JP6748646B2 - コーティングされる金属ストリップを金属溶融浴中で偏向又はガイドするためのローラ - Google Patents

Description

本発明は、ローラを回転支持するために互いに同軸に配置された軸受ジャーナルを有し、コーティングされる金属ストリップを金属溶融浴中で偏向又はガイドするためのローラに関する。

金属ストリップ、特に鋼ストリップの溶融めっきにおいて、コーティングされるストリップは溶融浴内に配置された偏向ローラによって溶融金属を通して供給される。さらに、ワイパノズルによって画定された間隙を通るストリップの実質的に垂直で振動のない通過を確実にするために、溶融浴から出てくるストリップの部分は通常、溶融浴中に同様に配置されたガイドローラ（いわゆる「スタビローラ」、ボトムローラ、安定化ローラ又はパスラインローラ）によってガイドされる。ワイパノズルは、過剰なコーティング材料をストリップから拭き取り、ストリップに付着しているコーティング材料の層の厚さを調整する働きをする。

最先端の溶融めっき装置に使用される欠陥ローラ及びガイドローラは、中実ローラ、オープンシェルローラ又は閉じた中空ローラとして設計されている。

閉じた中空のローラは今日でも使用されているが、閉じたローラキャビティでは溶融浴中の高温によって内部温度が非常に高くなり得、特にローラキャビティ内に望ましくない流体が含まれる場合には、爆発的に破損する可能性があるため、高価な脱気装置又は脱気システムを伴ってのみ操作できる。

溶融浴中の偏向ローラ及びガイドローラは通常、ローラ自身の駆動装置を備えていないが、ローラに巻き付いたストリップの動きによって回転するので、特に薄いストリップの溶融めっきにおいては、中実ローラの使用が問題となる。特に、薄いストリップの場合、中実ローラの重量が大きいためストリップがローラを回転させるのがより困難になり、ストリップとローラとの間で相対的な動き（スリップ）を引き起こす可能性がある。これは、スクラッチ及び他のコーティング欠陥を引き起こし、コーティング品質の低下につながる。

シェルローラは、通常、中空の円筒形シェル管を備え、シェル管の両端は、スポーク状のウェブ又は開口部、例えば、穿孔された穴を有する端部プレートによって軸受ジャーナルに接続される。シェルローラ形態の溶融浴ローラは、重い中実ローラよりも容易に回転し、閉じた中空ローラとは対照的に、臨界内圧が生じ得る密閉キャビティを有さないという利点を有する。しかしながら、端面開口部は、シェルローラが回転するとポンピング効果を生じ、端部プレートのスポーク状のウェブ及び開口部の領域に溶融金属の材料乱流を起こし、ウェブ及び端部プレートの領域における非常に顕著な材料のアブレーション（摩耗）が生じる。このため、溶融めっき装置に使用されるシェルローラの耐用年数は比較的短い。

この設計タイプの偏向ローラ及びガイドローラに共通しているのは、それらのピボット軸受が普通は滑り軸受の形態をとり、ローラの軸受ジャーナル（及び軸受ジャーナルを受ける外側軸受の軸受ジャーナル）が過酷な摩耗の影響を受けるという事実である。典型的には鋼から作られる軸受ジャーナルの高度の摩耗は、主として高い軸受荷重及び溶融金属の浸食性によって引き起こされる。

このことから、本発明の目的は、金属ストリップ、特に鋼ストリップの溶融めっきに高いコーティング品質を与え、比較的長い耐用年数を提供する上述のタイプのローラを提供することであった。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有するローラによって達成される。本発明によるローラの好ましい有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によるローラには、ローラを回転支持するために互いに同軸に配置された軸受ジャーナルが設けられており、各軸受ジャーナルは、滑り軸受コーティングが設けられる又は滑り軸受コーティングから形成される、軸方向に離間した複数の環状隆起部を具備する。

本発明によるローラの動作中、アルミニウム又は亜鉛又はアルミニウム系のコーティング材料であってもよい金属性溶融めっき材料の摺動フィルムが、環状隆起部の間に位置するくぼみに形成される。特に、動作中、これは流体力学的潤滑クッションを形成し、回転支持体の耐荷重面に作用する応力負荷を低減する。この流体力学的潤滑クッションの緩和効果は、軸受ジャーナルの回転速度と共に増大するので、回転速度が高まるにつれ緩和効果が増大する。したがって、このタイプの回転支持体は、比較的薄い金属ストリップ、特に比較的速いストリップ速度で溶融浴を通って供給される薄い鋼ストリップの溶融めっきに使用される浸漬ローラに特に適している。

本発明者らが鋼ストリップの溶融アルミニウムめっきのための溶融めっき装置で行った試験では、本発明による軸受ジャーナルの設計により、これまで使用されていた従来の偏向ローラ及びガイドローラの耐用年数と比較して、溶融浴に配置された偏向ローラ及びガイドローラの耐用年数を少なくとも倍にできることが示された。

本発明により設計された軸受ジャーナルの滑り軸受コーティングは、好ましくは、モリブデン、タングステン及び／又はクロムをベースとする滑り軸受コーティングである。これらは、溶融浴ローラの軸受ジャーナルの良好ないし非常に良好な摺動特性及び高い耐摩耗性をもたらす。

本発明のさらに好ましい実施形態によれば、溶融浴ローラの各軸受ジャーナルの環状隆起部の領域内の滑り軸受コーティングは、軸受ジャーナルの円周面に対して、０.１ｍｍ〜１.０ｍｍの範囲、好ましくは０.１ｍｍ〜０.５ｍｍの範囲の寸法で径方向に隆起している。これは、前述の流体力学的潤滑クッションを達成し、環状隆起部の間に位置するくぼみに侵入した金属性溶融めっき材料の摩耗作用を最小にする非常に信頼できる方法であり、摺動フィルムとして作用することを意図している。

本発明のさらに有利な実施形態は、滑り軸受コーティングが、軸受ジャーナルの環状溝に導入され、環状溝は環状隆起部の間に配置され、環状溝の領域における滑り軸受コーティングは、環状隆起部に対して径方向に離間した環状くぼみを含むことを特徴とする。環状溝によって生成される軸受ジャーナルの表面構造は、軸受ジャーナル及び摺動コーティングの結合を改善する。特に、環状溝は、比較的低い摺動コーティング材料の消費のため、摺動コーティングからの環状隆起部の生成を可能にすると同時に、環状隆起部間に入り込む金属性溶融めっき材料の摩耗作用から軸受ジャーナルを保護するために、軸受ジャーナルの円周面に加え、環状隆起部の間にも摺動コーティングを設けることを可能にする。さらに、滑り軸受コーティングが、環状隆起部の領域だけでなく軸受ジャーナルの環状溝にも設けられる（設けられてもよい）場合、軸受ジャーナルの摺動特性が改善される。このため、環状溝は、好ましくは０.０５ｍｍ〜０.４ｍｍの範囲の深さで軸受ジャーナル内に形成される。

金属ストリップ、特に鋼ストリップの溶融めっきにおいて高いコーティング品質を得、また溶融浴ローラの耐用年数を長くするために、本発明のさらに好ましい実施態様によれば、ローラが多成分材料のローラとして、特に２つの材料からなるローラとして形成される場合にも有利である。この場合、ローラは、好ましくは鋼製のローラシェルを備え、ローラシェルの方向において径方向に延びる実質的に円筒形又は円盤状の鋼接続部分が各軸受ジャーナルに設けられており、この接続部分の少なくとも１つは、このローラシェルの端面で開口する少なくとも１つの通路を含み、少なくとも１つの通路は、セラミック材料からなるガス透過性プラグ要素によって閉じられる。ここで、プラグ要素は、好ましくは、円筒形又は円盤状の接続部分の外側端面とほぼ同一平面で終端する。

このようにして形成されたローラは、そのローラシェルがキャビティを定めるので、シェルローラに対応する。このキャビティは、ボイドであってもよく、又はガスで充填されていてもよく、好ましくはシェルローラ材料の密度よりも低い密度を有するフィラー材料で充填されていてもよい。それぞれの場合に、少なくとも１つのガス透過性プラグ要素は、臨界内圧がキャビティ内に蓄積できないことを保証する。さらに、少なくとも１つのプラグ要素は、従来のシェルローラで通常生じる、キャビティ内への溶融金属の入り込み及びポンピング作用を防止する。好ましい実施形態により形成されたローラの顕著な特徴は、従来の中実ローラと比較して、比較的軽量なことである。これは、特に、そのローラシェルによって画定されたキャビティがボイドである又はガス充填されている実施形態だけでなく、このキャビティがシェルローラ材料の密度より低い密度を有するフィラー材料で充填される実施形態にも当てはまる。ローラの重量が比較的小さいということは、ローラに向かって配置されたコーティングされるストリップにより回転する場合に、良好な回転特性を有することを意味し、これは高いストリップコーティング品質のための前提条件である。同時に、ローラの重量が比較的軽いので、その回転支持が緩和され、長いローラ寿命を達成するのに有益である。さらに、少なくとも１つのガス透過性プラグ要素は、上述のポンピング作用及び関連する材料の摩耗を防止し、長いローラ寿命に寄与する。

薄い金属ストリップ、特に鋼ストリップの溶融めっき（いわゆるポットコーティング）における１つの問題は、溶融浴ローラの不十分な回転特性であり、これはストリップとローラとの間の滑り、又はローラによって偏向された走行ストリップに対する溶融浴中のローラの停止をも引き起こす可能性がある。本発明による軸受ジャーナルを、好ましくは２材料ローラ又は多成分材料の１つとして設計したローラと組み合わせることにより、薄い金属ストリップの溶融めっきの非常に良好な回転特性を有する自走ローラが製造される。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、ガス透過性プラグ要素は、非鉄金属系の溶融金属、特にアルミニウム又は亜鉛系の溶融金属で濡れないような構成又は組成であってもよい。これは、溶融材料がプラグ要素に入り込む可能性を排除し、それによって、プラグ要素のガス透過性の低下を大幅に防止するのに役立つ。

本発明のさらなる有利な実施形態では、プラグ要素によって閉じられた通路が内側から外側に向かって狭くなり、プラグ要素が対応して形成され、通路内で軸方向に固定される。この実施形態は、生産工学の観点から、プラグ要素を所定の位置に確実に固定する簡単な方法を提供する。

本発明のさらに有利な実施形態は、セラミック材料からなる１又はそれ以上のフィラー要素が、ローラシェルによって画定される空間内に配置されることを特徴とする。（１又は複数の）フィラー要素は、ローラシェルによって画定されたボイドを縮小又は充填するため、ローラキャビティに含まれるガスの容量が対応して減少する又は最小限になる。これは、ローラ内に発生する臨界内圧のリスクを排除する非常に信頼できる方法である。セラミック材料の（１又は複数の）フィラー要素は、上述の実施形態により設計されたローラに、比較的大きなガス容量を有する従来のシェルローラに比べ大きな全重量を与えるが、重量の増加は、比較的軽量のセラミック材料の使用により制限され得る。例えば、（１又は複数の）フィラー要素は、ケイ酸カルシウム系のセラミック材料から、好ましくは細孔及び／又は炭素繊維強化ケイ酸カルシウムセラミックから作られてもよい。本発明によるローラに使用されるフィラー要素の総密度は、好ましくは９００ｋｇ／ｍ^３未満である。例えば、８００〜８５０ｋｇ／ｍ^３の範囲であってもよい。

本発明によるローラの好ましい実施形態によれば、その全体密度は、好ましくは、使用される溶融金属の密度、例えばアルミニウム又は亜鉛系の溶融金属の密度の０.８倍〜１.２倍、好ましくは１.０倍〜１.１倍の範囲である。したがって、ローラの重量による軸受荷重は、比較的小さい。本発明によるローラの全重量は、好ましくは、鋼製の中実ローラの全重量よりもかなり小さい。

本発明によるローラのさらに好ましい実施形態によれば、ローラシェルと軸受ジャーナルの各接続部分の外側端面には、保護コーティング、例えばアルミニウム−酸化ジルコニウムの保護コーティングが設けられている。この実施形態は、浸食性の溶融金属によって引き起こされるローラの摩耗のさらなる低減、及びローラの耐用年数のさらなる増加を達成することができる。

以下、本発明を、複数の例示的な実施形態を表す図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、溶融めっき設備の概略図を示す。 図２は、溶融めっき装置の溶融浴内に配置するローラの軸方向断面図である。 図３は、図２のローラの軸受ジャーナルを部分的に切り欠いた軸方向の図を示す。 図４は、図３の軸受ジャーナルの端面図を示す。 図５は、本発明によるローラの軸受ジャーナルの軸方向断面図を示す。

図１に概略的に示される溶融めっき設備は、溶融金属２、例えばアルミニウム又は亜鉛系の溶融金属で満たされた溶融浴容器１を含む。溶融金属２の中に浸漬された漏斗３を介して、コーティングされる鋼ストリップ４が溶融金属２に供給される。溶融浴容器１内には、鋼ストリップ４を斜め下向きの走行方向から上方に向かう方向、好ましくはほぼ垂直な走行方向に偏向させるように働く偏向ローラ（いわゆる浸漬又はポットローラ）５が配置されている。また、鋼ストリップ４の振動を抑制するように働き、これによりワイパデバイス７に対してストリップ４の最も正確な可能な走行を確実にする、１つ又は２つのガイドローラ（いわゆるスタビライザローラ又は「スタビローラ」）６も溶融浴容器１内に配置されている。ワイパデバイスは、コーティングされた鋼ストリップ４表面から余分なコーティング材料を除去し、この目的のために、典型的には圧縮空気又は不活性ガスで作動するフラットスプレーノズル形態のワイパノズル７を含む。

偏向ローラ５及び／又は少なくとも１つのガイドローラ６は、図２〜図４に例示的に示されている構造のものである。ローラ５又は６は、鋼、例えばクロム−モリブデン鋼からなるローラシェル８を含む。ローラシェル８は管状に設計される。ここでのローラの円周面８．１はクラウン付き設計としてもよいため、ローラ５又は６の外径がローラの中心から端部に向かって縮小する。

ローラシェル８の端部には、互いに同軸に配置され、同じく鋼鉄、例えばクロムモリブデン鋼製の軸受ジャーナル９が配置されている。各軸受ジャーナル９は、実質的に円筒形又は円盤状の接続部分９.１を含む。接続部分９.１は、ローラシェル８の端面で軸方向に突出するジャーナル部９.２と一体に形成されることが好ましい。接続部分９.１は、ジャーナル部９.２又はローラ５又は６の回転軸からローラシェル８の方向に径方向に延びている。ローラシェル８は、その端部においてより広い直径の内面８.２を有し、各内面は内周ステップ８.３を定める。軸受ジャーナル９の接続部分９.１は、ローラシェル８のより広い内径部分に押し込まれ、ポジティブインロックを形成し、環状の溶接シーム１５によって固定的に接続される。

軸受ジャーナル９のジャーナル部９.２の外径は、ローラシェル８の外径より３.０〜７.０倍、好ましくは４.０〜５.０倍小さい。ジャーナル部９.２の回転に対する抵抗が少なくなり、ローラ５又は６が回転しやすくなるので、対応して小さいジャーナル直径（ジャーナル部９.２の直径）を有する軸受ジャーナル９の使用が好ましい。

各軸受ジャーナル９の接続部分９.１は、ローラシェル８の端面及び接続部分９.１又は軸受ジャーナル９の内側に開口する少なくとも１つの、又は図２〜図４から分かるように、より多くの通路９.３を有する。図示された例示的な実施形態では、例えば、互いに実質的に平行に走り一般的な目盛り付き円上に均一に離間して配置された４つの通路９.３が、各接続部分９.１又は軸受ジャーナル９に設けられる。この例示的な実施形態の変形例として、接続部分９.１又は軸受ジャーナル９は、４つよりも少ない又は多い通路９.３を有してもよい。本発明によれば、各通路９.３は、セラミック材料からなるガス透過性プラグ要素（インサート）１０によって閉じられている。

プラグ要素１０は、例えば、好ましくは細孔のケイ酸カルシウムセラミックから、ケイ酸カルシウムベース上に製造される。ケイ酸カルシウムセラミックは、ＡｌＳｉ溶融金属又は亜鉛系溶融金属のような非鉄溶融金属によって、濡れるとしてもわずかにしか濡らすことができない。強度を上げるために、プラグ要素１０のセラミック材料は、補強繊維、例えば炭素繊維を含むことができる。

各通路９.３は、好ましくは、穿孔された穴として形成される。いずれの場合も、ステップ９.３１を有するため、内側から外側に向かって狭くなる。ボルト形状のプラグ要素１０は対応して形成され、したがって同様にステップ１０.１を有し、したがって通路９.３に軸方向に固定することができる。組み立てた状態では、プラグ要素１０は、軸受ジャーナル９の接続部分９.１の外側端面９.１１と実質的に同一平面で終端する（図２及び図３参照）。

各接続部分９.１の端面９.１１には、保護コーティング、例えば、酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム系の保護コーティングを設けてもよい。

ローラシェル８と軸受ジャーナル９の接続部分９.１によって画定されたローラ５又は６のキャビティは、好ましくは、セラミック材料からなる１又はそれ以上のフィラー要素１１で充填されている。図２に示される例示的な実施形態では、複数の円盤状のフィラー要素１１がローラシェル８内に連続して配置されている。フィラー要素１１は、例えば、プラグ要素（セラミックインサート）１０と同じ材料から作られる。接続部分９.１間のローラ５又は６のキャビティは、好ましくは、円盤状フィラー要素１１によってほぼ全体が充填される。ローラシェル８の外径と内径との比は、例えば１.２〜２.０、好ましくは１.４〜１.６の範囲にある。ローラ５又は６の全体密度は、使用される溶融金属２の密度の０.８倍から１.２倍、好ましくは１.０倍から１.１倍の範囲にあり、特にアルミニウム又は亜鉛系の溶融金属であってもよい。

軸受ジャーナル９の軸方向に突出するジャーナル部９．２には滑り軸受コーティング１２が設けられている。滑り軸受コーティング１２は、好ましくは、モリブデンから作られる。さらに、又はこれに代えて、タングステン及び／又はクロムを含んでいてもよい。

滑り軸受コーティング１２は、帯状に形成されている。これは、軸方向に離間した複数の環状隆起部（バンド）１２.１を含む。このために、滑り軸受コーティング１２の材料は、軸受ジャーナル９の対応して離間した環状溝９.４に導入され、及び／又は軸受ジャーナル９の環状隆起部９.５に適用される。溝９.４は、例えば、０.０５ｍｍ〜０.４ｍｍの範囲の深さを有する。滑り軸受コーティング１２の層厚は、その軸方向の広がりにわたって実質的に均一に形成される。したがって、環状溝９.４によって画定された軸受部９.２の表面構造は、滑り軸受コーティング１２の円周面に露出する。溶融した金属は、環状隆起部１２.１の間に位置する滑り軸受コーティング１２のくぼみ１２.２内に集まり、摺動フィルムを形成し得る。

本発明の実施形態は、図示された例示的な実施形態に限定されない。むしろ、変更を加えて、特許請求の範囲に特定された本発明を利用するさらなる変形も実現可能である。したがって、例えば、軸受ジャーナル９の円周面に対してわずかに隆起した滑り軸受コーティング１２は、溝９.４を有さない実質的に円筒形の軸受ジャーナル上に形成された環状の軸方向に離間した隆起部１２.１の形態をとってもよい。あるいは、滑り軸受コーティング１２は、環状溝９.４にのみ導入され、同時に、軸受ジャーナル９の環状隆起部９.５に対して径方向にわずかに隆起してもよい。

Claims (10)

1. ローラ（５、６）を回転可能に支持するために互いに同軸に配置された複数の軸受ジャーナル（９）を有し、コーティングされる金属ストリップを金属溶融浴中で偏向又はガイドするためのローラ（５、６）であって、
   各軸受ジャーナル（９）が、滑り軸受コーティング（１２）が設けられる、軸方向に離間した複数の環状隆起部（９.５）を具備し、
   前記複数の環状隆起部（９.５）の領域における前記滑り軸受コーティング（１２）が、前記軸受ジャーナル（９）の外周面に対して０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲の寸法で径方向に隆起し、
   前記滑り軸受コーティング（１２）は、前記軸受ジャーナル（９）の環状溝（９.４）にも導入され、 前記環状溝（９.４）が、前記複数の環状隆起部（９.５）の間に配置され、 前記環状溝（９.４）の領域における前記滑り軸受コーティング（１２）が、複数の環状隆起部（１２.１）に対して径方向に離間した複数の環状くぼみ（１２.２）を含み、各環状溝（９.４）は、０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲の深さを有することを特徴とする、ローラ。
2. 前記滑り軸受コーティング（１２）が、モリブデン、タングステン及び／又はクロム系の滑り軸受コーティングであることを特徴とする、請求項１に記載のローラ。
3. 前記複数の環状隆起部（９.５）の領域内の前記滑り軸受コーティング（１２）は、前記軸受ジャーナル（９）の円周面に対して、０.１ｍｍ〜０.５ｍｍの範囲の寸法で径方向に隆起していることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のローラ。
4. 鋼ローラシェル（８）をさらなる特徴とするローラであって、
   前記ローラシェル（８）の方向において径方向に延びる実質的に円筒形又は円盤状の鋼接続部分（９.１）が、各軸受ジャーナル（９）に設けられ、
   複数の前記接続部分（９.１）のうちの少なくとも１つが、前記ローラシェル（８）の端面で開口する少なくとも１つの通路（９.３）を含み、
   前記少なくとも１つの通路（９.３）が、セラミック材料により形成されるガス透過性プラグ要素（１０）によって閉じられる、請求項１から請求項３のいずれかに記載のローラ。
5. 前記プラグ要素（１０）が、アルミニウム又は亜鉛系の溶融金属によって濡らすことができないような構成又は組成であることを特徴とする、請求項４に記載のローラ。
6. 前記通路（９.３）が内側から外側に向かって狭くなるローラであって、前記プラグ要素（１０）が、対応して形成され、前記通路（９.３）に軸方向に固定されていることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載のローラ。
7. 前記ローラシェル（８）によって定められた空間内に、セラミック材料の１又はそれ以上のフィラー要素（１１）が配置されていることを特徴とする、請求項４から請求項６のいずれかに記載のローラ。
8. 各接続部分（９.１）の外側端面（９.１１）に保護コーティングが設けられていることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載のローラ。
9. 前記ローラ（５、６）の全体密度は、溶融金属の密度の０.８倍〜１.２倍、の範囲であることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれかに記載のローラ。
10. 前記ローラ（５、６）の全体密度は、溶融金属の密度の１.０倍〜１.１倍の範囲であることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれかに記載のローラ。

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