JPH07113115A

JPH07113115A - カーボンロール

Info

Publication number: JPH07113115A
Application number: JP25614593A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirota; 芳明広田; Masami Onoda; 正巳小野田; Hiroyuki Uchida; 裕之内田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1993-10-13
Publication date: 1995-05-02

Abstract

(57)【要約】【目的】ロール表面に不均一な温度分布が生じにく
く、サーマルクラウンの発生を防止し、かつ熱応力やエ
ッジ部接触による局部応力による破損を防止するロール
を提供する。【構成】カーボンスリーブと軸との間に、軸の熱膨張
率以下で、かつ圧縮許容応力がカーボンの許容圧縮応力
以上の金属を挿入する。また、カーボンスリーブと軸と
の間に、カーボンスリーブ全幅の少なくとも２／３以上
の範囲に熱伝導率がカーボンスリーブの熱伝導率以下の
材質からなる層を設ける。また、カーボンスリーブ端部
から一定幅にわたりロール中心部の直径よりも小さな径
とする。【効果】金属帯材の変形や蛇行が防止でき、ライン速
度を落とさずに生産できる。また、熱応力や圧下による
局部応力によるロールの破損が防止でき、安定して使用
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理炉で用いられる
搬送用ロールや、ロール冷却、あるいは通電に用いられ
る通電ロールに関し、特に、高温の金属材と接触しても
軸の熱膨張によるカーボン損傷防止に優れるカーボンロ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】金属の焼鈍、例えば冷延鋼板の連続焼鈍
で使用される炉内のハースロールでは炉の雰囲気温度が
高く、接触する鋼板が雰囲気温度より低い場合、ロール
の中央部は温度が低く、ロールのエッジの方が高温にな
り、温度分布がつく。この温度分布に応じ、ロールのプ
ロフィールは、熱膨張により中央がへこみエッジが高い
凹型のクラウンを生じる。逆に、炉の雰囲気温度より高
温の鋼板と接触する場合や、加熱された鋼板を冷却する
ために使用される冷却ロール、あるいは、通電加熱に使
われる通電ロールなどは、ロール温度が鋼板よりも低
く、高温の鋼板と接触した部分は高温に熱せられるが、
鋼板と接触しない部分は温度が低くなり、凸型のクラウ
ンが生じる。このような状態では、鋼板にも温度分布、
張力分布がつきやすく、形状が悪化しやすくなる。ま
た、鋼板の幅が変わった場合には、ロールのプロフィー
ルが変化し、鋼板形状が崩れやすくなるとともに、蛇行
が発生しやすく、ロールのプロフィールが安定するまで
低速での操業をしなければならないという問題が有っ
た。

【０００３】また、通電ロールではロールにクラウンが
生じると鋼板への接触圧力が部分的に低下する結果、鋼
板と通電ロールの間でスパークが発生し、鋼板、通電ロ
ール双方に溶融痕が生じ、製品品質の低下、ロール寿命
の低下をもたらすという問題があった。

【０００４】このように、ロールのプロフィールが変化
すると種々の不都合が生じる原因となる。そこで、ロー
ル表面温度を均一にするため、特開昭５７−１３６７９
３号公報には、ロール表面に磁束密度が高くなる部分の
抵抗値が大きくなるように導電性磁性体膜を形成し、誘
導加熱をして、一様な温度分布を得ることが記載されて
いる。また、特開昭６１−７９７３３号公報には、ロー
ル胴部表面を導電性セラミックで構成し、通電加熱可能
に構成した搬送ロールが記載されている。このロール
は、導電性セラミックに通電し、抵抗加熱によりロール
の幅方向の温度分布を均一化することができると記載さ
れている。

【０００５】また、カーボンの様にヤング率が金属の１
／１０の小さな材質からなるロールを用いた材料を挟持
する場合、圧下を加えると、たわみによりロールエッジ
が相手のロールエッジと接触する結果、カーボンに局部
的な圧縮応力が加わり、熱応力が発生しているカーボン
は、容易に破壊されてしまう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術ではロール
表面温度だけを均一にしようとしても、ロール表面温度
と異なる物質がロールと接触すればやはりロール表面温
度分布は不均一になるとともに、軸受けからロールまで
各部へ熱が移動することから、ロール内部まで温度を均
一化することは困難であり、ロールのプロフィールを均
一化することは難しい。

【０００７】本発明は、ロール表面に不均一な温度分布
が生じにくく、したがってサーマルクラウンの発生が防
止でき、かつ軸の熱膨張によるカーボンスリーブの破損
防止ができるロールを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
〜の通りである。カーボンスリーブと金属軸からなるロールにおいて、
カーボンスリーブと軸との間に、軸の熱膨張率以下で、
かつ許容圧縮応力がカーボンシェルの許容圧縮応力以上
の金属層を少なくともロール胴長の１０％以上設けたこ
とを特徴とするカーボンロール。

【０００９】カーボンスリーブと金属軸からなるロー
ルにおいて、カーボンスリーブと軸との間に、カーボン
スリーブ全幅の少なくとも２／３以上の範囲に熱伝導率
がカーボンスリーブの熱伝導率以下の非金属材料からな
る層を設けたことを特徴とするカーボンロール。

【００１０】カーボンを主体とするロールにおいて、
カーボンスリーブ端部から一定幅にわたりロール中心部
の直径よりも小さな径としたことを特徴とする上記又
は記載のカーボンロール。

【００１１】

【作用】本発明は、ロールが高温の金属に接触したり、
雰囲気温度によりロールの温度分布が生じるのを抑制す
るとともに、仮に温度分布が生じた場合でも膨張しにく
いロールにすることを目的とした。すなわち、ロール胴
長部の材質に着目し、熱拡散がしやすく熱膨張のしない
材質を検討した。熱伝導率が高い物質としては銅や銀な
どがあり、また膨張の小さな材質はセラミックなどの非
導電性材料がある。一般に高熱伝導率の材質は膨張も大
きく、逆に膨張しにくい材質は熱伝導が悪いという性質
がある。これに対し、熱伝導が良く膨張しにくいという
性質を持ち合わせる特異な材質として、カーボンが有
る。特に、押出し黒鉛は、結晶化がすすむほど熱伝導率
が高くなるという性質がある。押出し材の結晶は、押出
し方向に配向するため、熱伝導はこの方向がきわめて高
く、通常使用される鉄の２〜３倍の熱伝導率を示す。従
って、押出し方向をロール胴長にとれば、熱は胴長方向
に拡散しやすくなり、高温の金属と接触しても温度分布
はつきにくくなる。また、押出し黒鉛は熱膨張率が小さ
く鉄の１／２〜１／１０の伸びでしかない。黒鉛は押出
し方向と垂直な方向の伸びは特に小さく、押出し方向を
胴長にとると、径方向は膨張の小さな押出し方向と垂直
な方向となるため、仮に温度分布がついても熱膨張は小
さくプロフィール変化は極めて小さい。

【００１２】以上の様に、黒鉛は温度に対する形状の安
定という面では極めて良い特性を持つが、軸は機械的強
度を必要とするため、通常は金属で造らなければならな
い。ところが、金属の熱膨張率は、カーボンよりも２〜
１０倍程度大きく、軸とカーボンを密着させると、シェ
ルが熱せられる場合には、シェルを通じて軸も加熱され
膨張しカーボンが圧縮される。カーボンは、機械的強度
が弱く、圧縮強度は高々２〜３kg／mm²程度しかない。
そのため、熱膨張により軸がシェルを押し上げると容易
にカーボンは破損してしまう。

【００１３】そこで、カーボンと軸との間に、熱膨張率
が小さく、かつ許容応力がカーボンよりも大きな金属層
を設けることにより、仮に軸が熱膨張により径方向に延
びても、その上の金属層は膨張しにくいため、カーボン
を押し上げる力は減少し、カーボンの破損を防止するこ
とができる。軸の押し上げ力は、機械強度の大きいこの
部分で受け持たせることにより、カーボンには直接伝わ
らせずに済み、高温でも安定して使用ができる。

【００１４】この軸とカーボンスリーブとの間に設ける
金属層としては、熱膨張率が、使用するカーボンスリー
ブの２倍以内であれば実用上問題なく、１〜８×１０^-6
［１／℃］程度の範囲のものが望ましい。また、許容圧
縮応力はカーボン以上であればよいから、３kg／mm²以
上あればよく、実用上は３〜２０kg／mm²であれば問題
ない。このような材料を用いれば、金属軸、低熱膨張金
属、カーボンスリーブを密着させて製作してよく、焼き
嵌めなどの方法で完全に密着させて製作したうえで外周
加工すれば、ロール偏芯もないロールに仕上げることが
でき、高温状態で使用してもカーボンスリーブの破損が
ないロールにすることができる。

【００１５】さらに、カーボンスリーブへの応力を抑
え、プロフィールを安定させるためには、カーボンスリ
ーブから軸への熱移動を抑える必要がある。カーボンの
様に熱伝導のよい材質の場合、熱は軸方向・径方向共に
良く伝達するため、温度分布はカーボンと接触する物質
への熱伝導の仕方で大きく影響を受ける。そこで、カー
ボンスリーブと軸との間に熱伝導の悪い層を設けること
により軸への熱伝導が抑制され、軸の熱膨張を抑えるこ
とができ、カーボンスリーブを押し上げる力を大きく抑
制でき、カーボンスリーブの破損を防止することができ
る。また、カーボンはヤング率が小さいため容易に軸の
膨張の影響を受け、プロフィールが変化するが、この影
響も減少させることができる。

【００１６】さらに、軸への熱伝導が悪くなることによ
り、ロール表面から受けた熱は、軸胴長方向へ移動する
ため、ロールの温度分布が均一化していこうとする。そ
の結果、温度分布に基づく熱膨張をさらに抑制すること
ができる。また、通常は高温雰囲気下で使用する場合に
は、ロール軸に冷却水を通し冷却しているが、ロール表
面温度を余り低下させずに済み、ロールと接触する材料
の温度低下を防ぐことができる。

【００１７】一般に、ロール幅はロールと接触する材料
の最大幅に、材料の蛇行量等を考慮して決められるが、
この断熱層の幅は、通常使用するほとんどの材料幅がカ
バーできるロール中央部からロール胴長の２／３以上と
すれば、温度分布の均一化・ロールプロフィールの安定
化の面で効果的である。また、断熱材厚みは、所要のロ
ール温度分布となるように使用するロール径、軸径、冷
却水量等から決めればよい。

【００１８】カーボンスリーブへの軸膨張による応力を
防止するためには以上の様な方法が効果的であるが、外
力が加わる場合には、さらにその対策が必要である。例
えば、通電ロールあるいはその抑えロールとして材料を
圧下挟持する場合などの場合には、カーボンはヤング率
が低く容易に変形し、たわみが生じやすいこと、材料接
触部が凹みやすいこと等の理由により、ロールエッジ部
が接触する場合がある。この場合、前述の熱応力がカー
ボンに加えられた状態でロールエッジ部が接触すると、
熱応力にこの接触による応力が付加される結果、容易に
カーボンが破壊されやすくなる。また、破損に至らない
場合でも、エッジ部で力を受けてしまう結果、必要とす
る材料への圧下力が減じられてしまうため不都合であ
る。そのため、この接触による応力を回避するため、カ
ーボンスリーブエッジ部の接触する部位を削りロール中
心部より小さな径とすれば、高温で熱応力が加わった状
態で使用してもカーボンの破壊を防ぐことができる。削
り代は、通常は、カーボンスリーブの端部から５０mm以
上の範囲で削り深さを１００μｍ以上とすればよいが、
接触する範囲は、圧下力、径、胴長等で決まるので、そ
れを考慮して大きめに削るのがよい。さらに、高温状態
で使用し、エッジ端部が軸の膨張により押し上げられる
場合には、その分も加味して削り量を決めればよい。削
りは、テーパー状でも段差状でも構わない。

【００１９】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明の効果を説明す
る。表１は、本発明によるロールならびに比較ロールの
構成を示す。

【００２０】

【表１】（実施例１）図１は、本発明請求項１によるロールの構
造を示す断面図である。使用したカーボンスリーブ１
は、３０００℃で焼成した、熱伝導率が１４０［Ｗ/m²
Ｋ］、熱膨張率が１×１０^-6［１／℃］の直径が３００
mm、長さが１３００mm、肉厚が５０mmの黒鉛で、直径が
１５０mmの鉄製（Ｓ４５Ｃ：熱伝導率が４０［Ｗ/m
²Ｋ］、熱膨張率が１０×１０^-6［１／℃］）の軸３と
の間に低熱膨張金属２を設け、焼き嵌めにより密着して
嵌めてある。本発明によるロールＡには、低熱膨張金属
として、常温から５００℃の範囲で熱膨張率が２〜５×
１０^-6［１／℃］、ヤング率が１２０００〜１４０００
kg／mm²、圧縮強度が１０kg／mm²のＮｉ合金鋳鉄から
なる低熱膨張金属を用いた。また、カーボンスリーブ１
は、ロール中心部の外径と比べ両端から１００mmの範囲
にわたり外径で１０mm小さくしてある。

【００２１】本ロールを用い、幅１０００mm、７５０℃
の鋼板と接触した時のロールの定常時のプロフィールな
らびにそのときにカーボンスリーブへ発生する最大応力
を有限要素法により計算を行なった結果を表２に示す。
表２に示すように本発明によるロールＡは、サーマルク
ラウン量が２０μｍであり、外形は本ロールと全く同じ
で、カーボンの下に軸と同質の金属層を設けたロールＣ
と比べ約３０分の一に抑えられる。

【００２２】また、カーボンスリーブへ加わる最大応力
は、本発明の場合１．８kg／mm²と許容圧縮応力である
３kg／mm²よりも小さく、破損には至らない。それに対
し、比較ロールＣの場合には、５．６kg／mm²の圧縮応
力が加わり容易に破損する。実際、７５０℃の鋼板を挟
持して通電・搬送する実験では、本発明によるロールＡ
は繰り返し実験の後も亀裂の発生等の異常は全く見られ
ないのに対し、比較ロールＣは実験開始後間もなく亀裂
が入り実験の続行が不可能となった。

【００２３】（実施例２）図２に本発明請求項２による
ロールＢの例を示す。カーボンスリーブ１の下の層に断
熱層６を設けたロールで、外径その他材質は実施例１と
同じものである。下部層としては、０．８［Ｗ/m²Ｋ］
の熱伝導率のキャスタブルで、厚み２０mm、全幅幅断熱
層とした。キャスタブルは、型に流し込んだ後、乾燥、
加熱をした後、外周研削を行なった。その後、カーボン
スリーブを焼き嵌めした。

【００２４】本発明によるロールＢは、表２に示す様に
７５０℃の材料と接触したときでも定常時のサーマルク
ラウン量が１５μｍと比較ロールＣと比べ約１／４０の
大きさであり、かつカーボンスリーブに加わる最大応力
は、１．２kg／mm²でありカーボンの許容応力以下であ
り、実験後でも亀裂の発生は見られなかった。

【００２５】（実施例３）請求項３による効果を確かめ
るため、比較ロールＤ、Ｅを製作し、実施例１、２と同
様の計算、実験を行なった。ロールＤは、カーボンスリ
ーブと軸との間に実施例１と同じ低熱膨張金属層を設け
たロールで、カーボン端部の研削を行なっていないロー
ルである。ロールＥは、カーボンスリーブと軸との間に
実施例２と同じ断熱キャスタブル層を設けたロールで、
カーボン端部の研削を行なっていないロールである。

【００２６】サーマルクラウン量は、本発明によるロー
ルＡ、Ｂと同じであるが、カーボンスリーブへ加わる最
大応力は、ロールＤが３．４kg／mm²でロールＥが２．
８kg／mm²である。カーボンスリーブの許容応力は、２
〜３kg／mm²であるから、ロールＤは破損の危険が高
く、ロールＥも破損が懸念される。７５０℃の鋼板を挟
持して搬送する実験では、ロールＤ、ロールＥともカー
ボンスリーブ両端が約５０mmに渡り接触し、実験後この
部分に小さな亀裂があるのが確認された。

【００２７】

【表２】

【００２８】

【発明の効果】本発明のカーボンロールを用いれば、高
温の被加熱材と接触しても温度分布はあまりつかず、か
つ膨張も小さいので、サーマルクラウンの発生が抑止で
き、サーマルクラウン成長による接触不良が回避でき、
高温に加熱されたストリップなどの変形や、温度分布の
不均一を防止することができる。したがって、例えば鋼
板の連続焼鈍炉などで使用すれば、板幅が変更になって
もロールのプロフィールは安定しているため、板形状の
悪化を防止でき、また蛇行などの発生も防止できる。そ
のため、ライン速度をおとさずに生産が可能となり、高
速搬送も可能になる。さらに、ロール冷却等へ使えば、
カーボンの熱伝導が良いため効率的にかつ形状不良を起
こさず冷却が可能である。

【００２９】通電ロールに応用した場合にも、加熱して
高温になった金属と接触してもプロフィールが安定して
いるため、接触不良に伴うスパークの発生が防止でき
る。また、通電ロールの様に圧下を加える場合でも、エ
ッジ部の接触による局部応力の発生が防止でき、ロール
破損を防止できる。

【００３０】さらに、カーボンと軸との間に低熱膨張金
属、断熱層を設け密着して嵌めることができるため、ロ
ールの仕上げ寸法精度よくできる他、熱間でも安定し使
用でき、操業も安定して行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかわるカーボンロールＡの正面断面
を示した図。

【図２】本発明にかかわるカーボンロールＢの正面断面
を示した図。

【符号の説明】

１カーボンスリーブ２低熱膨張金属３軸４冷却水路５止めリング６断熱層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カーボンスリーブと金属軸からなるロー
ルにおいて、カーボンスリーブと軸との間に、軸の熱膨
張率以下で、かつ許容圧縮応力がカーボンシェルの許容
圧縮応力以上の金属層を少なくともロール胴長の１０％
以上設けたことを特徴とするカーボンロール。
【請求項２】カーボンスリーブと金属軸からなるロー
ルにおいて、カーボンスリーブと軸との間に、カーボン
スリーブ全幅の少なくとも２／３以上の範囲に熱伝導率
がカーボンスリーブの熱伝導率以下の非金属材料からな
る層を設けたことを特徴とするカーボンロール。
【請求項３】カーボンを主体とするロールにおいて、
カーボンスリーブ端部から一定幅にわたりロール中心部
の直径よりも小さな径としたことを特徴とする請求項１
又は２記載のカーボンロール。