JP5910552B2 - 金属材料搬送用ロール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、割損が生じにくい金属材料搬送用ロール及びその製造方法に関する。

製鉄所で用いられている設備、例えば、連続鋳造設備や熱延設備などでは、金属材料搬送用ロールが用いられる。その金属材料搬送用ロールとしては、ヒートクラックなどによるロールの割損を抑えるために、軸芯と外筒とを焼き嵌めするなどして、これらを結合して形成される組立式のロールがある。その組立式のロールは、ヒートクラックが、外筒の表面から発生し、軸芯との境界までで停止するような機構になっているので、ロール全体にヒートクラックが生じることが抑えられている。

このような組立式のロールでは、外筒の材料として耐摩耗性に優れた金属が用いられ、軸芯の材料として疲労強度及び靱性に優れた金属が用いられるので、外筒と軸芯とで熱膨張率が異なっている。特許文献１には、この組立式のロールとして、熱膨張率やヤング率などの物性から算出される熱衝撃係数が所定の値以上となる材料からなる外筒を有する板圧延用超硬合金製複合ロールが提案されており、これにより、熱衝撃による初期クラックを防止している。

上述の組立式のロールは、円筒状の外筒を加熱し膨張させて、加熱していない円柱状の軸芯を外筒内に挿入し、この外筒を冷却して製造される。これにより、外筒の内周面は軸芯の周面に接触している状態となるが、単に、外筒に軸芯を挿入した後に、この外筒を冷却しただけでは、これらがスリップする可能性がある。そこで、このスリップを防止するために、ロールの軸方向の両端部における軸芯と外筒との境界を溶接して、外筒と軸芯とがともに回転するようにしている。特許文献１の発明のロールの構造では、外筒と軸芯とで熱膨張率が異なっているため、ロールの使用環境にもよるが熱によっては、外筒及び軸芯の一方が、もう一方より大きく膨張してしまい、軸芯と外筒との溶接部分に応力が掛かり、該溶接部分が破損するおそれがある。

そこで、外筒がロールの軸方向に分割され、分割された外筒の間で、ロールの円周方向に沿って軸芯の周面の一部が露出している間隔を形成して、その間隔へ外筒が膨張することを可能とし、溶接部分が破損することを防いでいる。図４は、この間隔が形成された外筒を有する従来の金属材料搬送用ロールである。この従来の金属材料搬送用ロール１０１において、外筒１０２に間隔１０３を形成すると、溶接部分１０６で外筒１０２と溶接された軸芯１０４の、外筒１０２のコーナー部分１０５に対応する部分に凹み傷が発生し、そこから軸芯１０４にクラックが生じる現象が観察された。このようなクラックの発生は、例えば、連続鋳造設備におけるダウンタイムトラブルに繋がる。

特許２００４−２６８１４０号公報

本発明は上記現象に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、割損が生じにくい金属材料搬送用ロール及びその製造方法を提供することである。

本発明者らは、従来の金属材料搬送用ロールにおけるコーナー部分に凹み傷が発生する理由を鋭意検討した結果、金属材料を搬送する際に外筒に荷重が掛かった状態で、その金属材料搬送用ロールが回転すると、外筒の端面のうちの内周端となるコーナー部分に対応する軸芯の部分に応力が集中する可能性があると推察し、そのコーナー部分に対応する部分の形状を変更することで、その部分に掛かる応力を抑える本発明を完成した。

すなわち、上記課題を解決するための本発明の要旨は以下の通りである。
（１）円柱状の軸芯と該軸芯の周面を覆う外筒とを備える金属材料搬送用ロールであって、前記外筒はロールの軸方向に分割され、分割された外筒間には、ロールの円周方向に沿って前記軸芯の周面の一部を露出している間隔が設けられ、露出した前記軸芯の周面には溝が形成されており、該溝の両端部には、前記溝の底部と前記軸芯の周面とを結ぶ曲面が形成されていることを特徴とする金属材料搬送用ロール。
（２）前記間隔を形成している前記外筒の端面は前記軸芯の周面側へ面取りされていることを特徴とする上記（１）に記載の金属材料搬送用ロール。
（３）円柱状の軸芯と該軸芯の周面を覆う外筒とを備える金属材料搬送用ロールの製造方法であって、前記軸芯の円周方向に沿って前記軸芯の周面に溝を形成し、前記溝の両端部に、前記溝の底部と前記軸芯の周面とを結ぶ曲面を形成し、前記溝が露出する間隔を形成するように、ロールの軸方向に分割された外筒の内部に前記軸芯を装入することを特徴とする金属材料搬送用ロールの製造方法。
（４）前記間隔を形成することとなる前記外筒の端面を前記軸芯の周面側へ面取りしておくことを特徴とする上記（３）に記載の金属材料搬送用ロールの製造方法。

本発明によれば、円柱状の軸芯と該軸芯の周面を覆う外筒とを備える金属材料搬送用ロールにおいて、分割された外筒の間に設けられている間隔に露出している軸芯部分に掛かる応力が抑えられて、軸芯の割損が生じにくくなり、その結果、この金属材料搬送用ロールの長寿命化を図ることができる。

本発明の金属材料搬送用ロールを示す説明図である。 溝の両端部に曲面を形成する方法を示す説明図である。 本発明における、溝の両端及び溝の中央で発生する応力と、曲率半径ρと、の関係を示すグラフである。 従来の金属材料搬送用ロールを示す説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明の金属材料搬送用ロールを示す説明図であり、金属材料搬送用ロールの側面断面図でもある。金属材料搬送用ロール１は、円柱状の軸芯２と、該軸芯２の周面を覆う円筒状の外筒３とを備えている。金属材料が搬送される搬送方向に、金属材料搬送用ロール１が複数並べられ、鋼片などの金属材料を、回転する複数の金属材料搬送用ロール１で搬送する。

軸芯２は、胴部２１と、該胴部２１の両端から外側へ突設された軸部２２と、を有している。軸部２２には軸受２３が取り付けられており、軸芯２はこの軸受２３で支えられつつ回転する。

外筒３は、ロールの軸方向に分割された２つの第１の外筒３ａと第２の外筒３ｂとからなり、第１の外筒３ａ内と第２の外筒３ｂ内とに軸芯２が嵌装されている。軸芯２の周面となる胴部２１が外筒３で覆われているが、第１の外筒３ａと第２の外筒３ｂとの間には、金属材料搬送用ロール１の円周方向に沿って胴部２１の周面の一部を露出させる間隔３１が設けられている。

図１に示すように、ロールの軸方向の両端部では、軸芯２と外筒３との境界が溶接された溶接部分４が形成されている。この溶接部分４で軸芯２と外筒３とが固着しているので、軸芯２とともに外筒３も回転する。金属材料搬送用ロール１の使用環境にもよるが熱によって、外筒３が軸芯２より大きく膨張しても、外筒３が間隔３１に膨張するため、該間隔３１が狭くなるに過ぎず、このようにして、間隔３１は、軸芯２または外筒３の熱膨張による力が溶接部分４に掛かることを防止している。

図１に示すように、間隔３１に対応する軸芯２の周面には、その円周方向に沿って溝２ａが形成されており、該溝２ａの両端部には、溝２ａの底部と軸芯２との周面とを結ぶ曲面が形成されている。すなわち、溝２ａの両端２４に対応する軸芯２の周面の縁から溝２ａの底に向けて傾斜する曲面が形成されている。図４に示すように、従来の金属材料搬送用ロール１０１では、このロールに荷重が掛かると、コーナー部分１０５に対応する軸芯１０４の部分に、間隔１０３を形成する外筒１０２の端面の内周端が接触して、その部分に応力が集中すると推察される。これに対して、本発明では、コーナー部分１０５に対応する周面部分で、外筒３の間隔３１を形成する端面３２の端面内端３２ａに接触する部分を溝２ａの縁（両端）としている。これにより、端面内端３２ａが、面でなく軸芯２の曲面の縁に接触することになるので、端面内端３２ａの接触による力が、軸芯２の周面ではなく周線（曲面の縁）に掛かることになり、両端２４に掛かる応力が抑えられる。

更には、溝２ａの両端２４から間隔３１へ外筒３の外周面が突出するように、外筒３の端面３２を傾斜させることが好ましい。すなわち、外筒３の端面３２を軸芯２の周面側へ
面取りすることが好ましい。なぜならば、間隔３１を覆いかつ軸芯２に近い外筒３の部分が少ないほど、両端２４には応力が掛かりにくいからである。

特に、製鉄所における連続鋳造装置に、この金属材料搬送用ロール１を用いる場合には、軸芯２は、ロールの内部部材となり、疲労強度及び靱性に優れた金属からなることが望ましい。この金属としては、例えば、ＳＣＭ材などの機械構造用合金鋼がある。外筒３は、金属材料搬送用ロール１の外部部材となり、搬送される金属材料に接触するので、耐摩耗性に優れた金属からなることが望ましい。この金属としては、例えば、ハイス系やＳＵＳ材などの合金鋼がある。

次に、本発明の金属材料搬送用ロールの製造方法を説明する。この製造方法は、大きく下記の３つの工程を備えている。
工程１：軸芯２の周面に、その円周方向に沿って溝を形成する。
工程２：溝２ａの両端部に、溝の底部と軸芯２の周面とを結ぶ曲面を形成する。
工程３：円筒状の第１の外筒３ａ及び第２の外筒３ｂを準備し、これらの間に溝２ａが露出させる間隔３１を形成するように、第１の外筒３ａ及び第２の外筒３ｂの内部に軸芯２を装入する（焼き嵌める）。

以下、工程１〜３の各々を説明する。

＜工程１＞
軸芯２において、図１に示した間隔３１に露出する溝２ａを形成する。図２は、溝の両端部に曲面を形成する方法を示す説明図である。まず、金属材料搬送用ロール１の使用用途に応じて、軸芯２において溝２ａを形成する位置を決める。次いで、溝２ａのうち、金属柱の周面に平行な平行部分の溝平行部分長さｘ及び軸芯２の周面から溝２ａのその平行部分までの溝深さｚを決めて、その長さｘ及び深さｚで決まる空間（溝）を形成する。

具体的には、旋盤などで、軸芯２の円周方向に沿って、その周面を溝平行部分長さｘ及び溝深さｚ分削ってもよいし、そのような寸法を有する凹みが形成されるように金属柱を成型加工し、それを軸芯２としてもよい。

＜工程２＞
工程１と共に、及び／または、工程１に次いで、図２に示すように、前述の長さｘと深さｚとで決まる空間における、軸芯２の軸方向に沿った両端部分を加工して、その両端部分が、溝の底部と軸芯２の周面とを結ぶ曲面となるように曲率半径ρを有する曲率円４１を想定し、この曲率半径ρに沿った円周に沿った曲面をその両端部分に形成して、溝２ａを形成する。

軸芯２を薄くすることは、軸芯２自体が脆くなる応力が集中する部分をロールに作ることと同義であり、かつ、ロールの軸方向に垂直な断面積を小さくして負荷応力を高くする行為でもあるので、従前行われることはなかった。しかしながら、本発明者らは、図４に示すように、従来の金属材料搬送用ロール１０１では、コーナー部分１０５に対応する軸芯１０４の部分に応力が集中している可能性を考えて、図１に示すように、溝２ａの両端部に、曲面を形成するために、敢えて最初から軸芯２の一部を薄くするという思想に至った。曲面を形成する方法としては、工程１で得られた軸芯２を、曲率円４１の円周に沿って削ってもよいし、そのような円周に沿った曲面が、その両端部に形成された溝を有する金属柱を成型加工して、それを軸芯２としてもよい。

＜工程３＞
円筒状の第１，２の外筒３ａ，３ｂを準備し、これらを熱膨張させておく。一方で、軸芯２は加熱しないでおく。次いで、溝２ａが露出している間隔３１を形成するように、第１の外筒３ａ内及び第２の外筒３ｂ内に軸芯２を挿入する。軸芯２が挿入された状態で第１，２の外筒３ａ，３ｂを冷却することで、これらが収縮して、軸芯２が第１，２の外筒３ａ，３ｂに嵌装される。このようにして、外筒３に軸芯２が装入される。

工程３の前に、間隔３１を形成することとなる第１，２の外筒３ａ，３ｂの端面３２を、軸芯２の周面側へ面取りしておくことが好ましい。

［曲率半径ρの設定］
図２からわかるように、溝平行部分長さｘ及び曲率半径ρを大きくすれば、軸方向に沿った間隔３１の長さが大きくなり、溝深さｚを大きくすれば、径方向に沿う間隔３１の深さが大きくなってしまうため、金属材料搬送用ロール１の金属材料に接触する外筒の面積も小さくなってしまう。このため、溝平行部分長さｘは、胴部２１の軸方向に沿った全長Ｘ（図１参照）の１／２０〜１／１０とし、溝深さｚは、胴部２１の径方向における全長（軸芯２の直径）Ｚ（図１参照）の１／２０〜１／１０とする。

曲率半径ρは、例えば、次のように決めることが可能である。
（１）まずは、溝深さｚを決める。
（２）次いで、有限要素法に基づく３次元モデルなどによって、金属材料搬送ロール１に負荷荷重を与える計算シミュレーションを行なう。決められた溝深さｚ以外のシミュレーションの条件は、金属材料搬送ロール１の形状などによって適宜決めればよい。
（３）負荷荷重を与えている間に、曲率半径ρおよび溝平行部長さｘを変化させて、溝の両端２４に発生する応力と、溝２ａの中央部分に発生する応力と、を計算し、いずれか大きい方の応力（「最大発生応力」という）の分布を、ρ−ｘ平面で表した等値線図（コンター図）を作成する。
（４）等値線図から、最大発生応力を最小化するρ−ｘの範囲を求める。
（５）この最大発生応力の最小値に基づいて、許容し得る応力の限界値を決めておく。例えば、最小値より、その最小値の絶対値の２０％程度大きい応力を、許容し得る応力の限界値とすることができる。
（６）上記（５）で求めた限界値を与えるρ−ｘの範囲とから、溝平行部分長さｘと曲率半径ρとを求めることができる。
また、上記（２）〜（６）を、（１）で決める溝深さｚを適宜変更して行ない、更に、溝深さｚ及び溝平行部分長さｘに応じた最適な曲率半径ρを求めてもよい。

図３は、本発明における、溝の両端及び溝の中央で発生する応力と、曲率半径ρと、の関係を示すグラフである。図３のグラフは、胴部２１の長さが１９８１ｍｍであり、軸芯２の直径が２５５ｍｍである寸法を有する金属材料搬送用ロール１を想定し、溝平行部分長さｘを２０ｍｍ、溝深さｚを３ｍｍと想定し、曲率半径ρを変化させて、溝２ａの両端２４及び溝２ａの軸方向に沿った中央で発生した応力を有限要素法で求めた結果である。

図３からわかるように、曲率半径ρが２０ｍｍを超えると、溝２ａの中央で発生した応力は上昇し始める。一方で、両端２４で発生した応力は、曲率半径ρが４ｍｍから２０ｍｍ程度までは急激に低下するが、２０ｍｍを超えたあたりから一定値に漸近する。また、曲率半径ρを大きくし続けると、両端２４で発生した応力は漸減し続け、溝２ａの中央で発生する応力は増大し続けて、これらの応力が一致する。この応力が一致する曲率半径ρは５８ｍｍであった。

曲率半径ρが５８ｍｍから大きくなると、溝２ａの中央で発生する応力は、両端２４で発生し漸減している応力を超えて、増大していく。この増大していく応力が、前述の曲率半径ρが２０ｍｍのときの両端２４で発生する応力を超える曲率半径ρは９０ｍｍであった（図３のグラフには示さず）。このため、この寸法の金属材料搬送用ロール１であれば、これらの部位で発生する応力を考慮して曲率半径ρを２０〜９０ｍｍとすることが好ましい。このようにして、間隔３１の寸法と、溝平行部分長さｘと溝深さｚと曲率半径ρと、の関係、及び、溝２ａの両端２４と溝２ａの中央とで発生する応力を考慮して、これらの応力が一致する曲率半径ρ以下となるように、曲率半径ρを設定することが好ましい。

以上のように、円柱状の軸芯２と該軸芯２の周面を覆う外筒３とを備える金属材料搬送用ロール１において、ロールの軸方向の両端部における軸芯２と外筒３との溶接部分４が破損することを防止しつつ、間隔３１を形成している溝２ａの両端２４に過度な応力が発生することを抑えて、この金属材料搬送用ロール１の長寿命化を図ることができる。

図１に示すような金属材料搬送用ロール１を準備した（本発明例）。金属材料搬送用ロール１の寸法は、次の通りである。
金属材料搬送用ロール１の全長 ：２４２６ｍｍ
金属材料搬送用ロール１の直径 ： ３３０ｍｍ
胴部２１の全長Ｘ ：１９８１ｍｍ
軸芯２の直径Ｚ ： ２５５ｍｍ
溝平行部分長さｘ ： ２０ｍｍ
溝深さｚ ： ３ｍｍ
曲率半径ρ ： ２０ｍｍ
軸芯２の材料はＳＣＭ４４０であり、外筒３の材料はＳＵＳ４３１Ｍである。

一方で、図４に示すような従来の金属材料搬送用ロール１０１を準備した（比較例）。金属材料搬送用ロール１０１の外筒１０２及び軸芯１０４の寸法は、本発明例の金属材料搬送用ロール１に準ずる。

金属材料搬送用ロール１，１０１に加熱冷却を繰り返す間に荷重１００ｋｇｆ／ｍｍ^２を加えつつ、これらを回転させて、金属材料搬送用ロール１，１０１にクラックが発生するかの試験を確認した。金属材料搬送用ロール１０１は、試験開始から４８１時間経過後に、コーナー部分１０５に対応する軸芯１０４の部分にクラックが発生したが、金属材料搬送用ロール１は、試験開始から９００時間経過してもクラックが発生しなかった。このことからも、間隔３１を形成している溝２ａの両端２４に過度な応力が発生することを抑えて、この金属材料搬送用ロール１の長寿命化が図れたことがわかる。

１ 金属材料搬送用ロール
２ 軸芯
２ａ 溝
３ 外筒
３ａ 第１の外筒
３ｂ 第２の外筒
４ 溶接部分
２１ 胴部
２２ 軸部
２３ 軸受
２４ 溝の両端
３１ 間隔
３２ 端面
３２ａ 端面内端
４１ 曲率円
１０１ 従来の金属材料搬送用ロール
１０２ 外筒
１０３ 間隔
１０４ 軸芯
１０５ コーナー部分
１０６ 溶接部分

Claims (4)

1. 円柱状の軸芯と該軸芯の周面を覆う外筒とを備える金属材料搬送用ロールであって、
   前記外筒はロールの軸方向に２分割され、前記軸芯と前記外筒とは、ロールの軸方向の端部で溶接されており、２分割された外筒間には、ロールの円周方向に沿って前記軸芯の周面の一部を露出している、前記外筒の熱膨張による力が前記端部の溶接部分に掛かることを防止するための間隔が設けられ、
   露出した前記軸芯の周面には、前記間隔の幅よりもロール軸方向長さの長い溝が形成されており、該溝の両端部には、前記溝の底部と前記軸芯の周面とを結ぶ曲面が形成されていることを特徴とする金属材料搬送用ロール。
2. 前記間隔を形成している前記外筒の端面は前記軸芯の周面側へ面取りされていることを特徴とする請求項１に記載の金属材料搬送用ロール。
3. 円柱状の軸芯と、該軸芯の周面を覆う、ロールの軸方向に２分割された外筒とを備え、前記軸芯と前記外筒とがロールの軸方向の端部で溶接されている金属材料搬送用ロールの製造方法であって、
   前記軸芯の円周方向に沿って前記軸芯の周面に溝を形成し、
   前記溝の両端部に、前記溝の底部と前記軸芯の周面とを結ぶ曲面を形成し、
   前記溝が露出し、且つ、前記溝のロール軸方向長さよりも幅の小さい、前記外筒の熱膨張による力が前記端部の溶接部分に掛かることを防止するための間隔を形成するように、ロールの軸方向に分割された２つの外筒の内部に前記軸芯を装入し、
   前記軸芯と前記２つの外筒とを、ロールの軸方向の端部で溶接することを特徴とする金属材料搬送用ロールの製造方法。
4. 前記間隔を形成することとなる前記外筒の端面を前記軸芯の周面側へ面取りしておくことを特徴とする請求項３に記載の金属材料搬送用ロールの製造方法。

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