JP6638506B2 - 造形孔型及びｈ形鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば矩形断面であるスラブ等を素材として大型Ｈ形鋼を製造するための造形孔型及びＨ形鋼の製造方法に関する。

Ｈ形鋼を製造する場合には、加熱炉から抽出された矩形断面のスラブやブルーム等の素材をサイジングミルや粗圧延機によって、最初にエッジング孔型を用いて前記素材を幅方向に圧下して所謂ドッグボーン材を造形し、続いて、該ドッグボーン材を造形孔型で圧下してＨ形粗形材に造形し、中間ユニバーサル圧延機によって上記Ｈ形粗形材のウェブやフランジの厚さを圧下し、併せて前記中間ユニバーサル圧延機に近接したエッジャー圧延機によって被圧延材のフランジに対し幅圧下や端面の鍛錬と整形が施される。そして、仕上ユニバーサル圧延機によってＨ形鋼製品が造形される。

このようなＨ形鋼の製造方法において、矩形断面のスラブやブルーム等の素材からＨ形粗形材を造形する際には、サイジングミル及び粗圧延機に刻設された種々の孔型を用いて様々な断面形状のＨ形粗形材が造形される。近年、構造物等の大型化に伴い大型のＨ形鋼製品の製造が望まれており、このような場合に関し、必要な大型サイズのＨ形粗形材を製造する様々な技術が創案されている。

例えば特許文献１には、素材としてウェブ形状を山形・波状などに変形させたビームブランクを用いて大型Ｈ形鋼を製造する技術が開示されており、ウェブ形状を変形させる際にＢＤミル（ブレークダウンミル）による孔型圧延を用いる旨が記載されている。
また、例えば特許文献２、３には、Ｈ形粗形材を拡幅圧延して大型のＨ形粗形材を得る技術が開示され、その際の拡幅圧延を効率的・安定的に行うための種々の技術が記載されている。

特開２００２−４５９０２号公報 特許第３７６９２４５号 特許第４１６７５７２号

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、ウェブ部を山形に変形させる旨、ウェブ中央部の厚さを大きく変形（増肉）させる旨、あるいは波状に変形させる旨が開示されているが、ウェブ部全体にわたって変形させる旨の記載は無く、変形の詳細な態様については言及されていない。
また、上記特許文献２、３に記載の技術では、ウェブ内法拡幅の際にロールからフランジ部内側に大きな力が加わり、表面疵が発生しやすいといった問題がある。

また、上記特許文献１〜３に記載のいずれの技術においても、Ｈ形粗形材を造形する段階においてフランジ部に対する板厚圧下が行われず、ウェブ部に対する板厚圧下のみが行われる構成となっている。そのため、被圧延材の長手方向端部（先後端部）にタング（ウェブタング）が発生し、切り捨て量（クロップ量）が増大し、歩留まりが低下すると共に、ウェブの伸びに引きずられる形でフランジ部にも伸びが発生し、フランジ断面積が減少し、寸法精度の低下が懸念される。このような問題により、従来は大型のＨ形鋼製品を安定的且つ効率的に製造することが困難であった。

このような事情に鑑み、本発明の目的は、粗圧延工程においてウェブ内法拡幅を伴う圧延によってＨ形粗形材の造形を行う場合に、被圧延材の長手方向端部（先後端部）にウェブタングをほとんど発生させることなくＨ形粗形材を造形し、高い生産性と寸法精度でもって大型のＨ形鋼製品を製造することが可能なＨ形鋼の製造技術を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明によれば、ウェブが平坦な圧延Ｈ形鋼についての矩形断面の素材に対し粗圧延工程を行う圧延機の圧延ロールに刻設される造形孔型であって、一対の水平ロールである上孔型ロール及び下孔型ロールから構成され、前記素材に対して幅方向の圧下が行われて造形されたドッグボーン材に対し、当該ドッグボーン材のウェブ相当部の全幅にわたって波形状を付与するように、前記上孔型ロール及び下孔型ロールにおける前記ウェブ相当部に対向する孔型部位を波形状としたことを特徴とする、造形孔型が提供される。

前記孔型部位の波形状は、孔型断面において、ウェブ幅方向に沿って単位構成が周期的に繰り返され、かつ、ウェブ幅方向中心位置に関して左右対称な形状であり、前記波形状のウェブ幅方向の長さは、前記単位構成のウェブ幅方向の長さである前記波形状の波長の整数倍に当該波長の半波長を加えた長さであっても良い。

前記孔型部位の波形状のロール軸に対する傾斜角度θは、以下の式（１９）に示す角度でも良い。
θ＝ｃｏｓ^−１（Ｂ４／Ｂ３） ・・・（１９）
但し、Ｂ３：前記造形孔型での圧下前のウェブ相当部の厚み、Ｂ４：前記造形孔型で圧下後に所望されるウェブ相当部の厚み、である。

また、別の観点からの本発明によれば、矩形断面の素材に対し粗圧延工程、中間圧延工程、仕上圧延工程を行うウェブが平坦な圧延Ｈ形鋼の製造方法であって、前記粗圧延工程を行う圧延機の孔型ロールには、前記素材に対して幅方向の圧下を行う１又は複数のエッジング孔型と、幅方向の圧下が行われた後のドッグボーン材に対し、当該ドッグボーン材のウェブ相当部の全幅にわたって波形状を付与する造形孔型と、当該造形孔型での造形後の被圧延材について、当該被圧延材のウェブ相当部の拡幅圧延を行う拡幅孔型と、が刻設され、前記造形孔型は、一対の水平ロールである上孔型ロール及び下孔型ロールから構成されていることを特徴とする、Ｈ形鋼の製造方法が提供される。

上記Ｈ形鋼の製造方法においては、前記造形孔型は、被圧延材のウェブ相当部に対向する波形状の孔型部位を有し、当該孔型部位の波形状は、孔型断面において、ウェブ幅方向に沿って単位構成が周期的に繰り返され、かつ、ウェブ幅方向中心位置に関して左右対称な形状であり、前記波形状のウェブ幅方向の長さは、前記単位構成のウェブ幅方向の長さである前記波形状の波長の整数倍に当該波長の半波長を加えた長さであっても良い。

上記Ｈ形鋼の製造方法においては、前記孔型部位の波形状のロール軸に対する傾斜角度θは、以下の式（１９）に示す角度でも良い。
θ＝ｃｏｓ^−１（Ｂ４／Ｂ３） ・・・（１９）
但し、Ｂ３：前記造形孔型での圧下前のウェブ相当部の厚み、Ｂ４：前記造形孔型で圧下後に所望されるウェブ相当部の厚み、である。

本発明によれば、粗圧延工程においてウェブ内法拡幅を伴う圧延によってＨ形粗形材の造形を行う場合に、被圧延材の長手方向端部（先後端部）にウェブタングをほとんど発生させることなくＨ形粗形材を造形し、高い生産性と寸法精度でもって大型のＨ形鋼製品を製造することが可能となる。

Ｈ形鋼の製造ラインについての概略説明図である。 第１孔型の概略説明図である。 第２孔型の概略説明図である。 第３孔型の概略説明図である。 第４孔型の概略説明図である。 第５孔型の概略説明図である。 第６孔型の概略説明図である。 第７孔型の概略説明図である。 本実施の形態に係る第４孔型における被圧延材Ａの造形を段階的に示した概略説明図である。 第４孔型の他の構成を示す概略説明図である。 本実施の形態に係る第４孔型における圧延の初期において、第４孔型から被圧延材Ａのウェブ相当部に対して作用する力とこれによりウェブ相当部に発生するせん断力と曲げモーメントを示した概略説明図である。 本実施の形態に係る第４孔型における被圧延材Ａの造形において、ウェブ相当部の曲げ変形が優勢になる場合の変形状態を示した概略説明図である。 従来の一般的に知られる平造形孔型における被圧延材Ａの造形を段階的に示した概略説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本実施の形態にかかる圧延設備１を含むＨ形鋼の製造ラインＴについての説明図である。図１に示すように、製造ラインＴには上流側から順に、加熱炉２、サイジングミル３、粗圧延機４、中間ユニバーサル圧延機５、仕上ユニバーサル圧延機８が配置されている。また、中間ユニバーサル圧延機５に近接してエッジャー圧延機９が設けられている。なお、以下では、説明のために製造ラインＴにおける鋼材を、総称して「被圧延材Ａ」と記載し、各図において適宜その形状を破線・斜線等を用いて図示する場合がある。

図１に示すように、製造ラインＴでは、加熱炉２から抽出された例えばスラブ１１である矩形断面素材（後の被圧延材Ａ）がサイジングミル３、粗圧延機４の順に粗圧延される。次いで、中間ユニバーサル圧延機５において中間圧延される。この中間圧延時には、必要に応じてエッジャー圧延機９によって被圧延材のフランジ先端部（フランジ対応部１２）に対して圧下が施される。サイジングミル３及び粗圧延機４のロールには、エッジング孔型、及び、ウェブ部分を減厚する造形孔型や、ウェブ内法寸法を拡幅するいわゆるウェブ拡幅孔型が刻設されており、これらを経由して複数パスのリバース圧延でＨ形粗形材１３が造形され、該Ｈ形粗形材１３を前記中間ユニバーサル圧延機５−エッジャー圧延機９の２つの圧延機からなる圧延機列を用いて、複数パスの圧下が加えられ、中間材１４が造形される。そして中間材１４は、仕上ユニバーサル圧延機８において製品形状に仕上圧延され、Ｈ形鋼製品１６が製造される。

次に、以下では図１に示したサイジングミル３及び粗圧延機４に刻設される孔型構成や孔型形状について図面を参照して説明する。図２〜図８は粗圧延工程を行うサイジングミル３及び粗圧延機４に刻設される孔型についての概略説明図である。ここで、説明する第１孔型〜第７孔型は、１基の粗圧延機４に全て刻設されても良い。また、例えばサイジングミル３及び粗圧延機４に第１孔型〜第７孔型の７つの孔型が分けて刻設されても良い。通常のＨ形鋼の製造における粗圧延工程では、これら各孔型において１又は複数パスでの造形が行われる。

また、粗圧延を行う孔型はここで説明する構成に限定されるものではなく、その数や形状は必要に応じて任意に変更可能である。即ち、本実施の形態では刻設される孔型が７つの場合を例示して説明するが、その孔型数については、必ずしも７孔型である必要はなく、必要に応じて任意の複数の孔型であれば良い。即ち、Ｈ形粗形材１３を造形するために好適な孔型構成であれば良い。なお、図２〜図８では、各孔型による造形の最終パスにおける被圧延材Ａの概略形状を破線にて図示している。

図２は、第１孔型Ｋ１の概略説明図である。第１孔型Ｋ１は、一対の水平ロールである上孔型ロール２０と下孔型ロール２１に刻設され、これら上孔型ロール２０と下孔型ロール２１のロール隙において被圧延材Ａが圧下・造形される。また、上孔型ロール２０の周面（即ち、第１孔型Ｋ１の上面）には、孔型内部に向かって突出する突起部２５が形成されている。更に、下孔型ロール２１の周面（即ち、第１孔型Ｋ１の底面）にも、孔型内部に向かって突出する突起部２６が形成されている。これら突起部２５、２６の形状やその突出長さは突起部２５と突起部２６でそれぞれ等しく構成されている。

また、図３は、第２孔型Ｋ２の概略説明図である。第２孔型Ｋ２は、一対の水平ロールである上孔型ロール３０と下孔型ロール３１に刻設される。上孔型ロール３０の周面（即ち、第２孔型Ｋ２の上面）には、孔型内部に向かって突出する突起部３５が形成されている。更に、下孔型ロール３１の周面（即ち、第２孔型Ｋ２の底面）にも、孔型内部に向かって突出する突起部３６が形成されている。これら突起部３５、３６の形状やその突出長さは突起部３５と突起部３６でそれぞれ等しく構成されている。

また、図４は、第３孔型Ｋ３の概略説明図である。第３孔型Ｋ３は、一対の水平ロールである上孔型ロール４０と下孔型ロール４１に刻設される。上孔型ロール４０の周面（即ち、第３孔型Ｋ３の上面）には、孔型内部に向かって突出する突起部４５が形成されている。更に、下孔型ロール４１の周面（即ち、第３孔型Ｋ３の底面）にも、孔型内部に向かって突出する突起部４６が形成されている。これら突起部４５、４６の形状やその突出長さは突起部４５と突起部４６でそれぞれ等しく構成されている。

図２〜図４に示す第１孔型Ｋ１〜第３孔型Ｋ３はいわゆるエッジング孔型であり、これら第１孔型Ｋ１〜第３孔型Ｋ３では、スラブ１１（被圧延材Ａ）に対してその幅方向に圧下を行うことでフランジ相当部を生成し、ドッグボーン材とする。具体的には、第１孔型Ｋ１における被圧延材Ａの幅長さをＡ１とすると、第２孔型Ｋ２での幅長さはＡ２（＜Ａ１）となるように圧下され、第３孔型Ｋ３での幅長さはＡ３（＜Ａ２）となるように圧下される。この圧下と共に、被圧延材Ａの幅方向端部（上下端部）には、後のＨ形鋼製品のフランジに相当するフランジ相当部８０が造形される。

また、図５は、第４孔型Ｋ４の概略説明図である。第４孔型Ｋ４は、一対の水平ロールである上孔型ロール８５と下孔型ロール８６から構成される。図５に示すように、第４孔型Ｋ４では、第３孔型Ｋ３までに造形された被圧延材Ａが９０°あるいは２７０°回転させられ、第３孔型Ｋ３までは被圧延材Ａの上下端に位置していたフランジ部８０が、圧延ピッチライン上に来るような配置となる。そして、第４孔型Ｋ４では、２か所のフランジ相当部８０を繋ぐ接続部であるウェブ相当部８２の板厚圧下及びフランジ相当部８０のフランジ先端部を圧下することでフランジ幅の寸法調整が行われる。

ここで、図５に示すように、第４孔型Ｋ４は一般的に知られる平造形孔型とは異なり、孔型形状（孔型断面形状）がウェブ相当部８２に対向する位置において波形状の孔型部位８８（以降、単に孔型部位８８とも呼称）を有するように構成されている。孔型部位８８については、第４孔型Ｋ４における左右のフランジ相当部８０に対向する部位とウェブ相当部８２に対向する部位との接続箇所（交点）の間の全ての区間が波形状を有している必要がある。なお、この波形状を有する孔型部位８８における詳細な圧延造形については、図９を参照して後述する。

孔型部位８８の波形状としては、屈曲箇所数は単数、複数のいずれでも良く、加えて、断面全体が波長の整数倍＋半波長を有するような波形状とすることが好ましい。即ち、被圧延材Ａの通材安定性や造形安定性等に鑑み、断面形状を左右対称形状とすることが望ましい。また、図９を参照して後述するせん断変形を促進させるためには、屈曲箇所数を多くし、波の高さ（振幅）を小さく抑え、波長を短くすることが好ましい。
なお、図５に示す例では、波形状が１波長＋半波長であり、屈曲箇所数がＢ点、Ｃ点、Ｄ点の３箇所である場合を図示している。

このように構成される第４孔型Ｋ４では、第１孔型Ｋ１〜第３孔型Ｋ３までの孔型で造形されたドッグボーン材において、フランジ相当部８０の先端部圧下と共に、ウェブ相当部８２の断面全体が波形状に造形される。

次に、図６は、第５孔型Ｋ５の概略説明図であり、（ａ）は被圧延材Ａ圧下前、（ｂ）は被圧延材Ａ圧下後を示している。第５孔型Ｋ５は、一対の水平ロールである上孔型ロール９５と下孔型ロール９６から構成される。図６に示すように、第５孔型Ｋ５は、Ｈ形鋼の製造技術において一般的に知られている平造形孔型であり、ウェブ相当部８２の内法（即ち、ウェブ内法）を拡幅させるものである。即ち、図６（ａ）に示すように、第５孔型Ｋ５の内法長さｈ１は、圧下前の被圧延材Ａのウェブ内法ｈ０よりも大きく構成されている（ｈ１＞ｈ０）。

この第５孔型Ｋ５により、フランジ相当部８０の先端部圧下と共に、上述したようにウェブ相当部８２が波形状に造形された被圧延材Ａのウェブ拡幅圧延が行われ、図６（ｂ）に示すように、造形後にはウェブ相当部８２の長さ（ウェブ内法）はｈ１となる。また、第４孔型Ｋ４において波形状に造形されたウェブ相当部８２は、この第５孔型Ｋ５でのウェブ圧下により通常のウェブ形状（即ち、断面が直線形状）へと造形される。

また、図７は、第６孔型Ｋ６の概略説明図であり、（ａ）は被圧延材Ａ圧下前、（ｂ）は被圧延材Ａ圧下後を示している。第６孔型Ｋ６は、一対の水平ロールである上孔型ロール１０５と下孔型ロール１０６から構成される。図７に示すように、第６孔型Ｋ６は、Ｈ形鋼の製造技術において一般的に知られている平造形孔型であり、ウェブ相当部８２の内法（即ち、ウェブ内法）を拡幅させるものである。即ち、図７（ａ）に示すように、第６孔型Ｋ６の内法長さｈ２は、圧下前の被圧延材Ａのウェブ内法ｈ１よりも大きく構成されている（ｈ２＞ｈ１）。

この第６孔型Ｋ６により、フランジ相当部８０の先端部圧下と共に、ウェブ相当部８２の拡幅圧延が行われ、図７（ｂ）に示すように、造形後にはウェブ相当部の長さ（ウェブ内法）はｈ２となる。

また、図８は、第７孔型Ｋ７の概略説明図であり、（ａ）は被圧延材Ａ圧下前、（ｂ）は被圧延材Ａ圧下後を示している。第７孔型Ｋ７は、一対の水平ロールである上孔型ロール１１５と下孔型ロール１１６から構成される。図８に示すように、第７孔型Ｋ７は、Ｈ形鋼の製造技術において一般的に知られている平造形孔型であり、ウェブ相当部８２の内法（即ち、ウェブ内法）を拡幅させるものである。即ち、図８（ａ）に示すように、第７孔型Ｋ７の内法長さｈ３は、圧下前の被圧延材Ａのウェブ内法ｈ２よりも大きく構成されている（ｈ３＞ｈ２）。

この第７孔型Ｋ７により、フランジ相当部８０の先端部圧下と共に、ウェブ相当部８２の拡幅圧延が行われ、図８（ｂ）に示すように、造形後にはウェブ相当部の長さ（ウェブ内法）はｈ３となる。このようにしてＨ形粗形材（図１に示すＨ形粗形材１３）が造形される。

上記第５孔型Ｋ５〜第７孔型Ｋ７は、ウェブ相当部８２の長さ（ウェブ内法）を拡幅する孔型であることから、いわゆる拡幅孔型とも呼称される。但し、上記第６孔型Ｋ６と上記第７孔型Ｋ７については、必ずしもこれらを必要としない場合がある。即ち、例えばＨ形粗形材１３のウェブ内法を上記第５孔型Ｋ５によるウェブ拡幅圧延だけで造形できる場合には、上記第６孔型Ｋ６及び上記第７孔型Ｋ７は不要であり、また、Ｈ形粗形材１３のウェブ内法を上記第５孔型Ｋ５及び上記第６孔型Ｋ６による２段階のウェブ拡幅圧延だけで造形できる場合には、上記第７孔型Ｋ７は不要である。

以上のように造形されたＨ形粗形材１３に対し、既知の圧延機である中間ユニバーサル圧延機５−エッジャー圧延機９の２つの圧延機からなる圧延機列を用いて、複数パスのリバース圧延が加えられ、中間材１４が造形される。そして中間材１４は、仕上ユニバーサル圧延機８において製品形状に仕上圧延され、Ｈ形鋼製品１６が製造される（図１参照）。

以上説明した第１孔型Ｋ１〜第７孔型Ｋ７を用いた粗圧延工程によれば、特に第４孔型Ｋ４におけるウェブ相当部８２の圧下において、造形孔型（ここでは第４孔型Ｋ４）によるウェブ相当部の長手方向の伸びを低減させることが可能となる。特に、被圧延材Ａを９０°あるいは２７０°回転させてウェブ相当部８２の圧下を行う第４孔型Ｋ４では、ウェブ相当部８２の圧下が、厚みの大きい略スラブ厚の状態から厚みの小さい状態まで大きな圧下量を伴って実施されるため、この第４孔型Ｋ４におけるウェブ相当部８２の長手方向の伸びを低減させることは非常に重要である。ウェブ相当部８２の長手方向への伸びを低減させることで、被圧延材Ａの長手方向の先後端部に顕現するいわゆるウェブタングと呼ばれる形状不良部を抑制させることができ、高い生産性と寸法精度を実現させることができる。

本発明者らは、本実施の形態に係る第４孔型Ｋ４での被圧延材Ａの造形において、ウェブ相当部の長手方向の伸びが低減される原理や、好適に伸びを低減させるための条件について更に検討を行った。以下では本検討について説明する。

図９は、本実施の形態に係る第４孔型Ｋ４における被圧延材Ａの造形を段階的に示した概略説明図であり、（ａ）〜（ｄ）の順で圧下が行われている場合を図示したものである。図９では、圧下前のウェブ相当部８２の厚みをＢ３とし、圧下に伴いその厚みがＢ３’、Ｂ３’’、Ｂ４と減厚していくものとし、Ｂ４は第４孔型Ｋ４における所望のウェブ相当部厚みであるとする。また、この第４孔型Ｋ４の波形状の孔型部位８８は、ロール軸に対して所定の角度θだけ傾斜して構成されるものとし、Ｂ３’＝Ｂ３・ｃｏｓθである。
なお、圧下前のウェブ相当部８２の厚みをＢ３は、実操業上は、素材であるスラブ１１の厚みとほぼ同じ厚みである。

図９に示すように、第４孔型Ｋ４におけるウェブ相当部８２を波形状の孔型部位８８によって圧下する場合、当該孔型部位８８でのウェブ相当部８２の波形状への変形は、曲げ変形よりもせん断変形が優勢となる条件にする必要がある。

以下、せん断変形が優勢となる条件について詳しく説明する。
図９のように、第３孔型Ｋ３で形成された被圧延材Ａのウェブ相当部８２に対して、その板厚方向に第４孔型Ｋ４の波形状の孔型部位８８で圧下を加えるときを考える。ここでは、説明の便宜上、波形状は当該波形状の波長λに当該波長の半波長λ／２を加えた形状の場合について説明するが、当該波形状の波長λの整数倍に当該波長の半波長λ／２を加えた形状の場合についても同様である。すなわち、図９は整数倍の「整数」が１の場合である。

被圧延材Ａはウェブ相当部８２の下面で下ロールの点Ｂ及び点Ｃで支持され、ウェブ相当部８２の上面が点Ｄで下方に押圧される。点Ｄの押圧力をＷとすると、上下方向の力のバランスと左右対称性から点Ｂ及び点Ｃにおける支持力はいずれもＷ/２である。これらの力によって、ウェブ相当部８２には、図１１のようなせん断力と曲げモーメントが生じる。即ち、点Ｂを原点に右方向にｘ座標を定義すると、ｘ＝ｘにおけるせん断力Ｆと曲げモーメントＭは、以下の式（１）〜（４）で与えられる。
せん断力Ｆは、

曲げモーメントＭは、

せん断力Ｆの最大値Ｆｍａｘ＝Ｗ／２であり、ＢＤ間では正値、ＤＣ間では負値をとる。曲げモーメントはｘ＝λ／２で最大となり、その最大値Ｍｍａｘ＝λＷ／４である。

ウェブ相当部８２の断面には、せん断力Ｆによりｘ軸に直角方向のせん断応力τが、また曲げモーメントＭによりｘ方向の垂直応力σが生じる。図９において、前記せん断力Ｆと曲げモーメントＭが生じる被圧延材Ａの長手方向の領域長さをｂとすると、せん断応力τの最大値τｍａｘは、以下の式（５）で示される。

一方、垂直応力σの最大値σｍａｘは、曲げモーメントＭが最大となるｘ＝λ／２において、ウェブ相当部８２の上下表面上で最大値をとり、以下の式（６）で示される。ここでＺはウェブ相当部８２の断面係数である。

τｍａｘが降伏せん断応力ｋに達するとウェブ相当部８２は図９のようにせん断変形し、σｍａｘが降伏応力Ｙに達すると、ウェブ相当部８２は図１２のように曲げ変形が始まる。被圧延材Ａの降伏応力をＹとすると、降伏条件のトレスカの説に基づくと降伏せん断応力ｋはｋ＝Ｙ／２で与えられる。
そこで、τｍａｘ＝ｋ＝Ｙ／２を上記式（５）に代入して式を整理すると、以下の式（７）が得られる。
Ｗ＝ｂ・Ｂ３・Ｙ ・・・（７）
また、σｍａｘ＝Ｙを上記式（６）に代入して式を整理すると、以下の式（８）が得られる。

上記式（７）のＷをＷ１、上記式（８）のＷをＷ２とおくと、ウェブ相当部８２の変形は、Ｗ１＜Ｗ２のときは図９のようなせん断変形が優勢になり、逆にＷ１＞Ｗ２のときは図１２のような曲げ変形が優勢となる。
せん断変形が優勢となる条件は、以下の式（９）である。
Ｗ１＜Ｗ２よりλ＜（２／３）・Ｂ３ ・・・（９）
曲げ変形が優勢となる条件は、以下の式（１０）である。
Ｗ１＞Ｗ２よりλ＞（２／３）・Ｂ３ ・・・（１０）

上記においてはウェブ相当部８２の変形を単純にせん断変形と曲げ変形の２つに分けて考察したが、実際には曲げ変形とせん断変形が複合して生じている。また、上記式（９）及び式（１０）で与えられる曲げ変形／せん断変形のいずれが起こるかの判定条件は、被圧延材Ａに対する拘束条件、例えば被圧延材Ａを第４孔型Ｋ４に誘導するガイドの設定条件によっても変わり、また被圧延材Ａの長手方向の先後端部と中央部では式（９）及び式（１０）の右辺は変わる。
しかしながら、波形状の波長λがウェブ相当部８２の板厚Ｂ３に比べて小さい場合にはせん断変形が優勢であり、反対に大きい場合には曲げ変形が優勢となることには変わりない。

曲げ変形が優勢になると図１２（ｂ）のように、フランジ相当部８０が傾くため孔型からはみ出てそれ以降の圧下を継続することができなくなる。また図１２に示すように、ウェブ相当部８２のもとの垂直方向の断面が垂直を保てなくなって傾斜し、図中に破線で囲んだ部位が孔型部位８８によって板厚方向に圧下され、ウェブ相当部８２が被圧延材Ａの長手方向に伸びウェブタングが生じる。

一方、せん断変形が優勢であると、図９（ｂ）のようにウェブ相当部８２のもとの垂直方向の断面はほぼ垂直のままであり、ウェブ相当部８２が被圧延材Ａの長手方向に伸びないので図９（ｂ）の時点でウェブ相当部８２の板厚はＢ３からＢ３’に減少しているがウェブタングが生じない。しかし、その後は図９（ｃ）〜（ｄ）のようにウェブ相当部８２の板厚が直接圧下されて板厚はＢ３’からＢ３’’を経てＢ４まで減少し、ウェブタングが成長していく。

これを従来の一般的に知られる平造形孔型における被圧延材Ａの造形状態と比較して説明する。図９の本願発明技術においては、（ａ）〜（ｄ）に至るウェブ相当部８２の延伸は、Ｂ３／（Ｂ４／ｃｏｓθ）である。これに対して、図１３の従来法では（ａ）〜（ｄ）に至るウェブ相当部８２の延伸はＢ３／Ｂ４である。ｃｏｓθ≦１であるから、Ｂ３／（Ｂ４／ｃｏｓθ）≦Ｂ３／Ｂ４であり、本願発明技術によりウェブ相当部８２の延伸を低減でき、これによってウェブタングの成長を抑制できる。即ち、図９（ａ）〜（ｂ）の過程でウェブ相当部８２に板厚方向のせん断変形を生じさせることにより、この間のウェブ相当部８２の伸びを生じさせないで、波形状に変形したウェブ相当部８２の法線方向の板厚をＢ３’まで減少させることができる。またこの時、ウェブ相当部８２の線長Ｌが、（ａ）に示す圧下前のＬ０に比べ、（ｄ）に示す圧下後のＬ１の方が長くなっている。

なお、孔型部位８８の傾斜角度θに関しては、図９（ｄ）に示すように、孔型形状をロール軸に対してθ＝ｃｏｓ^−１（Ｂ４／Ｂ３）だけ傾斜した形状とし、この傾斜角度θ＝ｃｏｓ^−１（Ｂ４／Ｂ３）だけ傾斜するようにウェブ相当部８２を造形した場合には、Ｂ３’＝Ｂ４となり（ｄ）の段階でもウェブタングは生じない。

傾斜角度θの具体的な数値は、当該孔型（本実施の形態に係る第４孔型Ｋ４）における圧下前のウェブ相当部の板厚Ｂ３と、圧下後の所望板厚であるＢ４に応じて適宜定めれば良いが、θ＝ｃｏｓ^−１（Ｂ４／Ｂ３）が理想である。
しかし、実際にはこのような条件でできるとは限らない。以下この点について説明するとともに、第４孔型Ｋ４において波形状に造形されたウェブ相当部８２について、該波形状の傾斜角度θと振幅ａ、該波形状の波長の整数倍（＝ｎ倍とおき、以下ではこれを屈曲数と呼称する）に当該波長の半波長を加えた形状の適正範囲について述べる。

まず、振幅ａ、波長λと傾斜角度θには以下の式（１１）で与えられる関係がある。
ａ＝（λ／４）ｔａｎθ ・・・（１１）
また、既に述べたように以下の式（１２）で示す関係がある。
Ｂ３’＝Ｂ３・ｃｏｓθ ・・・（１２）
そして、上記式（１１）、（１２）を連立させてθを消去して整理すると、以下の式（１３）が得られる。

一方、図９（ｄ）のようにウェブ相当部８２が波形状である被圧延材Ａは、次工程の第５孔型Ｋ５により、図６（ａ）、（ｂ）のようにウェブ相当部８２に対して曲げ変形を生じさせて前記波形状を消去する必要があり、せん断変形を起こすことを避けなければならない。図９（ｄ）の波形状の波長はλであり、ウェブ相当部８２の板厚はＢ４であるから、式（１０）を導いたのと同様の議論により、以下の式（１４）を満たさなくてはならない。
λ＞（２／３）・Ｂ４ ・・・（１４）
ただし、上記式（１４）の右辺の係数２／３は、第５孔型Ｋ５における圧延の際の被圧延材Ａに対する拘束条件によって多少変わる。

ところで上に述べたように、Ｂ４＝Ｂ３’であれば理想であるが、このとき式（１３）において、Ｂ３’＝Ｂ４とおいて、式（１４）と連立させてＢ４を消去すると、以下の式（１５）が得られる。

即ち、波形状の波長λが大きいほど振幅ａの範囲は広くなる。

しかし、一方で波長λには制約がある。ウェブ相当部８２の線長が図９（ａ）に示す第４孔型Ｋ４の圧下前のＬ０に対して、以下の式（１６）を満足する必要がある。

式（１６）を式（１５）に代入して整理すると以下の式（１７）が得られる。

ここで、Ｂ３はもとのスラブやブルームの素材の板厚に等しい。

上記式（１５）を満足する振幅ａと波長λの範囲、または、上記式（１７）を満足する振幅ａと屈曲数ｎの範囲であればよい。実際の操業においては、第４孔型Ｋ４での圧延が安定し、ロールコストも低く抑えられるので、振幅ａは小さい方がよい。

上記のようにして決めた振幅ａの値が設備条件を考慮して大きすぎて不都合であれば、設備制約の範囲内でａを最小値に設定する。このとき、傾斜角度θを小さくすることになる。この場合には、Ｂ３’＞Ｂ４となり、図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のようにウェブ相当部８２の板厚をＢ３’、Ｂ３’’、Ｂ４と減厚していく過程でウェブタングが成長する。しかし、図１３の従来の一般的な平造形孔型を用いた造形法に比べれば最終的なウェブタングの長さは短くてすむ。

さらに、ウェブ相当部８２の板厚がＢ４まで縮小された時点で、ウェブ相当部８２の線長ＬがもとのＬ０からＬ１まで拡大しており、Ｌ１は以下の式（１８）で与えられる。
Ｌ１＝ｈ０／ｃｏｓθ≒Ｌ０／ｃｏｓθ ・・・（１８）
このため、図６に示す後続の第５孔型Ｋ５によるＨ形粗形材の拡幅圧延が容易になり、第５孔型Ｋ５により従来はｈ０（≒Ｌ０）からｈ１へのｈ１−ｈ０の拡幅量が必要であったが、本願発明技術を適用することにより、実質拡幅量はｈ１−Ｌ１＝ｈ１−ｈ０／ｃｏｓθ（＜ｈ１−ｈ０）で済む。このため、拡幅するために必要な上孔型ロール９５及び下孔型ロール９６の胴部から被圧延材Ａのフランジ部内側に作用する拡幅力が小さくて済み、フランジ内側の表面疵の低減や解消にもつながる。

ところで、傾斜角度θが所定の値に定まった場合であっても、第４孔型Ｋ４の孔型形状を、ウェブ相当部８２に対して余肉を付与したり、逆に減肉するような構成とすることもできる。例えば、図９（ａ）のＢ、Ｃ、Ｄのようなコーナー部のアール値を増減させるような孔型形状は当然可能であり、本願発明技術の範疇に入る。
また、図９の例では、波形状は三角形の形状であるが、これを正弦曲線（サインカーブ）その他の周期関数の形にしても効果があり、これも本願発明技術の範疇に属する。

圧下前のウェブ相当部８２の厚みがＢ３であり、当該厚みＢ３を所定の厚みＢ４（＜Ｂ３）まで圧下する場合において、本実施の形態に係る第４孔型Ｋ４を用いて圧下を行った場合には厚みＢ４／ｃｏｓθまで圧下すれば良いのに対し、波形状を有さない従来の平造形孔型で圧下を行った場合にはＢ４まで圧下を行わなくてはならない。即ち、本実施の形態に係る技術によれば、従来の平造形孔型に比べウェブ相当部８２の圧下量を小さくすることができるため、ウェブ相当部８２の長手方向の伸びを低減させることが可能となる。

また、上述したように、本実施の形態に係る技術によれば、ウェブ相当部８２の線長Ｌが、図９（ａ）に示す圧下前に比べ、図９（ｄ）に示す圧下後の方が長くなるような変形が行われる。そのため、以降の孔型において拡幅圧延を行う場合に、フランジ相当部８０の内側に大きな力が加わることなく当該拡幅圧延を実施することができる。即ち、拡幅圧延時に、被圧延材Ａの特にフランジ内壁等に引掻傷や折込疵等の表面疵が発生するのを抑制することができる。

以上、図９を参照して説明した本実施の形態に係る第４孔型Ｋ４を含む第１孔型Ｋ１〜第７孔型Ｋ７によって実施される粗圧延工程によれば、ウェブ内法拡幅を伴う圧延によって造形を行う場合に、被圧延材の長手方向端部（先後端部）にウェブタングが発生するのを抑制することができる。これにより、切り捨て量（クロップ量）が増大し、歩留まりが低下するといった問題が解消され、生産性の向上が図られる。

また、ウェブタングが大きく発生した場合には、ウェブの伸びに引きずられる形でフランジ部にも伸びが発生し、フランジ断面積が減少し、寸法精度の低下が懸念されることから、ウェブタングの発生を抑制することで寸法精度の向上も図ることができる。

特に大型のＨ形鋼製品を製造する場合には、上記歩留まりの低下や寸法精度の低下といった問題が顕著に現れるため、本実施の形態で説明した製造技術は特に大型Ｈ形鋼製品の製造において有用である。

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施の形態では、第４孔型Ｋ４の孔型断面形状の一例として、図５に示すような、波形状が１波長＋半波長であり、屈曲箇所数が３箇所である孔型形状を図示し、説明したが、このような形状に限られるものではない。例えば、図１０に示すように、波形状が２波長＋半波長であり、屈曲箇所数が５箇所であるような孔型形状でも良い。

また、上記実施の形態では、第１孔型Ｋ１〜第３孔型Ｋ３の３つの孔型を用いて被圧延材Ａに対しエッジング圧延を行い、その後、第４孔型Ｋ４〜第７孔型Ｋ７の４つの孔型を用いて拡幅圧延を行う技術を説明したが、粗圧延工程を実施する孔型数はこれに限られるものではない。例えばエッジング圧延を行う孔型の数は４つ以上でも良く、拡幅圧延を行う孔型の数は２以上の任意の数でも良い。但し、上記実施の形態で説明したように、本発明技術においては拡幅圧延の最初の孔型においてウェブ相当部８２を波形状に造形することとしており、波形状に造形したウェブ相当部８２の拡幅を行う必要もあることから、少なくとも２つの拡幅圧延用の孔型が必要となる。

また、Ｈ形鋼を製造する際の素材としてはスラブを例示して説明したが、類似形状のその他素材についても本発明は当然適用可能である。即ち、例えばブルーム等を造形してＨ形鋼を製造する場合にも適用できる。

本発明は、例えば矩形断面であるスラブ等を素材として大型Ｈ形鋼を製造するための造形孔型及びＨ形鋼の製造方法に適用できる。

１…圧延設備
２…加熱炉
３…サイジングミル
４…粗圧延機
５…中間ユニバーサル圧延機
８…仕上ユニバーサル圧延機
９…エッジャー圧延機
１１…スラブ
１３…Ｈ形粗形材
１４…中間材
１６…Ｈ形鋼製品
２０…上孔型ロール（第１孔型）
２１…下孔型ロール（第１孔型）
２５、２６…突起部（第１孔型）
３０…上孔型ロール（第２孔型）
３１…下孔型ロール（第２孔型）
３５、３６…突起部（第２孔型）
４０…上孔型ロール（第３孔型）
４１…下孔型ロール（第３孔型）
４５、４６…突起部（第３孔型）
８０…フランジ相当部
８２…ウェブ相当部
８５…上孔型ロール（第４孔型）
８６…下孔型ロール（第４孔型）
８８…（波形状の）孔型部位
９５…上孔型ロール（第５孔型）
９６…下孔型ロール（第５孔型）
１０５…上孔型ロール（第６孔型）
１０６…下孔型ロール（第６孔型）
１１５…上孔型ロール（第７孔型）
１１６…下孔型ロール（第７孔型）
Ｋ１…第１孔型
Ｋ２…第２孔型
Ｋ３…第３孔型
Ｋ４…第４孔型
Ｋ５…第５孔型
Ｋ６…第６孔型
Ｋ７…第７孔型
Ｔ…製造ライン
Ａ…被圧延材

Claims (6)

1. ウェブが平坦な圧延Ｈ形鋼についての矩形断面の素材に対し粗圧延工程を行う圧延機の圧延ロールに刻設される造形孔型であって、
   一対の水平ロールである上孔型ロール及び下孔型ロールから構成され、
   前記素材に対して幅方向の圧下が行われて造形されたドッグボーン材に対し、当該ドッグボーン材のウェブ相当部の全幅にわたって波形状を付与するように、前記上孔型ロール及び下孔型ロールにおける前記ウェブ相当部に対向する孔型部位を波形状としたことを特徴とする、造形孔型。
2. 前記孔型部位の波形状は、
   孔型断面において、ウェブ幅方向に沿って単位構成が周期的に繰り返され、かつ、ウェブ幅方向中心位置に関して左右対称な形状であり、
   前記波形状のウェブ幅方向の長さは、前記単位構成のウェブ幅方向の長さである前記波形状の波長の整数倍に当該波長の半波長を加えた長さであることを特徴とする、請求項１に記載の造形孔型。
3. 前記孔型部位の波形状のロール軸に対する傾斜角度θは、以下の式（１９）に示す角度であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の造形孔型。
   θ＝ｃｏｓ^−１（Ｂ４／Ｂ３） ・・・（１９）
   但し、Ｂ３：前記造形孔型での圧下前のウェブ相当部の厚み、Ｂ４：前記造形孔型で圧下後に所望されるウェブ相当部の厚み、である。
4. 矩形断面の素材に対し粗圧延工程、中間圧延工程、仕上圧延工程を行うウェブが平坦な圧延Ｈ形鋼の製造方法であって、
   前記粗圧延工程を行う圧延機の孔型ロールには、
   前記素材に対して幅方向の圧下を行う１又は複数のエッジング孔型と、
   幅方向の圧下が行われた後のドッグボーン材に対し、当該ドッグボーン材のウェブ相当部の全幅にわたって波形状を付与する造形孔型と、
   当該造形孔型での造形後の被圧延材について、当該被圧延材のウェブ相当部の拡幅圧延を行う拡幅孔型と、が刻設され、
   前記造形孔型は、一対の水平ロールである上孔型ロール及び下孔型ロールから構成されていることを特徴とする、Ｈ形鋼の製造方法。
5. 前記造形孔型は、被圧延材のウェブ相当部に対向する波形状の孔型部位を有し、当該孔型部位の波形状は、
   孔型断面において、ウェブ幅方向に沿って単位構成が周期的に繰り返され、かつ、ウェブ幅方向中心位置に関して左右対称な形状であり、
   前記波形状のウェブ幅方向の長さは、前記単位構成のウェブ幅方向の長さである前記波形状の波長の整数倍に当該波長の半波長を加えた長さであることを特徴とする、請求項４に記載のＨ形鋼の製造方法。
6. 前記孔型部位の波形状のロール軸に対する傾斜角度θは、以下の式（１９）に示す角度であることを特徴とする、請求項５に記載のＨ形鋼の製造方法。
   θ＝ｃｏｓ^−１（Ｂ４／Ｂ３） ・・・（１９）
   但し、Ｂ３：前記造形孔型での圧下前のウェブ相当部の厚み、Ｂ４：前記造形孔型で圧下後に所望されるウェブ相当部の厚み、である。
   

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