JP3185688B2 - 通電ロール - Google Patents

通電ロール

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属帯に直接通電
して加熱を行うための通電ロールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より知られている、通電ロールを介
して金属帯に直接通電し、ジュール熱を利用して加熱す
る直接通電加熱の原理は図3に示すように極めて単純
で、被加熱材の金属帯5に対して、加熱装置の部品とし
ては、電源6、通電ロール1および2、押えロール3お
よび4と、それらを接続する導電部材7等で構成されて
いる。
【0003】図3に示すような従来の通電ロールでは、
図4、図5に示すように、板エッジにおける「かえり」
すなわち、条切りまたは端部トリミングによる切断の垂
れや、剛性の高い材料の幅方向の反り、波打ちなどの形
状には追従できず、ロールと金属帯間での安定接触が困
難である。これを安定的に接触させるためには、圧延機
並のパワーを備えた圧下機構やロール駆動設備等が必要
になり、設備コストが過大となる。
【0004】また、特に高温側(下流側)のロールにお
いてはロールが被加熱材によって熱膨張し、図6に示す
ように中膨らみ状(以下、サーマルクラウンと言う)と
なって、金属帯との接触が不安定になる。
【0005】一般に、直接通電によって金属帯を高温加
熱する場合には数千〜数万Aの電流を投入する必要があ
り、通電ロール・金属帯間での安定接触が確保されない
とスパークが発生し、製品品質を著しく劣化させる。発
明者の実験・解析によればサーマルクラウンが約10μ
m以上になると、スパークが発生するとの知見が得られ
ている。
【0006】特開平5−295421号公報では、押え
ロールとして軸と外輪との間にゴム層を挟んだ分割ロー
ルを用いることで、通電ロールに発生したサーマルクラ
ウンに追従し、通電ロール・金属帯間の接触安定化を図
る方法が開示されている。しかしながら、ゴム層では耐
熱度の問題があり、また押圧力をさほど大きくできず、
エッジ部でのかえりが大きい場合や、剛性の高い材料の
場合には、安定接触の確保は困難でスパークが発生しや
すく、金属帯表面のスパーク疵が避けられない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、走行
する金属帯の直接通電加熱において、金属帯の形状不良
による不安定接触を生じさせないようにして、スパーク
を防止し、製品品質を維持、向上することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】発明者は、実験・研究を
重ねた結果、金属帯端部のかえりや、剛性の高い金属帯
の幅方向の反り、波打ちなどの形状不良がある場合、安
定接触を確保するためには下記を満たさなければならな
いことを見出した。
【0009】通電ロールの全体の幅は金属帯の幅端部
の「かえり」を避けるため、金属帯幅よりも狭いこと。
【0010】サーマルクラウンの抑制のためにも、ロ
ールは狭幅にすること。このため、必要に応じてロール
を幅方向に分割すること。
【0011】ロール幅と径は、圧下条件および通電条
件に応じて決まる電流密度から決定されるべきこと。
【0012】すなわち、本発明の要旨は下記(1)から
(5)にある。
【0013】(1)ロール全幅が金属帯の幅よりも小さ
く、かつ、金属帯との有効接触幅を複数部分に分割した
通電ロールであって、複数に分割された単位ロールの有
効接触幅L 、直径Dおよび単位ロール間の間隔L
の関係が、下記の(1)および(2)式により与えられ
ることを特徴とする通電ロール。
【0014】(2)金属帯との有効接触幅の合計Lが下
記に示す(3)式により与えられることを特徴とする前
記(1)項に記載の通電ロール。
【0015】(3)ロール全幅が金属帯の幅よりも小さ
い通電ロールであって、金属帯との有効接触幅の合計L
が下記に示す(3)式により与えられることを特徴とす
る通電ロール。
【0016】(4)金属帯との有効接触幅を複数部分に
分割したことを特徴とする前記(3)項に記載の通電ロ
ール。
【0017】(5)複数に分割された有効接触幅の各部
分を分離し、それぞれを独立に昇降可能としたことを特
徴とする前記(1)項、(2)項、(4)項のいずれか
に記載の通電ロール。
【0018】 L ≦ 0.8 × D (1) L ≧ 0.1 × L (2)
【数3】
【0019】ただし、Iは通電量(単位A(アンペ
ア))、Eはロールのヤング率(kgf/mm2 )、Pはロー
ル圧下力(kgf)、Dはロールの直径(mm)、である。
【0020】
【発明の実施の形態】図1は本発明を表す図で、図1
(a) は側面図、図1(b) は正面図である。また、図1
(c) はロールを分割した場合の正面図である。1は高温
側(金属帯の下流側)の通電ロール、2は低温側(金属
帯の上流側)の通電ロール、3は高温側の押えロール、
4は低温側の押えロールである。
【0021】各ロール1、2、3、4は、それぞれ図示
しない軸受け(チョック)とハウジングを介して固定さ
れている。押えロール3、4は空圧あるいは油圧式のシ
リンダー等を介して上下に昇降可能な構造となってい
る。金属帯5を加熱する際には、押えロール・通電ロー
ル間にて金属帯を挟持する。昇降機構は通電ロール側に
設置してもよく、あるいは通電ロール・押えロール双方
に設置してもよい。
【0022】通電ロール1または2は、ロール軸8に配
設された摺動ブラシ9と、短絡部材7を介して、電源6
と電気的に接続されている。
【0023】次に、通電ロール1、2の幅および直径に
ついて説明する。
【0024】図1(a) の単一型のロールの全幅LG (端
面R部を除く有効接触部分)は、金属帯5の幅Wに対し
て、LG <Wなる関係を満たさねばならない。すなわ
ち、金属帯幅よりもロール幅を狭くすることで、条切り
やトリミングで発生した「かえり」を回避し、ロールと
金属帯間の接触を確保することで、スパークが防止でき
る。ロール幅を2つの部分に分割した場合、かえりを回
避するためにはやはり、全幅LG は金属帯幅Wより小さ
くしなければならない。
【0025】サーマルクラウンの影響を回避するため、
ロールを複数部分に分割してもよい。こうすることによ
って単位ロールあたりのサーマルクラウンは小さくな
り、金属帯との接触性が良好になる。これによって、広
幅材に対応できるようしている。分割ロールの構造は図
1(c) に示すように、幅方向に複数の狭幅の単位ロール
部分に分割し、単位ロール間にスペーサを介して同一軸
に配置する。ロール軸受けおよび軸受け支持構造は図2
(a) のような両辺支持型あるいは、図2(b) のように中
間のスペーサ部に軸受けを設けてロールの撓みを防止す
る構造としてもよい。
【0026】また、さらに剛性の高い材料や厚物に対し
ては図2(c) に示すように、各単位ロールを分離し、そ
れぞれに軸受けを設けて独立に昇降可能な構造としても
よい。
【0027】ロールを分割してサーマルクラウンを10
μm以下に抑えるためには単位ロールの幅端部と中央部
との距離を短縮すること、すなわち単位ロールの幅を狭
くすることがよい。また、それぞれの単位ロール相互の
熱影響を分離することがよい。この関係を伝熱解析を行
った結果、単位ロールの直径D、単位ロール有効幅LU
および単位ロール間のスペーサ幅LS の関係が、 LU ≦ 0.8 × D (1) LS ≧ 0.1 × LU (2) となるようにすればよいことがわかった。。
【0028】ここで、単位ロール幅LU 、スペーサ幅L
S 、全幅LG 、通電に寄与する有効幅Lは、 ΣLU +ΣLS =LG ΣLU =L の関係にある。
【0029】通電有効幅Lは金属帯の幅、厚さ、必要な
投入電流量により決定される。すなわわち、剛性の高い
材料でもスパークを抑制するためには20kgf/mm2 以上
のピンチ圧力で、電流密度Id (A/mm2)とピンチ圧力
d(kgf/mm2) との間に、 Id ≦ 2.75 ×Pd +82.25 (4) なる関係成り立つことが望ましい。
【0030】ここで、通電ロールが単一ロールの場合の
ロール幅、圧下力および電流の関係を図7で説明する。
すなわち、ロール合計幅L(mm)、ロールと金属帯との
接触長さ(ヘルツ接触長さ)a(mm)、圧下力P(kgf
)、ロール径D(mm)、ロールと材料との接触面積S
(mm2 )、電流I(A)、ロールのヤング率E(kgf/mm
2 )との間には
【0031】
【数3】
【0032】 S=a × L (6) Id =I/S (7) Pd =P/S (8) の関係があり、(5) 〜(8) を(4) に代入すると、
【0033】
【数4】
【0034】の関係を得る。つまり、電流密度Id を安
定通電の限界内にとどめ、スパークを防止するには、圧
下力と電流値から決まる(3) 式を満たす条件で、ロール
幅およびロール径を決定するのが望ましい。
【0035】通電ロールの材質は、固有抵抗の低い導電
性に優れた銅等の材料、あるいは高温での強度、耐酸化
性が必要な場合には耐熱ステンレス鋼等を用いるのがよ
い。
【0036】また、金属帯表面の鋭い圧痕を避けるた
め、ロール端部の形状は面取りしておくことが望まし
い。
【0037】次に、押えロール3、4については、対に
なる通電ロールのロール幅と同じ幅にするのが望ましい
が、径については機械強度を満足するものであれば特に
制約はない。
【0038】押えロールの材質は、耐熱性および強度の
点で許容されれば、ゴム、耐熱性エンジニアリングプラ
スチック等の大きな弾性変形がえられるものが望ましい
が、熱間域で加熱する場合には金属を用いるのが望まし
い。
【0039】このような、狭幅のロール、あるいは狭幅
ロールを複数つらねた通電ロールを用いれば、形状不良
の金属帯に対しても、安定接触を確保でき、スパークを
防止することができる。
【0040】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【0041】被加熱材として、オーステナイト系ステン
レス冷延鋼板(SUS304、厚さ4.0mm、幅100
mm、長さ約20m)を用い、通電ロールには、本発明例
として図1(b) に示すロール幅70mmの単一型通電ロー
ル、および図1(c) に示すロール幅25mmの単位ロール
を幅方向に2個配置した2分割型通電ロールを使用し
た。ロール端部は、いずれも3Rの面取り加工を施し
た。
【0042】従来例として、金属帯幅より広いロール幅
150mmの通電ロールを使用した。
【0043】また、押えロールの幅はそれぞれ対になる
通電ロールと同じとし、ロール径は100mmφとした。
【0044】実施例における試験条件は下記表1の通り
ある。
【0045】
【表1】
【0046】前記3種のロール(本発明の単一ロール、
本発明の2分割ロール、および従来技術のロール))で
試験を行った。スパーク発生状況は小型監視TVカメラ
で撮影し、かつ目視で観察した。
【0047】従来技術のロールでは幅端部でかえりに起
因するスパークが断続的に発生したまた試験開始後、約
15分でサーマルクラウンに起因するスパークが連続的
に発生した。
【0048】本発明の通電ロールでは単一ロール、2分
割ロールともスパークの発生は見られなかった。試験結
果を下記表2に示す。
【0049】
【表2】
【0050】本発明の通電ロールおいては材料表面のス
パーク疵の発生は皆無であった。
【0051】また、試験終了直後にレーザ変位計で各ロ
ールのサーマルクラウンを測定したところ、従来技術の
ロールではサーマルクラウン量は15μmであった。本
発明の単一ロールではロール幅内で3μm、2分割のロ
ールでは単位ロール幅内で2μm以下であった。
【0052】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の通電ロー
ルによれば、金属帯幅端部のかえりや、幅方向の反りな
どの形状不良によらず、スパークを防止でき、安定した
通電が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における通電ロールの構成図である。
【図2】本発明における分割したロールの支持機構の模
式図である。
【図3】従来技術における通電ロールの図である。
【図4】従来技術における金属帯端部にかえりのある場
合の模式図である。
【図5】従来技術における金属帯に幅方向そりがある場
合の模式図である。
【図6】従来技術におけるサーマルクラウンのある場合
の模式図である。
【図7】通電ロールの材料との接触状態の説明図であ
る。
【符号の簡単な説明】
1:高温側通電ロール 2:低温側通電ロール 3:高温側押えロール 4:低温側押えロール 5:被加熱材(金属帯) 6:電源 7:短絡部材 8:ロール軸 9:摺動ブラシ部 10:ロール支持機構
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 1/00,1/40 C21D 9/56,9/62 H05B 3/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ロール全幅が金属帯の幅よりも小さく、か
    つ、金属帯との有効接触幅を複数部分に分割した通電ロ
    ールであって、複数に分割された単位ロールの有効接触
    幅L 、直径Dおよび単位ロール間の間隔L の関係
    が、下記の(1)および(2)式により与えられること
    を特徴とする通電ロール。 L ≦ 0.8 × D (1) L ≧ 0.1 × L (2)
  2. 【請求項2】 金属帯との有効接触幅の合計Lが下記に示
    す(3)式により与えられることを特徴とする請求項1
    に記載の通電ロール。 【数1】 ただし、Iは通電量(単位A(アンペア))、 Eはロールのヤング率(kgf/mm )、 Pはロール圧下力(kgf)、 Dはロールの直径(mm)、 である。
  3. 【請求項3】 ロール全幅が金属帯の幅よりも小さい通電
    ロールであって、金属帯との有効接触幅の合計Lが下記
    に示す(3)式により与えられることを特徴とする通電
    ロール。 【数2】 ただし、Iは通電量(単位A(アンペア))、 Eはロールのヤング率(kgf/mm )、 Pはロール圧下力(kgf)、 Dはロールの直径(mm)、 である。
  4. 【請求項4】 金属帯との有効接触幅を複数部分に分割し
    たことを特徴とする請求項3に記載の通電ロール。
  5. 【請求項5】 複数に分割された有効接触幅の各部分を分
    離し、それぞれを独立に昇降可能としたことを特徴とす
    る請求項1、2、4のいずれかに記載の通電ロール。
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