JPH0620614B2 - 急冷金属薄帯製造用の冷却ロ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、急冷金属薄帯製造用の冷却ロールに関し、
特に溶融金属の冷却凝固過程で不可避に生じる冷却ロー
ル外周面のヒートクラウンを極力低減し、もって健全な
薄帯製品を有利に製造しようとするものである。

（従来の技術） 溶融金属を直接冷却ロール表面に供給し、急冷凝固させ
て連続的に急冷金属薄帯を得る方法は、単ロール法によ
るアモルファス合金製造や双ロール法等の液体急冷法と
して広く用いられている。

ところでこれらの方法では、溶融金属を急激に抜熱して
凝固点以下あるいは結晶化温度以下まで冷却するため、
溶融金属が接触するロール外周面の温度が上昇し、その
経過冷却ロールに熱膨脹が生じる。この際、ロール軸方
向の溶融金属接触部と非接触部で温度勾配が生じ、ロー
ル表面は曲率の大きな太鼓状の形状に変形して、いわゆ
るヒートクラウンを形成する。

単ロール法による液体急冷法では、一般に狭いスリット
状ノズルを用い、このノズル先端とロール表面との間隙
が0.1 〜0.5 mm程度となる狭い範囲に接近させるため
に、ノズルスリット寸法、ロール周速、溶融金属射出圧
力を一定に設定した場合には、薄帯板厚はノズル・ロー
ル間隙の大きな影響を受ける。したがってロール外周面
にヒートクラウンが形成されると、薄帯幅中央部では間
隙が小さくなるので薄帯厚みは中央部で薄く、一方端部
では厚くなるという不都合が生じる。

かかるヒートクラウンに起因する板厚偏差問題を解消す
るために、特開昭56-60559号、特開昭59-54445号、特開
昭57-112954 号および特開昭58-135751号各公報では、
スリーブの幅中央部の冷却能が端部に比較して高まるよ
うに、冷却溝の数、寸法、形状等を考慮して、ロール中
央部と端部における冷却能力を変えることで温度分布を
均一にし、ヒートクラウンの発生を防止する方法が提案
されている。これらの方法はいずれもスリーブの幅中央
部における冷却水量や冷却面積を端部に比べて相対的に
増大させることにより、ロールの幅中央部での抜熱量を
増加させる方法といえる。

しかしながらこの方法では、製造する薄帯幅が変化した
場合には冷却ロールの交換を余儀なくされ、しかも後述
するようにたとえロール軸方向の温度分布を均一にした
としても、熱膨脹が均等になってヒートクラウンが解消
されるわけではない。

また特開昭59-229263 号公報では、ロールの幅中央部と
端部の熱膨脹の差を機械研削によって削り取る方法を提
案している。この方法はアイデアとしては不可能でない
ものの、精密加工機を備える大がかりな装置が必要とな
るばかりでなく、溶融金属の注湯中に、ロール表面の精
密な研磨を必要とする非実用的手段であり、現実には到
底利用できない。

さらに特公昭60-51933号公報では、金属スリーブ内にロ
ール軸方向と平行に冷却溝を作ってロール半径方向にお
ける熱膨脹を一定にし、ヒートクラウンを小さくする方
法を提案している。この方法では円周方向に間隔をとっ
て配列されたロール軸方向に平行な複数の冷却水溝と、
給水側の冷却水溜めおよび排水側の冷却水溜めの水溜め
をホイール軸端に設ける必要があるために、必然的にホ
イール中央部の固定機構が必要となる。

しかしこの方法は、ホイールの半径方向への熱膨脹とそ
れにともなう半径方向の熱応力のみに力点が置かれ、こ
の発明で重視した軸方向の熱膨脹の重要性が考慮されて
いない。また、ホイール中央部の固定機構が複雑になる
ばかりでなく、ホイール内面および軸端の合せ部の寸法
精度が要求されるために、非常に精緻な機械加工が必要
となり、しかもかような高度な加工技術と高コストの割
りには熱膨脹が満足いく程度には改善されないという不
利があった。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように単ロール法の場合、冷却ロールは鋳造プ
ロセスにおいて太鼓状に変形し、ノズル・ロール間ギャ
ップは薄帯幅方向中央部で狭くなり、その結果、製品中
央部が薄くなる。

非晶質合金薄帯の場合は勿論のこと、結晶質合金におい
ても、薄帯の幅方向の板厚分布はその後の圧延等によっ
ても相対的に矯正することは極めて難しい。

前述した特公昭56-68559号、特開昭59-54445号、特開昭
57-112954 号および特開昭58-135751 号各公報では、冷
却ロール内部の水冷構造に工夫を加えることにより、ロ
ール軸方向の温度分布を薄帯幅全体にわたって均一に制
御しようとしている。換言すれば、温度分布が均一であ
れば熱膨脹量も均等となり、ヒートクラウンは発生しな
いとの仮定に立脚している。

しかしながら、ヒートクラウンの発生機構について、実
験的にまた計算機シミュレーションにより厳密に検討し
たところ、この仮定は極めて不充分でかような温度分布
の均一制御では満足いく程のヒートクラウンの低減は達
成され得ないことを確認した。すなわち、第２図に示す
ような、スリーブに薄帯幅100 mmのそれぞれ3 mm外側に
深溝を入れてロール軸方向への断熱部を設け、スリーブ
表面からの熱流束は実質的にロール半径方向のみに流れ
るようにしたロール構造になる冷却ロールを用いて急冷
金属薄帯を鋳造したところ、スリーブ表面の温度は、深
溝の内側において極めて均一であることが実験的にも、
またシミュレーションでも確認されたけれども、同時に
測定した熱膨脹量および製造した急冷金属薄帯の板厚分
布は、スリーブ表面温度がロール軸方向に対して中高に
なる一般的な急冷ロールを用いた場合とほとんど同一で
あり、極めて不充分なものしか得られなかった。

これらの実験事実から、ロール表面温度のみに着目した
従来技術では、ヒートクラウン問題を効果的には解決で
きないとの結論に達した。

この発明は、上述の現状に鑑みて開発されたもので、急
冷凝固時において発生する冷却ロール外周面のヒートク
ラウンを極力低減し、板厚偏差がほとんどない良好な急
冷薄帯を効果的に得ることができる急冷金属薄帯製造用
の冷却ロールを提案することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） まずこの発明の解明経緯について説明する。

溶融金属を冷却ロール表面に接触させて急速凝固させる
場合、溶融金属から抜熱した熱量を冷却水中に移行させ
ないかぎり、ロール自体が次第に高温となり、その後に
供給された溶融金属を冷却させることが不可能になる。

従って効果的な冷却を実現するためには、内部水冷構造
の確保、抜熱に有利な熱伝導率の高い金属をロール表面
に利用すること、および外周面の損耗に対する交換、補
修の容易さ等から、冷却ロールはロール基体と金属スリ
ーブとの２重構造にするのが好ましい。

この発明は、溶融金属が射出させるスリーブを、ロール
基体に対し、ロール軸方向中央部以外では実質的に無拘
束とすることにより、熱膨脹にともなうヒートクラウン
の発生を防止しようとするものである。

発明者らの詳細な解析によれば、スリーブ外周面が熱膨
脹により太鼓状に変形するヒートクラウンは、ロール軸
方向のロール表面温度分布によって半径方向の熱膨脹量
がロール軸方向で異なることよりもむしろ、ロール軸方
向の熱膨脹が、スリーブとロール基体との境界あるいは
スリーブ端部で機械的に拘束されているためにスリーブ
外周側へ膨らむことに起因して発生することが明らかと
なった。

そこで発明者らは、上記の解析結果に基き金属スリーブ
のロール軸方向の熱膨脹を軸端部で拘束することなく、
ロール軸方向へ逃すことによりロール半径方向、すなわ
ち外周側への膨みを抑制し、本来の半径方向の熱膨脹の
みが外周側への膨みに反映するような冷却ロール構造を
新たに開発し、この発明を完成させるに至ったのであ
る。

すなわちこの発明は、金属溶湯の落下流を受け、その急
冷凝固を強いて薄帯化を導く急冷金属薄帯製造用の冷却
ロールであって、ロール基体と、その胴周にわたって嵌
合され、かつロール基体との間で冷却水の流路を形成す
るスリーブとからなり、該スリーブは、ロール基体に対
し、その両端部を除く一部分のみにて緊締固着する一
方、スリーブの端部においては熱膨張に伴うスリーブ中
間部のロール軸方向への移動を妨げない軟構造接合とし
たことを特徴とする、急冷金属薄帯製造用の冷却ロール
であり、ここにスリーブのロール基体に対する緊締固着
部としては、スリーブ中央部（スリーブ金属の中央約1/
3 の領域）がとりわけ好適である。

以下この発明を図面に従い具体的に説明する。

第１図ａ，ｂおよびｃにそれぞれ、この発明に従う好適
冷却ロールの構造を断面で示す。

図中番号１はロール基体、２はCuやCu系合金からなるを
可とするスリーブであり、このスリーブ２はロール基体
１の胴周にわたって嵌合されている。

ここにスリーブ２は、その一部分たとえば第１図中では
中央部のＡ部においてのみ、焼きばめなどによってロー
ル基体に緊締固着し、一方Ａ部からロール軸端に向うＢ
部およびスリーブ端部であるＣ部についてはロール基体
１とは非接触状態の軟構造結合とする。すなわちスリー
ブ端部ＣではＯリングやガスケットなどのシール材３に
よって冷却水の漏洩を防止する一方、緩衝板４とともに
スリーブの軸方向への膨張を吸収し、さらにかかるシー
ル材３はロール基体１の端部に取り付けたサイドガイド
５によって支持する構造とするのである。

なお６は冷却水路、７は金属溶湯、８は注湯ノズルであ
る。

第１図ａは、スリーブ２を、その内周面から内向きに張
出させた２つのフランジによってロール胴周面の中央に
おいて緊締固着させた場合、また同図ｂは１点で固着さ
せた場合、さらに同図ｃは、ロール基体に冷却水流路を
設け、２点で固着させた場合である。

なお緊締固着手段としては、焼ばめがとりわけ有利に適
合するが、これだけに限るものではなく、キーを用いて
もよいし、機械的にロール基体とスリーブとを結合させ
てもよい。

またスリーブ２の端面からの空気中への熱放散を防止
し、スリーブ軸方向にわたる温度分布を均一にするため
には、第１図ａに示したように、スリーブ２の端面とサ
イドガイド５との間に断熱効果の高い緩衝板４を挿入す
ることが好ましく、かかる断熱材としてはアスベストや
テフロンなどが好適である。

なお第１図ｄに，この発明に従う冷却ロールの変形例を
示す。この例は金属スリーブ内部に冷却水路を設け、側
面から給水、排水できる構造としたものであり、やはり
スリーブの中央部でのみロール本体に焼ばめにより緊締
固着されている。

次にこの発明に従う冷却ロールを用いた場合の効果を実
験データに基いて述べる。

第３図に、この発明に従う第１図ａに示したスリーブ構
造になる冷却ロールおよび第２図に示した従来の冷却ロ
ールを用いて実際に急冷薄帯を製造した各場合の熱膨脹
量の経時変化について調べた結果を比較して示す。この
時、溶融金属を射出するノズルスリットの幅は 100mm、
スリーブ幅は 105mmとした。

従来法によるスリーブの焼ばめ構造においては、スリー
ブ中央部とスリーブの端部から15mm中央寄りの位置での
熱膨脹量の差、すなわちヒートクラウンは約 220μｍで
あり、スリーブは太鼓状に変形したのに対し、この発明
に従う冷却ロールを用いた場合ではその値は僅かに20μ
ｍ程度にすぎず、従来例と比べてヒートクラウンは1/10
以下にまで低減した。

このことからこの発明によるスリーブ軸端の無拘束方法
がロールヒートクラウンの抑制に対して極めて効果が高
いことは明白である。

この発明の意図するところは、軸方向へのスリーブ膨脹
を自在に吸収することでヒートクラウンをなくすことに
あり、スリーブ一部分でのみロール基体に緊締固着する
ことによりヒートクラウンを極めて小さくすることがで
きる。

さらに、従来技術においては、ロール表面温度を低下さ
せ、膨脹張量を減少させるために 100m³/h以上の大量の
冷却水を供給して抜熱効果の向上が図られてきたが、こ
の発明によればスリーブを冷却する冷却水量を従来法と
比べて格段に少なく、たとえば３〜５m³/h程度に少なく
したとしても、熱膨脹の絶対値が大きくはなるものの、
スリーブ中央部と端部との熱膨張量の差すなわちヒート
クラウンは小さく、板厚偏差も２μｍ以下であった。こ
のように、この発明では、従来技術のように大量の冷却
水を必要としない利点もある。

冷却ロール構造における無拘束領域でのスリーブ仕切り
部と、ロール基体外周面との間については、すき間寸法
が１mm以下において冷却水が冷却溝を優先的に流れるこ
とが明らかとなり、１mm以上ではすき間を通過する水の
量が増大し、冷却溝を層流状となって流れ難いため、ス
リーブとロール基体の間の冷却溝仕切りのすき間は１mm
以下程度とするが望ましい。また、スリーブ軸端からサ
イドガイド５までの間隙は、スリーブの最高温度ΔT と
スリーブの線膨脹係数αおよびスリーブ軸方向長さｌと
から（ΔT ×α×ｌ）/2より大きくすることが必要であ
るが、このとき、スリーブ端面のシール幅を大きくする
ことが可能であれば間隙はいくら大きくなっても何らさ
しつかえない。

次に第４図に、ヒートクラウンに及ぼす緊締固着長さの
影響について調べた結果をまとめて、緊締固着長さと注
湯幅との関係で示す。

同図より明らかなように、ロール基体とスリーブとの緊
締固着長さが、急冷薄帯の製品幅に対して60％を超える
と、ヒートクラウンは十分には解消されない。たとえば
単ロール法で 100mm幅の急冷金属薄帯を作る場合、緊締
固着長さが薄帯幅の60％を超えた場合にはヒートクラウ
ンは 100μｍ以上となり、製品板厚も３μｍ以上の板厚
偏差となった。

また、板幅が 200mm以上の薄帯を作る場合、たとえ緊締
固着長さが製品幅の60％以下ではあっても 100mmを超え
るとヒートクラウンは 100μｍを超えることが判った。

従って、スリーブとロール基体との緊締固着長さは、急
冷金属薄帯の板幅の60％以下でかつ、最大 100mm程度と
するのが好ましい。

（作 用） 以上のべてきたように、この発明においては従来技術と
異なり、ロール軸方向の熱膨脹を開放することに主眼を
置き、かかる観点から研究を進めたもので、金属スリー
ブの軸端を実質的に無拘束状態とすることによって、ヒ
ートクラウンは極めて効果的に抑制され、板厚偏差もほ
とんど無視できる水準にまで低減されたのである。

この発明ではさらに、ロール軸方向の冷却ロール表面の
温度分布をも均一にすることによって、ヒートクラウン
のより一層の改善が達成される。というのは、ロール半
径方向の熱膨張量の分布が軸方向で均等化されるからで
ある。

具体的には、第１図ｂに示したようなロール軸方向への
効果的な断熱部となる深溝を注湯部分のすぐ外側に設け
るか、あるいは同図ａに示したように金属スリーブとサ
イドガイドとの間にアスベスト板のような断熱板を挿入
すれば良い。

（実施例） 実施例１ 第１図ａに示したロール構造で、スリーブのロール軸方
向長さを 155mm、中央部における緊締固着長さを40mmと
した冷却ロールを用い、その表面に、 150mm幅の溶融金
属をノズルスリットより射出して単ロール法によりFe -
B - Si 系アモルファス合金を作製した。

射出中のスリーブ外周面でのヒートクラウン（中央部と
端部から15mm中央寄りの位置との熱膨脹差で表わす）は
40μｍと小さく、またこの時の薄帯の平均板厚は21μｍ
で長手方向に±１μｍの差で、板厚偏差は２μｍと極め
て小さかった。

比較例１ 第２図に示したロール構造で、スリーブのロール軸方向
長さを 200mm、冷却溝を除く全幅拘束とした従来の冷却
ロールを用い、実施例１と同様にしてFe - B -Si系アモ
ルファス合金を作成した。

射出中のスリーブ外周面でのヒートクラウンは 350μｍ
と大きく、この時の薄帯板厚は幅中央部16μｍ、端部で
25μｍと板厚偏差が９μｍにもおよび、しかも薄帯幅中
央には板厚を貫通した孔が多数発生した。

以上実施例では、スリーブ中央部のみでスリーブをロー
ル基体に対して緊締固着した場合について主に説明した
が、この発明ではスリーブのロール軸方向熱膨脹を解放
させ得る構造であれば、緊締固着位置は特に限定される
ことはなく、たとえばスリーブ金属の1/4 の位置、さら
にはスリーブ端部のみで緊締固着した場合であっても同
等の効果が得られることが確められている。

（発明の効果） 以上述べたとおりこの発明は、急冷金属薄帯製造時にお
ける冷却ロールのヒートクラウンによる太鼓状の変形
を、従来法とは異なる全く新しい方法、すなわちスリー
ブの軸端部を実質的に無拘束とし、ロール軸方向の熱膨
脹を開放することにより解決したもので、複雑なロール
構造の変更を行う必要なしに、薄帯板厚偏差を著しく低
減することができ、産業利用上多大な利益をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂおよびｃは、この発明に従う冷却ロールの
構造を示す断面図、 同図ｄは変形例の断面図、 第２図は従来の冷却ロールの構造を示す断面図、 第３図はこの発明に従う冷却ロールと従来の冷却ロール
を用いた各場合におけるロール表面のヒートクラウン量
を比較して示したグラフ、 第４図は、ヒートクラウンに及ぼす緊締固着長さの影響
を緊締固着長さと注湯幅との関係で示したグラフであ
る。 １……ロール基体、２……スリーブ ３……シール材、４……緩衝板 ５……サイドガイド、６……冷却水路 ７……金属溶湯、８……注湯ノズル

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−66954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−163057（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属溶湯の落下流を受け、その急冷凝固を
   強いて薄帯化を導く急冷金属薄帯製造用の冷却ロールで
   あって、 ロール基体と、その胴周にわたって嵌合され、かつロー
   ル基体との間で冷却水の流路を形成するスリーブとから
   なり、 該スリーブは、ロール基体に対し、その両端部を除く一
   部分のみにて緊締固着する一方、スリーブの端部におい
   ては熱膨張に伴うスリーブ中間部のロール軸方向への移
   動を妨げない軟構造接合としたことを特徴とする、急冷
   金属薄帯製造用の冷却ロール。
2. 【請求項２】スリーブのロール基体に対する緊締固着部
   が、スリーブ中央部である特許請求の範囲第１項記載の
   冷却ロール。
3. 【請求項３】スリーブのロール基体に対する緊締固着部
   の長さが、急冷金属薄帯の板幅の60％以下でかつ、100
   mm以下である特許請求の範囲第１または２項記載の冷却
   ロール。