JP3975368B2 - ロール連続鋳造設備の鋳造ロール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属、特に鋼を１本または２本のロール上で連続鋳造する方法に関するものであり、特に連続鋳造設備のロール構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロール間連続鋳造とよばれる鋳造方法は溶融金属を鋳造して薄いストリップ、例えば厚さ数ミリメートルの鋼製の金属製品を直接製造するために発展してきたことは知られている。この方法では互いに平行な軸を有する２本の冷却されたロール間と２つの側壁との間に規定された鋳造空間中に溶融金属を注入する。２つの側壁はサイドダムとよばれ、一般にロールの両端部表面と当接している。２本のロールは互いに逆向きに回転される。金属はロール側壁と接触して凝固し、２本のロールの間の間隙にほぼ等しい厚さの少なくとも一部が凝固した金属ストリップが引き抜かれる。この方法によって溶融金属から薄い金属、特に鋼ストリップを直接得ることができる。この薄いストリップは次の冷間圧延で直接圧延することができる。
また、液体金属を単一の回転ロールの表面上に流し、ロールと接触させて完全凝固することによってより薄い製品を製造する連続金属ストリップの鋳造方法も知られている。
【０００３】
これらの鋳造方法で用いられるロールは一般に内部冷却され、同軸上に配置されたハブおよびシェルと、シェルをハブ上で回転させる軸線方向結合手段と、シェルをハブ上に支持・センタリングする手段とを有している。
この種のロールは例えばフランス特許第 2,711,561号に記載されている。この特許には銅合金等の熱伝導率の高い材料で作られたシェルを支持するハブを有するロールが記載されている。このシェルはロールの軸線に対して平行に延びた冷却液体の循環路を有する。
【０００４】
ハブ上でのシェルの軸線方向位置決めはロールの軸線方向中央面の所に設けられたハブの肩部にシェルの内側表面に形成された対応する肩部が当接することによって行われる。シェルのセンタリングはシェルの端部に形成された円錐ボアと係合した外側表面が円錐形をしたフランジによって行われる。２つのフランジはハブ上で軸線方向へ摺動でき、弾性戻し手段によって互いの方向へ向かって付勢されている。こうしてセンタリングされたシェルは鋳造中の加熱による膨張作用でシェルが変形した場合にもセンタリングが維持される。
さらに、上記特許の図４、図５に示すように、シェルの円錐ボアの外側エッジの外側領域は平らに(detalonner)なっていて、低温の内側表面とシェルの外側表面との間の温度差による膨張作用でシェルのエッジが変形した時にフランジの円錐表面と次第に当接するようになっていて、始めに接触していたフランジとシェルの円錐表面区域が互いに離れて移動することはない。
この構造が重要なのはシェルのエッジの厚さが薄く、従って、フランジとシェルとの間の円錐軸支部分に最大の接触可能領域を必要とする場合のみである。
【０００５】
本発明の目的は、上記方法とは逆にエッジでのシェルがかなり厚い場合に特に適した、鋳造ロールのハブ上にシェルをセンタリングする新規な方法を提供することにある。エッジの厚いシェルは変形、特に局部変形が小さいという利点を有しているということは理解できよう。しかも、エッジの薄いシェルは円錐・軸支部によってのみセンタリング・支持されるので、軸線方向中央部をエッジより厚くする必要がある。これとは逆に、エッジの厚いシェルはその全長に渡ってほぼ一定の厚さを維持でき、放射方向平面を通る断面形状は全長に渡って連続する。換言すれば、一方のエッジから他方のエッジまで厚さの変動は小さい。従って、避けられない鋳造中の変形を全長にで均一に維持することができる。
厚いシェルを用いる他の利点は異なる材料の複数の層を厚さ方向に設けることができる点にある。例えば、鋳造金属と接触する外側の層の材料をそれに接触する鋳造金属を急速に凝固できる材料にし、内側の層の材料をシェル全体の機械強度を保証する材料にすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高温時でも低温時でもシェルとハブとがセンタリング (心出し) され、熱膨張による不可避な変形をしても、厚さおよび縦方向プロフィルが完全に均一な高品質の金属ストリップが得られるようにすることある。
本発明の他の目的は、シェルの製造を容易にし、フランジとシェルとの間の境界面で冷却路の密封性を良くすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ロールが同軸上に配置されたハブとシェルおよびシェルをハブ上に支持し且つ放射方向へセンタリングするための２つのフランジを有する１本または２本のロール上で金属を連続鋳造する設備の鋳造ロールにおいて、フランジが截頭台形部を有し、この截頭台形部は熱膨張変形に起因するシェル内径の変動がほぼゼロになる区域に設けられた各シェルのボアの対応截頭台形表面と共働することを特徴とする鋳造ロールを提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
フランジ上でのシェルの放射方向センタリングは上記の截頭台形部で確実に行われる。この截頭台形部は熱膨張変形に起因するシェルの内径変動がほぼゼロの部分に設けられるので、シェルが熱変形した時でもセンタリングはほぼ常に同じシェル／フランジ接触部分で行われ、低温時も高温時もシェルに同じ基準位置が与えられる。また、ハブ上でのフランジのセンタリングも確実に行え、センタリングは温度が基本的に一定な円筒区域で行われるので熱変形による外乱れを受けず、従って、シェルの温度が変化してもロールシャフトに対するシェルの同心性が常に保証される。
【０００９】
シェルの熱変形に起因するシェルの内径変動がほぼゼロになる軸線方向位置は計算モデルまたは実験で決定することができる。実際にはロールの構造と運転のパラメータの関数でシェルの変形量を求めることができる。シェルが変形する様子は添付図面の故意に拡大した図３に概念的に示してある。この図はロールの放射方向断面でのシェル３の一部を示している。１点鎖線は低温時のシェルの形状を示しており、参照符号31' はシェルの外側表面を示し、31''は内側表面を示している。実線は熱膨張作用で変形した高温時のシェルを示し、図を単純にするために母線は単なる直線で表してある。シェルを加熱した時の第１の作用は放射方向への膨張であり、シェルの径はＦ1 で示しただけ大きくなることは理解できよう。
【００１０】
加熱時のシェルの温度が均一であれば、観察できる作用は放射方向膨張に純粋に軸線方向の膨張を加えたものである。しかし、実際の鋳造では鋳造金属と接触するシェルの外側表面層は内部強制冷却されて低温に維持されたシェルの内側表面よりも強く加熱される。その結果、膨張差が生じ、シェルの外側表面層の軸線方向への伸びは内側表面層の伸びよりも大きくなる。この膨張差によって図３のに矢印Ｆ2 で示すようなシェルの曲げ変形が生じ、シェルの端縁部がロールの軸線方向を向く。低温の厚い部分は冷却路の上にある部分の変形を防ぐので、熱交換条件が同じ場合、冷却路の下側のシェルの厚さが厚くなるほど変形量は小さくなる。厚いシェルではこの変形によってシェルの端縁部の内径が低温時の径よりも小さくなり、変形したシェルの内側表面の母線は点Ａで冷却時の母線と交差する。
【００１１】
すてわち、放射方向膨張作用と軸線方向膨張作用との組合せで生じるシェルの径の変動がほぼゼロとなる点または小部分が存在し、この点または小部分では曲げが径の増大を補償し、従って、ここではほぼ円形の断面が維持される。本発明ではシェルのボア内のこの部分に截頭台形表面が対応するフランジの対応する截頭台形部に支持される截頭台形表面が形成される。
径がほぼ一定になるこれらの部分はシェルの（軸線方向）両側にできるが、シェル全体が軸線方向へ膨張するので、この２つの部分の間の距離はシェルが低温状態にある時と高温状態にある時との間でわずかに変動する。従って、２つのフランジをハブ上で摺動自在に取り付け、２つのフランジを互いの方向へ付勢する弾性手段をロールが有しているのが好ましい。
【００１２】
フランジが軸線方向にわずかに変位できる状態で、シェルのハブ上での軸線方向位置決めができるようにした好ましい変形例では、ロールの軸線方向ほぼ中間面の位置設けられた、シェルをハブに軸線方向で当接する手段と、この当接手段に軸線方向の力を加える付勢手段とをロールが有している。この付勢手段は当接部によって規定される軸線方向心だし位置を変えずに、シェルが放射方向に膨張できるようにする役目をする。
好ましい変形例では、各截頭台形表面と同軸で且つそれに隣接した少なくとも１つの円筒形ボア (孔) がシェルの内側表面に形成されている。各フランジの円筒形部分はこの円筒形ボアの中に配置され、シェルへの冷却流体の供給路はこの円筒形部分の所でフランジおよびシェルの内部に形成されている。
【００１３】
円筒形ボアは截頭台形表面とシェルの端縁部との間に形成することができる。この場合、低温時に円筒形ボアと対応フランジの円筒形部分との間に放射方向遊びを設けて、高温時にシェルの端縁部の径が縮小できるようにし、フランジの冷却路とシェルの冷却路との間には変形自在な継手で密封する。
本発明の別の変形例では、円筒形ボアが上記の実施例の場合よりもロールの中心部側すなわち截頭台形表面とは反対側に形成することができる。
さらに別の変形例では、円筒形ボアと対応フランジの円筒形部分とを截頭台形部の両側に形成し、截頭台形部の放射方向外側に遊びを維持する。この遊びはシェルにフープ応力が加わらないようにするとともに、鋳造鋼とシェルとの間の冷却状態すなわち熱交換条件を変えて膨張度(bombe) を変更できるようにする役目をする。
【００１４】
上記３つの変形例のいずれにおいても、円筒形ボアとフランジの円筒部分との所に冷却管路を配置することによって、上記フランス特許第 2,711,561号に記載のような従来の冷却管路よりもフランジとシェルとの間の密封を容易且つ確実に行うことができるという利点がある。
本発明の他の特徴と利点は、この種の２本のロール間で薄い鋼製品を連続鋳造する設備のロールの添付図面を参照した以下の説明から明らかになろう。
【００１５】
【実施例】
図１は下記構成を有する鋳造ロールを示している：
1) 回転駆動機構（図示せず）に連結されたシャフト１
2) シャフト１に例えばフープ締め(frettage)および／またはキー止めによって剛体連結され、シャフトと同軸に加工されたハブ２
3) ロールの着脱自在・交換可能な部材を構成する、ハブ２と同軸なシェル３
4) 軸線方向当接手段４を有する、シェルの軸線方向をハブに結合する手段
5) シェル３をハブ２上で支持・センタリングするためのフランジ５、６
【００１６】
以下で説明するように、ハブへのシェルの結合はフランジ５，６およびその組立手段と、軸線方向当接手段４およびこの当接手段に圧力を加える手段とによって行われる。
シェル３は材料の異なる同軸な２つの層の37，38で構成され、外側層37は熱伝導性の高い銅または銅合金等の材料で作られ、内側層38は機械強度の優れたＳＵＳ３０４等のステンレス鋼材料で作られている。外側層37の外側表面31に近い所には冷却路32が形成されている。この冷却路32の両端は冷却水の供給・回収導管７，８と連通している。
【００１７】
ハブ２は軸線方向端部22，23よりも径の大きい中央部21を有し、ハブ２のこの中央部21はロールのほぼ中間面Ｐに軸線に対して直角な肩部24を有している。一方、シェル３の内側は同じ中間面Ｐの所に対応する肩部33を有している。
シェル３のハブ２上での軸線方向センタリングはシェルの肩部33がハブの肩部24と当接することで保証され、それによってハブ、従って鋳造設備全体に対するシェルの相対位置が正確に規定される。従って、ロールの中間面に対するシェルの位置の対称性が保証され、鋳造中にシェルが軸線方向へ膨張した場合でも、膨張によるシェルのエッジの軸線方向変位は中間面に対して対称に変位し、その位置の対称性が維持される。
【００１８】
図３を用いて説明したように、シェルは鋳造中に放射状に膨張し、シェルの内径は中間部で大きくなり、シェルの放射方向センタリングは低温に維持されて径がほぼ変化しないハブの中間部21では保証できなくなるということは理解できよう。ハブの中間部21は組立時および低温状態でシェルに対して径方向に遊びがある。
【００１９】
この放射方向センタリングは２つのフランジ５，６によって保証される。フランジ５，６はハブの端部22，23上でセンタリングされており、ほぼ遊びの無い状態でわずかに摺動できるようになっている。各フランジの截頭台形部51、61は、シェル３の内部で、上記で説明した膨張変形に起因するシェルの内径変動がほぼゼロになる部分に形成された同じ截頭台形を有するボア34、35の截頭台形表面と係合する。
【００２０】
各フランジ５，６は互いの方向へ付勢する弾性手段によって互いに引き合っており、ロールの軸線方向に沿って加わる力によってフランジの截頭台形部51、61はシェルの截頭台形部34、35と当接し、それによってシェルはセンタリングされ且つ支持される。既に述べたように、高温時に熱による膨張作用でシェルの中間部がハブから離れた場合でも、ハブ上でのシェルの放射方向センタリングはシェル／フランジの截頭台形当接部のみで行われ、それによってセンタリングが維持できるということは理解できよう。
【００２１】
両方のフランジを互いの方向へ付勢する弾性手段は、ハブの中間部21へ向かってフランジを引っ張る各フランジに独立して作用する弾性手段で構成することができる。図１に示すように、フランジを互いの方向へ付勢する弾性手段はロールの周囲に分布された引張りロッド装置71で構成されるフランジ弾性連結手段で構成することができる。引張りロッド装置71はハブの中央部21に形成されたボアを自由に貫通したロッド71で両方のフランジを連結している。この引張りロッド装置71はフランジ５，６に形成された対応する孔を通り、その先端には調節ナット73が付けられている。
【００２２】
調節ナット73とフランジ６との間には弾性部材、例えば弾性座金74を配置して両方のフランジを互いの方向へ引っ張る力を加える。引っ張り力は、各フランジが鋳造中にロールに加わる分離力に十分に耐える力をシェルの截頭台形部に加えるように、ナット73を用いて調節する。上記の力は、当接部の円錐形に起因してフランジが離反し且つシェルがロール軸線方向へ向かって移動しないような力であり、高温時のシェルの軸線・放射方向膨張に起因する円錐形ボアの間の距離が変動した時に軸線方向にはわずかに摺動でき且つ回転摺動は防止するような力である。
【００２３】
ハブ２の軸線方向端部22，23でのフランジ５，６のセンタリングは、フランジとハブとの間に形成された部分26に注入された摺動用樹脂で行うか、ハブ上でのフランジの軸線方向摺動が良くでき且つフランジの移動中の固着および外乱を避けて、ハブとフランジとの間の遊びを最小、例えば直径に対して約0.05mmにすることが可能な軸受や油継手等の他の手段で行う。
【００２４】
ハブとフランジとの間で回転駆動トルクを伝達するためには、トルクを連続的に伝達でき且つ軸線方向移動が自由にできる例えばキー等の公知の回転連結装置（図示せず）を用いることができる。すなわち、ハブからシェルへの駆動トルクの伝達はハブとフランジとの間の上記回転連結装置と、フランジとシェルとの間の摩擦によって行われる。
【００２５】
上記手段によるトルクの伝達をハブの肩部24とシェルの肩部33との間の摩擦駆動で補うのが好ましい。
そのために、ロールにはシェルの肩部33をハブの肩部24へ押す押圧手段が設けられている。この押圧手段はハブ２に固定された弾性プレート80を含み、この弾性プレート80はスペーサー81を介してシェルを押している。上記フランス特許第2,711,561 号に記載のように、このスペーサー81はシェル３とハブ２の中央部21との間に配置された連続リングにするか、セグメントにするか、シェルとハブとの境界面に形成された縦溝内に収容したタイル形状の独立したスラスト部品にすることができる。
このリングまたはスラスト部品は肩部33の近くにそれと反対側に形成されたシェルの第２の肩部36に押圧されている。この配置にすることによって、シェルをその全幅に沿って均一断面の連続形状にすることができ、従って、中央面Ｐに対して熱変形を対称にでき、最小にすることができる。
【００２６】
円錐当接部の円錐角度はフランジがシェル内で動かなくならないだけの十分な大きさにする。また、接触する円錐表面の長さを短くして、各截頭台形表面34、35の両側でのシェルの内径差を小さくし、従って、シェルの厚さが全幅でわずかにしか変化しないようにする。しかし、接触円錐表面の長さは鋳造金属によって生じるロールを分離する力に耐えるだけの長さにする必要がある。
截頭台形表面34、35の軸線方向位置は実験的および／または計算モデルによって決められる。この計算モデル自体は公知であり、幾何学形状、シェルを構成する材料の種類および冷却路中の水量、熱交換係数等のパラメータの関数で高温時のシェルの変形量を求めることができ、従って、放射方向膨張によって曲げ変形が補償されるシェル内側表面の点または分布を決めることができる。
一例を挙げると、シェルの冷却水導路全体の全水量が400 m³/hで、シェルの幅が1300mmで、抽出される平均熱束が８MW/m² の場合、重合体の点はロールの中央面から 560 mm の所にある。
【００２７】
こうして求めた円錐当接部の位置は、シェルとその支持・センタリング手段に加わる他の力を考慮に入れ且つ下記の目的を妥協させるように修正することができる：
1) シェルとフランジとの間の相対移動量を最小にする。これは当接部をシェルの膨張変形（放射方向断面の屈曲）によって放射方向熱膨張を補償する区域の近くにる配置することによって達成される。
2) フランジによってシェルに加えられる軸線方向の力でシェルの変形を最小する。
3) 鋳造中に鋳造物がシェルに加わる力でフランジの位置を安定化させる。この力は円錐当接部を介してフランジに伝達される。この安定化はフランジへのシェルの合力がハブ２上の各フランジの当接部26の間を通るように円錐角度を調節して得られる。
【００２８】
図１に示した実施例では、各フランジ56は截頭台形部51、61の径の大きい側面に円筒形部分52、62を有し、この円筒形部分52、62はシェルに形成された截頭台形表面34、35とシェルの端縁部との間に形成された円筒形ボア39，40の中に配置されている。フランジの円筒形部分とシェルの対応ボアとの間には放射方向の遊び (低温時で約 0.6〜0.8 mm) を設けて、高温時にシェルの端縁部が上記のように縮径ができるようにする。
冷却水の供給路および戻り路７，８は円筒形ボア内でシェルの内側表面上で開口し、そこでフランジに形成された各溝53、54と連通している。この溝53、54はハブに形成された主導管27、28と連通している。フランジの円筒形部分とシェル内の対応円筒形ボアとの間の境界面でパッキン55によって密封されている。
【００２９】
図２に示した変形例では、フランジ５の円筒形部分52' と導管７、８、53、54が通っているシェルの対応円筒形ボア39’とが截頭台形当接部の反対側すなわち径が小さくなる側に設けられている。円錐当接部とシェルの端縁部との間にある部分には同じく円筒形ボアが形成されており、この円筒形ボア内にはフランジの円筒形第２部分55が収容されている。この場合、シェルが変形できるようにするための既に述べた最小の遊びが設けられている。この実施例ではこの遊びを大きくすることもできる。
【００３０】
どの実施例でも、シェルとフランジと間の導管の連通は円筒形境界面で行われるので切削加工が容易であり、境界面での密封性が良くなる。
フランジ５、６はハブの材料と膨張係数が等しいか、それに近い膨張係数を有する材料で作るのが好ましい。そすることによって各部品が温度変化（これは例え小さくしたとしても、実際には避けられない）を受けた時のハブ上でのフランジのセンタリングを確実に行うことができる。
フランジの截頭台形部は、その表面間で微小な相対変位が生じた時にシェルが截頭台形表面上を容易に摺動できるようにするために、摩擦係数の低い材料で作るか、そうした材料の被覆層を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明ロールの放射方向片側断面図。
【図２】 変形実施例のロール端縁部の図。
【図３】 シェルの膨張変形状態を示す概念図。
【符号の説明】
２ ハブ ３ シェル
５、６ フランジ ７、８、53、54 冷却流体導路
24、33 当接手段 32 冷却導管
34、35 截頭台形表面 37、38 同軸な層
39、40、39' 円筒形ボア 51、61 截頭台形部
52、62、62' 円筒形部分 71、74 弾性手段
80、81 押圧手段
Ａ 熱膨張変形によるシェルの内径変動がほぼゼロの部分

Claims (11)

1. 互いに同軸なハブおよびシェルと、上記ハブ上に上記シェルを支持し且つ放射方向に心出しするための２つのフランジとを有し、各フランジはシェルのボアの対応する各截頭台形表面と接触する截頭台形部を有する、１本または２本のロール上で金属を連続鋳造する設備の鋳造ロールにおいて、
   上記シェル(3)は軸線方向に実質的に一定の厚さを有する厚いシェルであり、このシェル (3) の内側には上記の各截頭台形表面 (34, 35) と同軸で且つそれに隣接した少なくとも１つの円筒形ボア (39,40,39') が形成され、各フランジ (5, 6) は上記円筒形ボア (39,40,39') 内に配置された円筒形部分 (52,62,62') を有し、
   上記シェル (3) と接触する各フランジ (5, 6) の截頭台形部 (51, 61) の円錐表面の長さは、各截頭台形表面（ 34 、 35 ）の両側でのシェルの内径差を小さくし、シェルの厚さが全幅でわずかしか変化しないような短い長さであり、
   上記フランジ(5, 6)とシェル(3)との間の截頭台形表面(34, 35)の接触区域はシェルの熱膨張変形に起因するシェル内径の変動が実質的にゼロになる軸線方向の点または小部分(A)に位置し、この点または小部分 (A) は計算モデルまたは実験で決定されることを特徴とする鋳造ロール。
2. ２つのフランジ(5, 6)を互いの方向へ向かって付勢する弾性手段(71,74) をさらに有する請求項１に記載の鋳造ロール。
3. ロールのほぼ軸線方向の中間面に設けられた、ハブ(2)にシェル(3)を軸線方向から当接させる当接手段(24, 33)と、この当接手段(24, 33)に軸線方向の力を加える手段(80, 81)とをさらに有する請求項１に記載の鋳造ロール。
4. 上記円筒形部分(52,62,62')の所で、フランジおよびシェルの内部にシェルを冷却する流体の供給路(7,8；53,54)が形成されている請求項１に記載の鋳造ロール。
5. 円筒形ボア(39,40) が截頭台形表面(34, 35)とシェル(3) の端縁部との間に形成されている請求項４に記載の鋳造ロール。
6. 円筒形ボア(39') が截頭台形表面(34)に対してロール中心側に形成されている請求項４に記載の鋳造ロール。
7. 円筒形ボアおよび対応するフランジの円筒形部分が各截頭台形表面の両側に形成されている請求項４に記載の鋳造ロール。
8. 上記シェル(3) が材料の異なる２つの同軸な層(37,38) を有する請求項１に記載の鋳造ロール。
9. 冷却路(32)がシェルの外側層(37)の内部に形成されている請求項８に記載の鋳造ロール。
10. 各フランジ(5, 6)がハブ(2) の材料とほぼ同じ膨張係数を有する材料で作られている請求項１に記載の鋳造ロール。
11. 各フランジの截頭台形部(51, 61)の少なくとも表面が摺動性のよい材料で作られている請求項１〜10のいずれか一項に記載の鋳造ロール。

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