かつ同じ方向に移動させ得るように構成されている。 この装置を用いる場合は、ロールをＨ形鋼の進行方向に
移動させる必要はなく、ロールを仕上圧延機の最終ロー
ルの回転に同期させて駆動させればよい。このロールの
回転によって、ガイドシューで拘束した場合と同様の拘
束効果を得ることができる。

【００３１】フランジを強制冷却する場合、フランジ面
に噴射した冷却水はフランジの下方に流れるので、フラ
ンジの下方部の方が強く冷却されやすい。このため、熱
応力によって生ずる塑性伸び歪がフランジの下方部で大
きくなり、Ｈ形鋼の温度が均一になった状態でＨ形鋼の
長手方向の下向きに凸の反り曲がりが生ずることがある
。このような変形が生ずる場合も本発明方法は効果的で
ある。すなわち、フランジをガイドシューとの摩擦力で
拘束しているため、フランジの下方部に強制冷却による
大きな引張応力が生ずると、フランジ下方部の挟持部に
すべりが生じ、フランジの上方部、下方部の引張応力を
均一化するように作用するからである。

【００３２】あるいは、予めフランジの下方部の押付け
力ＦＢ　、ＦＤ　を上方部の押付け力ＦＡ　、ＦＣ　よ
り小さくしておいてもよい。

【００３３】本発明方法では、フランジの拘束をガイド
シューやロールによる挟持部での摩擦力を利用して行う
ので、フランジに働く引張力がある限度を超えると挟持
部ですべりが生じ、装置に過負荷が作用する懸念はない
。さらに、フランジを挟持するガイドシューやロールに
加える力をコントロールすることにより、拘束力を制御
することができる。

【００３４】本発明方法は、Ｈ形鋼の熱間圧延ラインで
圧延を行いながら適用することができ、特別の拘束冷却
工程を必要としない。従って、作業能率を低下させるこ
となく高能率でＨ形鋼を製造することができる。

【００３５】

【実施例】ロールによる圧下・駆動型のフランジ挟持装
置を仕上圧延機の後方１０ｍの位置（＃１ゾーン）と２
０ｍの位置（＃２ゾーン）に配設し、本発明のフランジ
拘束冷却法を適用して製造したＨ形鋼について、ウェブ
の波打ち変形および反り曲がり変形の調査を行った。な
お、比較のためにフランジを拘束せずに水冷する従来法
についても同様の調査を行った。

【００３６】用いたロールのロール径はいずれも　３０
０ｍｍ、ロール押付け力は各ロールとも最大５００ｋｇ
ｆである。 仕上圧延機とフランジ挟持部の間および両フランジ挟持
部間には、それぞれ５ｍの区間を冷却できる強制冷却装
置を設置し、水スプレーによりフランジを冷却した。

【００３７】仕上圧延機出側におけるＨ形鋼（Ｈ　６４
０ｍｍ×　２００ｍｍ×６／２０ｍｍ）の温度は、ウェ
ブが　６００℃、フランジが７５０℃である。

【００３８】調査結果を表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】この表から明らかなように、拘束冷却を行
わず単にフランジを冷却した場合（従来法）は、冷却水
量が少ないＮｏ．３では冷却床でウェブの波打ちが発生
し、冷却水量が多いＮｏ．４では強制冷却中にウェブの
波打ちが発生して冷却後も波打ち変形が残るとともに冷
却床で長手方向の反り曲がりが発生した。これに対し、
本発明方法（Ｎｏ．１およびＮｏ．２）では圧延後の全
過程を通してウェブの波打ちならびに反り曲がりは発生
せず、健全な形状のＨ形鋼を製造することができた。

【００４１】

【発明の効果】Ｈ形鋼の熱間圧延による製造において、
仕上圧延後の冷却の際に本発明方法を適用すれば、ウェ
ブの波打ちや、Ｈ形鋼の反り曲がり変形を防止すること
ができる。この方法はオンラインで実施することができ
るので、製造効率を損なうことなく、工業的価値は極め
て大きい。

【図面の簡単な説明】

図１は、本発明方法を実施するための装置の一例の構成
を示す図である。図２−１及び図２−２は、ウェブの波
打ち発生機構の説明図である。図３は、本発明方法を適
用することによるウェブの波打ち発生防止機構の説明図
である。図４は、本発明方法を実施するための装置の他
の例の構成を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱間仕上げ圧延後のＨ形鋼の両フランジを
   、それぞれこのＨ形鋼の長手方向の１箇所以上でフラン
   ジの両面から挟持しつつ仕上げ圧延機とフランジ挟持部
   との間、および／またはフランジ挟持部どうしの間でフ
   ランジを強制冷却することを特徴とするＨ形鋼のフラン
   ジ拘束冷却方法。