KR100325781B1 - 컬렉터링없는컨덕터롤 - Google Patents

Abstract

컬렉터 링(C 링)과 롤 샤프트간의 불량접촉에 기인하는 브러쉬와 리드선의 소손(燒損) 문제와 본체의 수리시 C 링을 장착/탈착하고 조정하는 작업을 없앨 수 있고, 슬라이딩 컬렉터 부품들의 수명을 연장할 수 있는 컨덕터 롤이다. 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤은 컨덕터 롤 샤프트의 단부 외주면에 100 Hv 이상의 비커스 경도를 가지는 전기 도금 구리층을 포함하고, 브러쉬가 이 부분과 직접 접촉하도록 된다.

Description

컬렉터 링 없는 컨덕터 롤

현재까지의 전기 도금은 컨덕터 롤(이하 CDR이라함)의 양 샤프트 단부(both shaft ends)에 컬렉터 링(이하 C 링이라함)들을 장착하고, 브러시(brush) 들을 통해 전류를 인가하는 것에 의해 수행되었다. 도금 안정성과 안정된 가동을 유지하기 위해서는, 강 스트립(steel strip)과 직접 접촉하는 CDR 본체의 표면 성질들을 유지하는 것이 당연히 중요함은 물론, 컬렉터 부분들에서의 전기를 통과시키는 성질들을 확보하는 것이 중요하다.

종래의 CDR들은 강제(鋼製)롤 샤프트(roll shaft)의 직경보다 크고 좌우 롤 샤프트 단부에 장착되는 주조동제(鑄造銅製)의 C 링들을 각각 가지며, 전류가 상기 C 링들에 인가된다. 그러므로, 종래의 CDR들은 아래의 (1) 내지 (3)의 문제점들을 가진다.

(1) C 링들과 롤 샤프트간의 접촉불량에 기인하는 브러쉬등의 소손(燒損) 문제가 종종 일어난다.

즉, 롤 샤프트를 양호하게 정비하지 못하거나 C 링들을 잘못 장착하는 등에 의해 형성되는 접촉 불량부에 전류를 인가하면, 다량의 열이 발생하여 상기 접촉불량부가 고온에 도달하게 된다. 재질(材質)이 서로 다름에 따라 C 링들과 롤 샤프트간의 열팽창 차이가 발생한다. C 링들의 열팽창량이 롤 샤프트의 열팽창량보다 크므로, C 링들과 롤 샤프트간의 접촉불량은 악화된다. 그러한 정비 불량과 오장착에 의해 야기되는 접촉불량과 전류의 인가에 의해, 좌우 롤 샤프트 단부에 장착된 C 링내에서 균일하게 흐르는 전류의 균형이 파괴된다. 그 결과, C 링의 작은 접촉 저항을 가지는 측으로 큰 전류가 흐르고, 그리하여 브러쉬들과 C 링측의 리드선(lead wire)들이 타버릴 수 있다.

(2) 롤 본체의 수리 작업시, C 링들의 제거와 설치, 그리고 미끄럼 접촉 조정의 작업 부하가 커진다.

(3) 마모에 의해 C 링과 브러쉬 등의 슬라이딩 컬렉터 부품들의 수명이 감소된다.

본 발명은 전기 도금 장치에 사용되는 컨덕터 롤에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명의 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤의 하나의 실시예를 보이는 도.

도 2 는 컬렉터 링들을 사용하는 종래 컨덕터 롤의 일례를 보인 도.

본 발명의 하나의 목적은, 소손(燒損) 문제를 방지하고, C 링들의 제거와 설치 그리고 미끄럼 접촉 조정이 필요 없도록 하며, 슬라이딩 컬렉터 부품들의 수명을 연장하는, 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 컨덕터 롤 샤프트 단부 외주면에 제공되는 100 Hv 이상의 비커스 경도를 가지는 전기 도금 구리층을 포함하고, 상기 전기 도금 구리층이 브러쉬와 직접 접촉되도록 되는 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤을 제공한다.

상기 전기 도금 구리층의 두께가 너무 작은 때는, 롤 샤프트 상의 구리 도금을 수선하는 것이 빈번하게 된다. 따라서, 그 두께는 적어도 3 ㎜ 인 것이 바람직하다. 상기 전기 도금 구리층의 두께가 너무 큰 때는, 컨덕터 롤이 비싸게 되는 경향이 있다. 따라서, 그 두께는 최대 6 ㎜ 인 것이 바람직하다.

추가적으로, 상기 전기 도금 구리층의 비커스 경도는 150 Hv 이상인 것이 바람직하고, 200 Hv 이상인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서는, 주조동(鑄造銅)(cast Cu)의 전기 저항만큼 낮은 전기저항을 갖는 전기 도금 구리층이 컨덕터 롤 샤프트 단부의 외주면에 제공되고, 브러쉬들이 상기 도금된 부분과 직접 접촉되며, 그에 의해 C 링들을 사용함이 없이 전류를 직접적으로 인가하는 것이 가능하게 된다.

컨덕터 롤 샤프트 단부의 외주면에 전기 도금 구리층이 제공될 때, 상기 구리 도금층은 롤 샤프트의 외주면에 견고하게 결합되고, 전류를 인가하는 동안의 도금층과 샤프트간의 접촉 저항은 롤 샤프트에 C 링들이 장착되는 경우의 C 링들과 롤 샤프트간의 접촉 저항과 비교하여 현저하게 낮아진다.

접촉 저항이 현저하게 감소하는 결과, 전류를 인가함에 따라 야기되는 열 발생이 크게 감소되고, 온도도 또한 낮아진다. 그리하여 롤 샤프트의 열팽창과 전기 도금 구리층의 열팽창간의 차이가 작아지고, 계면에서의 박피(peeling)가 방지된다. 결과적으로, 전류를 인가하는 동안 롤 샤프트의 외주면과 전기 도금 구리층간의 불량 접촉이 효과적으로 방지된다.

따라서, C 링들과 롤 샤프트간의 접촉 부분에서의 불량 접촉에 의해 야기되는, 우측 샤프트에서의 전류 흐름과 좌측 샤프트에서의 전류 흐름간의 불균형에 따른 소손(燒損) 문제가 미연에 방지될 수 있다. 게다가, 롤 본체의 수선 작업시 C 링들의 제거와 설치 및 미끄럼 접촉 조정이 불필요하게 될 수 있다.

더 나아가, CDR 샤프트 단부의 외주면에 전기 도금 구리층이 제공될 때는, 주조동(鑄造銅)(비커스 경도: 35 Hv 내지 50 Hv)과 비교할 때 마찰 저항이 반 정도까지 감소하고, 표면 경도(비커스 경도)가 적어도 200 % 가량 증가한다. 표면 경도(비커스 경도)가 적어도 200 % 가량 증가하고 마찰 저항이 반 정도까지 감소하는 이유들은, 비록 명확하지 않으나 아래에 기술된 것들로 추측된다. 상기 차이는 아마도, 전기 도금 구리층에서는, 구리층을 구성하는 구리의 결정구조(crystalline structure)가 전자 결합에 의해 형성되고, 구리의 결정구조가 조대한(coarse) 주조동(鑄造銅)과 비교할 때 구리의 결정구조가 조밀하다(dense)는 사실에 기초할 것이다. 상기 전기 도금 구리층은 주조동(鑄造銅)으로 만들어진 C 링들과 비교하여 높은 표면 경도와 낮은 마찰 저항을 가지므로, 브러쉬가 C 링들과 접촉할 때 활주에 의해 야기되는 마모량이 감소된다.

또한, 전기 도금 구리층이 제공된 롤 샤프트 외경은 C 링들의 그것에 비해 작으므로, 브러쉬들이 구리층과 접촉할 때 CDR 회전당 활주거리는 작아진다. 위에서 언급된 감소된 마찰 저항과 활주거리의 감소로 인해 브러쉬들의 마모량은 감소될 수 있다.

전기 도금 구리층이 100 Hv 이상의 비커스 경도를 가지도록 되는 한 전기 도금 구리층을 형성하기 위하여 사용되는 전해질의 종류는 임의적이다. 전해질의 전형적인 예들은 황산구리(Cu sulfate), 피로인산 구리(Cu pyrophosphate), 플루오르붕산 구리(Cu borofluoride) 그리고 시안화 구리(Cu cyanide)이다. 추가적으로, 필요한 경우에는 당밀(molasses), 티오 요소(thiourea) 그리고 티오다이아졸(thiodiazole)등의 첨가제가, 형성될 전기 도금 구리층의 경도를 향상시키기 위해 사용되는 상기한 전해질이 들어 있는 전해용액에 첨가될 수 있다.

더 나아가, 롤 샤프트 단부의 외주면에 전기 도금 구리층이 형성되는 동안의 전해 도금액(electrolytic plating solution)의 조건에 대해서는 특별한 제한이 없다. 상기 도금액은 보통 아래의 조건들이 만족되면 만족스럽다: 전해질의 농도: 황산구리 180 g/l 내지 220 g/l 정도와 황산 30 g/l 내지 40 g/l 정도; 전해액의 온도: 25℃ 내지 35℃; 그리고 3 A/d㎡ 내지 10 A/d㎡ 정도의 전류밀도.

추가적으로, 강으로 만들어진 롤 샤프트 단부의 외주면에 3 ㎛ 내지 7 ㎛ 정도 두께의 니켈 도금층을 형성한 다음 니켈 도금층 위에 상기한 구리 도금층을 형성하므로써 샤프트 재료강과 구리 도금간의 결합력이 증가될 수 있다.

[예들]

이하에서는, 본 발명의 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤이 예들을 참고하여 상세히 설명된다.

도 1 에 보인 샤프트 형을 갖는 컨덕터 롤(1)이 준비되었다. 샤프트 재료강과 구리 도금간의 결합력을 향상시킬 목적으로, 도 1의 롤 샤프트부(2)는 외주면을 제외하고 가려진 채, 250 g/l 내지 300 g/l의 황산니켈과 40 g/l 내지 60 g/l의 염화니켈(Ni chloride) 및 40 g/l 내지 50 g/l의 붕산(boric acid)을 포함하고, 55 ± 1℃의 용액온도와 3.8 pH 내지 4.8 pH를 가지는 전해용액에 침적되었다. 그 다음에, 외주면에 5 ㎛ 두께를 갖는 니켈 도금층을 형성하기 위해 4 A/d㎡ 의 전류밀도에서 전기 도금이 행해졌다. 물로 세척한 후, 도 1 의 롤 샤프트부는 외주면을 제외하고 가려진 채, 200 g/l 의 황산구리와 30 g/l의 황산과 40 ㎎/l의 염소 및 3 ㎎/l의 광택제(brightner)를 포함하고, 30℃의 온도를 가지는 전해용액에 침적되었다.

그 다음에, 외주면에 5 ㎜ 두께를 갖는 구리 도금층(3)을 형성하기 위해 8 A/d㎡의 전류밀도에서 전기 도금이 행해졌다. 하나의 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤(본 발명의 컨덕터 롤 A)은 그렇게 얻어졌다. 추가적으로, 롤 샤프트 단부의 외주면에 5 ㎜ 두께를 갖는 구리 도금층을 형성하기 위해 니켈로 전기 도금하는 과정을 제외하고 상기 과정이 반복되었다. 또 하나의 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤(본 발명의 컨덕터 롤 B)은 그렇게 얻어졌다.

이러한 구리 도금층들의 표면 경도를 시험하기 위하여, 100 ㎜의 직경과 15 ㎜ 의 두께를 가지는 구리봉이 위에서 언급된 전기 도금 조건들 하에서 5 ㎜ 두께를 갖는 구리로 도금되어 표본으로 제공되었다. 상기 표본의 비커스 경도는 JIS Z 2244에 따라 측정되었다. 그 경도는 209 Hv 였다.

한편, 도 2 에 도시된 바와 같이, 주조동(鑄造銅)으로 만들어진 컬렉터링(5)이 축 단부에 장착되는 컨덕터 롤(1)이 준비되었다. 롤 샤프트에 장착된 것과 동일한 컬렉터 링이 선반과 셰이퍼(shaper)를 사용하여 10 × 20 × 30 ㎜의 표본으로 제조되었다. 상기 표본의 비커스 경도는 JIS Z 2244에 따라 측정되었고, 상기 표본은 209 Hv 의 비커스 경도를 가졌다.

각각 37 × 37 ㎜의 접촉 면적을 가지는 브러쉬(4)가 사용되었다. 도 1 에서의 본 발명의 컨덕터 롤 A,B를 위해, 네 줄의 여섯 개의 브러쉬들이 각각 원주방향으로 설치되었고, 일정한 압력을 가하므로써 전기 도금 구리층과 접촉되었다. 도 2 에서의 종래의 컨덕터 롤을 위해서는, 여덟 줄의 3개의 브러쉬들이 각각 원주방향으로 설치되었고, 동일한 일정 압력을 가하므로써 컬렉터 링과 접촉되었다. 브러쉬가 접촉상태가 유지된 상태로 필요 회전 토크의 측정이 상기 세 개의 롤들에 대해 이루어졌다. 그 결과, 본 발명의 컨덕터 롤 A,B 는 3.5 kg-m의 토크를 보였고, 종래의 롤은 9.6 kg-m의 토크를 보였다. 추가적으로, 본 발명 컨덕터 롤 A의 샤프트와 니켈층(5 ㎛) - 구리층(5 ㎜)간의 전기 접촉 저항과, 샤프트(40 ㎜)와 C 링(5 ㎜)간의 저항이 측정되었다. 그 결과, 본 발명의 컨덕터 롤 A의 접촉 저항과 종래 컨덕터 롤의 그것은 각각 0.1 × 10^-6(Ω)과 2 × 10^-6(Ω)였다.

본 발명의 컨덕터 롤 A,B와 종래의 컨덕터 롤은 각각 주석 전기도금 라인에 설치되어 5,600 시간(한쪽(side)당 8,000 A의 컬렉팅 전류)동안 사용되었다. 브러시들과 접촉하는 부분들에서의 구리의 표면 온도(℃), 구리의 마모량(mm/day) 그리고 브러쉬들의 마모량(mm/day)이 시험되었다. 그 결과는 표 1 보여진 바와 같다.

구리 마모량이 종래 롤의 구리 마모량의 1/8 로 작아지고,브러쉬 마모량은 종래 롤의 브러쉬 마모량의 1/20 으로 줄어드는 것을 본 발명의 컨덕터 롤이 보여주는 것이 표 1 로부터 분명하다.

브러쉬의 총 마모량이 소정량에 이르게 될 때는, 브러쉬는 보통 다 사용한 것으로 간주되어 교체된다. 그러므로, 본 발명의 컨덕터 롤에서의 브러쉬 수명은 종래 컨덕터 롤에서의 브러쉬 수명의 약 20배에 달한다. 게다가, 도 2 에 도시된 치수를 갖는 컬렉터 링은 마모량이 7.5 ㎜에 달하면 수명을 다하고 교체된다. 이에 반해, 도 1 의 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤에서는 전기 도금 구리층의 두께가 5 ㎜이고, 구리 도금층이 마모되어 없어지면 상기 컨덕터 롤은 다시 전기 도금된다. 전기 도금 구리층의 수명은 도 2 의 컬렉터 링의 그것의 5 배 정도이다.

게다가, 본 발명의 컨덕터 롤은 종래 컨덕터 롤에서의 컬렉터 링과 샤프트간에 보여지는 큰 전기 접촉 저항을 보이지 않으므로, 본 발명 컨덕터 롤의 구리 표면 온도가 종래 컨덕터 롤의 그것과 비교하여 현저하게 낮아진다.

종래 컨덕터 롤들이 주석 전기도금 라인에 사용되었을 때는, 브러시과 리드선의 소손(燒損) 문제의 빈도가 4 회/년 이었다. 본 발명의 컨덕터 롤이 사용되었을 때는, 빈도가 0으로 감소되었다.

본 발명의 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤은 C 링들과 롤 샤프트간의 접촉불량에 의해 야기되는 소손(燒損) 문제를 방지하고, 롤 본체를 수선하는 작업시 C 링들을 제거, 설치하고 미끄럼 접촉을 조정하는 것이 불필요하도록 하며, 슬라이딩 컬렉터 부품들의 수명을 연장한다.

Claims (2)

1. 컨덕터 롤 샤프트 단부 외주면에 제공되는 100 Hv 의 비커스 경도를 가지는 전기 도금 구리층을 포함하고, 상기 전기 도금 구리층이 브러시와 직접 접촉되도록 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 도금 구리층의 두께는 3 ㎜ 내지 6 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 컬렉터 링 없는 컨덕터 롤.