JPH0832330B2 - フランジを有する形材の圧延方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、フランジを有する形材、例えばＨ形鋼、Ｉ
形鋼等の形材製品を種々のサイズに圧延中に自由につく
り分ける圧延方法に関するものである。

（従来の技術） 現在、一般に製造されている形鋼材はその種類、断面
形状、および寸法が多岐にわたり、品種・サイズの数が
非常に多いのが特徴である。これらの多品種、多サイズ
の形鋼材を製造するために第９図に示す、粗圧延（BD）
１の２重式あるいは３重式圧延機を配列し、中間圧延
（RU−Ｅ）２および仕上げ圧延（FU）３にはユニバーサ
ル圧延機を配列したユニバーサル圧延法が周知である。

しかしながら従来のユニバーサル圧延法では、製造す
る製品の品種・サイズ毎に対応して粗圧延から仕上げ圧
延までを通して使用される圧延ロールおよび誘導ガイド
類は、原則として製品に対応した専門物を準備しなけれ
ばならない。従って、製品寸法の多様化や、製造範囲の
拡大など需要家からのニーズを満足させるためにはコス
ト高となり、簡単に対応できない難点があった。特に近
年の需要家からのニーズとして、ウエブ厚が従来圧延法
で製造される厚みに比較し相対的に薄いＨ形鋼、あるい
はウエブの外幅を一定にした種々のフランジ厚を持つＨ
形鋼の製品シリーズ等の要望が強い。

ところが従来のユニバーサル圧延では第10図に示すよ
うに、ユニバーサル圧延機の機能上、圧延中に同一セッ
トのロール対で自由に変化が可能となる寸法は上水平ロ
ール７と下水平ロール８の間の間隙９および左右垂直ロ
ール10,11の間の間隙12,13のみとなる。したがって、Ｈ
形鋼のウエブ厚とフランジ厚については変更させるこが
できるが、ウエブ内幅WIは一定にならざるを得ない。そ
の結果、Ｈ形鋼製品のフランジ厚みが異なるシリーズを
圧延するに際し、左右のロール間隙12,13を変化させれ
ば当然ウエブ内幅WIと左右のフランジ厚を合計したウエ
ブ外幅WOは種々の寸法に変らざるを得ないことになる。

すなわち、従来のユニバーサル法で圧延されるＨ形鋼
は、第11図に示すごとくウエブ内幅WIが一定でフランジ
厚T_f1,T_f2の変化によってウエブ外幅WO₁,WO₂が変化す
る、いわゆるウエブ内幅一定の製品シリーズとなり、ウ
エブ外幅一定の製品シリーズの製造は不可能である。ウ
エブ外幅WOが一定のＨ形鋼製品シリーズをユニバーサル
圧延機を用いた従来圧延法で製造するためには、ウエブ
内幅の変化に応じて、粗圧延〜中間圧延〜仕上げ圧延の
全工程における上下水平ロールの大半を準備することに
なり大量のロール本数を必要とし、かつロールの頻繁な
組替え作業を行なわなけらばならず著しい製造コスト高
をまねき、実質的にこの方法を採用することは困難であ
る。

このような従来のユニバーサル圧延の欠点を解消する
手段として、本願出願人は先に、種々のサイズの形鋼を
効率的に造り分けることができる「斜行ロール方式によ
るフランジを有する形材の圧延方法」（特開昭59−2021
01）を提案した。

この斜行ロール方式圧延方法をＨ形鋼を例にその概略
を説明する。この圧延方法の特徴は、第12図に示すよう
に、上下各２個ずつの斜行ロール15,15′および16,16′
の外側面19,19′,20,20′が材料17のフランジ内側の21,
22に接し、かつロール軸Ｓが水平面内において圧延方向
と垂直な面に対して角度θ_Ｈを保ちつつ材料のフランジ
に近接するウエブ部を圧下することによって、圧下され
た部分の材料を幅方向へ流動せしめ、ウエブ波などを全
く生じさせずに、ウエブを幅方向に広げることができる
機能を有することである。

第13図（ａ）にこの「斜行ロール方式圧延方法」を採
用した圧延機14を、Ｈ形鋼の熱間圧延設備列に組み込ん
だ例を示す。図中の中間ユニバーサル圧延機（RU−Ｅ）
２と斜行ロール方式圧延機14と仕上げ圧延機（FU）３を
組み合わせることによって、前述の代表的ニーズである
同図（ｂ）の「ウエブ外幅一定のＨ形鋼製品シリーズ」
あるいは「任意ウエブ高さのＨ形鋼製品シリーズ」など
を少ないロール数で製造することが基本的に可能とな
る。ウエブ外幅WO一定のＨ形鋼製品シリーズを斜行ロー
ル方式圧延機で製造する手段を第13図に基ずきさらに詳
細に説明する。

同図に、中間ユニバーサル圧延機（RU−Ｅ）２と、斜
行ロール方式圧延機（SS）14および仕上げ圧延機（FU）
３の各圧延機の具体的役割をロール孔型図を用いて示し
た。まず中間ユニバーサル圧延機２でBDから供給される
４のビームブランクを最終製品のフランジ厚とウエブ厚
およびウエブ内幅WI₅,WI₆……を加味した図示例のごと
き断面形状の中間圧延材25まで造形を行なう。このよう
に成形される中間圧延材25の種類の数は限定されるもの
ではない。すなわち、素材は中間工程においてユニバー
サル圧延機で圧延し造形されるから、ウエブ厚とフラン
ジ厚を自由に変化させることが可能であり、製品のシリ
ーズに応じて必要な数の異なる断面形状が造形される。
この際、ウエブ内幅WI₁は一定でありウエブ外幅WO₁は必
ずしも一定とはならない。ここで、中間工程にて造形さ
れた素材のウエブの両端には第12図に示しているように
余肉部18が形成されている。この余肉部18は次段の斜行
ロール方式圧延機でのウエブ拡幅を補助するために予め
付加したものであり、形状は薄肉なウエブ部面40に対し
平行な膨出部面を有するように平行状に形成されてい
る。

続いて、中間圧延材は、斜行ロール方式圧延機14に送
り込まれ、製品のシリーズに応じた必要な種々のウエブ
内幅寸法WI₂に拡幅圧延された圧延材27となる。斜行ロ
ール方式圧延機で造り分けられた圧延材27は、仕上げ圧
延機３によって製品シリーズに応じた種々のウエブ内幅
WI₄を持つ圧延材28に整形圧延され、ウエブ外幅一定で
かつ製品シリーズに応じた内幅WI₆を持つ製品29とな
る。また、製品シリーズのなかでフランジ厚が最大でウ
エブ内幅が最小の製品31は、斜行ロール方式圧延機14に
よるウエブ拡幅を行なわずに、中間ユニバーサル圧延機
（RU−Ｅ）２で圧延された中間圧延材25を直接に水平ロ
ールの胴幅が変更可能な仕上げ圧延機（FU）３に用いる
ことによって製造することが可能である。この際、中間
圧延材25の余肉は仕上げ圧延機の水平ロールで圧下・成
形される。ただしこの場合、製品ウエブ内幅WI₅に対応
する圧延材30のウエブ内幅WI₃と、中間ユニバーサル圧
延機（RU−Ｅ）２の中間圧延材25の内幅WI₁とは相互に
適合した値に設定される。

以上、斜行ロール方式圧延方法は優れたウエブ拡幅機
能を有し、従来のユニバーサル圧延法に比較してロール
組み替え回数とロール常備数を格段に減少でき、各種サ
イズの形材を圧延できた。しかしながらこの圧延方法を
実施した場合、時として第14図に示すようにウエブ部に
局所的な厚み減少部（以下、「くびれ」と称する）が発
生することがあった。前記のウエブ両端に、予め付加し
た余肉18は本来、ウエウの拡幅量に見合った量を圧延後
の形状が悪化しないように設定するべきであるが、従来
は経験に基ずいて任意に行なわれていたため、くびれの
発生を許容値内に抑制することは極めて困難であった。
一定量以上のくびれが生ずると、仕上げ圧延機の水平ロ
ールでも平坦化できず製品のウエブに窪み状で残り、例
えば形材製品を建築構造用として相互に接合する際の強
度低下が懸念され、くびれの解消は重要な技術課題とさ
れていた。一方、水平ロールの胴幅が変更可能な仕上げ
圧延機は、従来の仕上げ圧延機に比し、その構造上から
ミル剛性が低いので余肉量が過剰となると仕上げ圧延機
に作用する圧延負荷が過大となり、ウエブ余肉部を十分
に整形できず、ウエブ形状は平坦にならない。従って余
肉量はくびれが生ぜず、ウエブ形状不良も発生しない必
要最小限の量であるべきである。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、周知の斜行ロール方式圧延によるウエブ拡
幅時にウエブのくびれを生じさせず、良好な製品を製造
するための最も適切な余肉形状および余肉量の決定方法
を提供するものである。

（問題点を解決するための手段・作用） 第１図は、熱間モデル圧延機による拡幅圧延途中で噛
み止めた材料の形状変化を３次元形状測定機で測定しグ
ラフ化したものである。図中のウエブ厚変化をみるとウ
エブセンター厚（t_C）と比較して極度に厚み減少する部
位が見られるが、この部分が前述のくびれである。とこ
ろで、拡幅過程は大きく分けて以下に示す３つの領域に
分類することができる。

領域I:ウエブ圧下前に斜行ロールの外側面がフランジ内
側面に接触してフランジを倒しながらウエブを引き伸ば
す領域。

領域II:ウエブを圧下しながらウエブを引き伸ばす領
域。

領域III:ウエブ圧下後、斜行ロールの外側面がフランジ
内側面に接触してフランジを倒しながらウエブを引き伸
ばす領域。

くびれは圧延方向でみると上述の領域IIIで発生し、
材料断面内では第14図の余肉部18とウエブ平行部42（余
肉以外のウエブ）の境界43で主に発生する。この発生原
因は領域IIIでウエブを引き伸ばす際に、形状の不連続
があるため居所的な応力集中が起こるものと推定され
た。従って、本発明者等は形状の不連続を解消するこ
と、すなわち余肉の形状を改良することを試みた結果、
以下の事実が判明した。

第２図に示す各種の余肉形状毎にくびれの量と平行部
拡幅量との関係をグラフで示したのが第３図であり、く
びれの最も大きいのは第２図（ａ）の前述の平行状余肉
の場合であり、次に少ないのは（ｂ）に示すとおり、フ
ランジからウエブ方向へ直線テーパ状の余肉に形成した
場合である。以上の（ａ），（ｂ）の傾向からさらに、
くびれを少なくするためにはフランジからウエブへの厚
み変化をより連続的にすればよいと推定し、（ｃ）に示
す弧状テーパ余肉に想到した。この弧状テーパ余肉によ
ると第３図に示すように同じウエブ平行部拡幅量（ウエ
ブ引き伸ばしによる拡幅量）であるなら、最もくびれ量
を小さくできることがわかった。なお、この弧状テーパ
余肉の断面稜線はフランジ部からウエブ方向に２以上の
異なる曲率の弧の組合せで構成する。一つはフランジ付
け根部分に形成した第１の大きな曲率R₁の弧であって、
これは従来から付加されているコーナー部のＲである。
第２の弧は前記第１の弧の曲率半径R₁に対して大きな曲
率半径R₂を設定して前記第１の弧と組合せ、全体の稜線
がなだらかな弧状となるように形成する。なお、第２の
弧は一つに限らず、複数個の異なる曲率の弧を組合せて
もよい。具体的な曲率半径R₁および曲率半径R₂の値は後
述する余肉の設定量、製品サイズ等の条件を考慮して設
定する。

次に、余肉量の決定方法について詳述する。くびれ量
を許容値以内におさえるためにはみずから、ウエブ平行
部拡幅量ΔW₁に限界値（ΔW_C1）があることは第３図で
明らかである。従って、拡幅時に発生するくびれを許容
くびれ量以内におさえながら目標拡幅量ΔＷを確保する
ためには、目標拡幅量とウエブ平行部拡幅量の限界値
（ΔW_C1）の差を余肉圧下による拡幅によってまかなわ
なければならない。すなわち、余肉量を適正にし、余肉
圧下による拡幅量を確保することが必須である。そこ
で、くびれを許容値以内におさえながら目標最大拡幅量
を確保するための必要な最小余肉量を以下の手順によっ
て決定した。

斜行ロールによる拡幅圧延では材料全体の伸びはほと
んど生じない。すなわち、余肉を圧下するような部分圧
延法においては、フランジやウエブの大半が直接圧下さ
れないから材料全体の伸びが基本的に極めて小さいのが
普通であるが、さらに斜行ロールの場合ロールをクロス
させて圧延するため押しつぶされた材料はほとんど幅方
向に流れる。このことは、拡幅量と余肉量の関係を求め
る場合、メタルフローは二次元として考えればよいこと
を意味している。すなわち、第６図において全拡幅量Δ
ＷのうちΔW₁がウエブ平行部が伸びた部分であり、斜線
部のΔW₂が余肉部によってまかなわれた部分と考えるこ
とができる。

第７図には必要最小余肉量の決定フローを示す。ま
ず、各種前提条件でウエブ平行部拡幅量の限界値（ΔW
_c1）をもとめると、余肉部で分担すべき拡幅量が目標拡
幅量ΔＷからΔW_c1を引いた量であり、この分担すべき
拡幅量と製品ウエブ厚から必要余肉量が求まる。

引き続きΔW_c1の決定方法について説明する。ΔW_c1に
関係する要因はウエブ平行部長ｌ、ウエブ厚t_w、圧延材
の温度分布およびロールクロス角等であり、このうち温
度分布およびロールクロス角は圧延操業上予め定められ
る条件であり、ΔW_c1に関係する主要因はウエブ平行部
長ｌとウエブ厚t_wの関係であることが分かった。

ΔW_c1とウエブ平行部長ｌ、ウエブ厚t_wの関係は以下
に示す通りである。

ウエブ平行部長ｌが大きくなるにつれてΔW_c1は直線
的に増加する（第５図）。

ΔW_c1はウエブ厚t_wに反比例する（第４図）。

以上の結果より、ΔW_c1は下記（１）式の実験式で表
せる。

ΔW_c1＝［｛Δ(ΔW_c1)／Δｌ｝・ｌ＋Ｃ］・C_w …(１) ただし、 Δ（ΔW_c1）／Δl:第５図のtanθ C:第５図のＹ軸切片 C_w:厚み修正係数 ウエブ平行部拡幅量の限定値（ΔW_c1）が求まると、
目標とするウエブ拡幅量（ΔＷ）と斜行ロールで圧延し
た後のウエブ厚（t_w1）の関係から下記（２）式で必要
最小余肉量（Ｍ）が求まる。

Ｍ＝（ΔＷ−ΔW_c1）×t_w1 …（２） 以上の決定フローによって必要な最小余肉量は決定で
き、この必要最小余肉量を被圧延材のウエブ端部断面の
四隅に等分する。

（実施例） 製品の呼称寸法（ウエブ高さ×フランジ幅）600×200
の代表的なＨ形鋼を選定して実際に圧延を行い、くびれ
の有無を確認した。被圧延材の材質はC:0.2％の普通炭
素鋼で、圧延温度はウエブ余肉部で約850℃、ウエブ幅
方向センターで約700℃、フランジ温度約900℃であっ
た。使用した斜行ロールは第８図に示すロールプロフィ
ールであって、その寸法諸元を第１表および、そのロー
ル位置設定条件を第２表に示す。以上の条件で、本発明
における余肉量・形状を付与した場合と従来の平行状余
肉の場合とを比較圧延した結果を第３表に示す。なお、
従来の平行状余肉の比較例では片側フランジの内側から
ウエブ方向へ90mmの幅にわたり、0.6mmの一様な厚さで
断面積約200mm²の余肉を付け、本発明法では同じくウエ
ブ方向へ90mmの幅にわたりフランジ付け根部の第１の半
径R₁は20mm,第２の半径R₂は940mmとして断面積約500mm²
とした。第３表から明らかなとおり、従来法ではくびれ
量が2.4mm生ずるのに対し、本発明法でのくびれ量は0.4
mmとなり、圧延前後の両者のウエブ高さ、フランジ幅、
フランジ厚等の主要寸法は殆ど変化しないにも係わら
ず、くびれ量の減少は1/6となっている。一般の使用に
供される圧延Ｈ形鋼の場合、本発明で達成されるくびれ
の減少量で充分に実用に供することができる。

（発明の効果） 本発明はＨ形鋼、Ｉ形鋼等フランジを有する形鋼を斜
行ロールを使用してウエブの拡幅圧延をする場合、最も
問題とされていたウエブ部のくびれの発生を殆ど生ずる
ことなく製造でき、格別な装置も必要とせず従来の装置
で対処できるので、製品品質の向上効果は工業的に極め
て大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が対象とする「くびれ」の発生状況を説
明するグラフ、第２図は余肉の形状を示す部分断面図、
第３図は拡幅量と「くびれ」との関係を示すグラフ、第
４図はウエブ厚と拡幅量の限界値の関係を示すグラフ、
第５図はウエブ平行部長さと拡幅量の限界値の関係を示
すグラフ、第６図は圧延前の余肉部と圧延後のウエブ部
の変化を示す部分断面図、第７図は本発明の必要最小余
肉量の決定手順を示すフローチャート、第８図は斜行ロ
ールの形状を示す説明図、第９図は従来のユニバーサル
圧延工程を示す略図、第10図はユニバーサル圧延機の正
面略図、第11図は従来のウエブ内幅一定のＨ形鋼の説明
図、第12図は斜行ロール方式圧延の状態を示す平面略
図、第13図は斜行ロール方式圧延を採用したユニバーサ
ル圧延を示す略図、第14図はＨ形鋼のくびれの発生状況
を示す正面略図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西野 胤治 大阪府堺市築港八幡町１番地 新日本製鐵 株式会社堺製鐵所内 (72)発明者 藤田 和夫 大阪府堺市築港八幡町１番地 新日本製鐵 株式会社堺製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭61−262404（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粗圧延工程、中間圧延工程、および仕上げ
   圧延工程からなる形材の圧延プロセスの前記中間圧延工
   程と仕上げ圧延工程間の任意の１以上のパスで、その軸
   心が圧延方向に水平な面内でかつ、圧延方向に垂直な面
   に対して所定の角度θ_Ｈを有する左右一対の斜行ロール
   を被圧延材のフランジ内側に配置してウエブの高さの拡
   幅圧延を行う方法において、前記ロールで圧延される以
   前の被圧延材ウエブの平行部長さ及びウエブ厚等の関数
   からウエブのくびれ量を許容値以下に抑制するためのウ
   エブ平行部拡幅量の限界値を求め、続いてウエブの目標
   拡幅量と前記ウエブ平行部拡幅量の限界値との差および
   製品ウエブ厚から必要余肉量を求め、該必要余肉量を被
   圧延材のウエブ端部断面の四隅に等分する際に、該余肉
   の稜線を異なる曲率半径の複数個の弧の組合せとなるよ
   うに前記中間圧延工程で成形したのち、前記斜行ロール
   で圧延することを特徴とするフランジを有する形材の圧
   延方法。