KR20080103985A - 롤 축을 지지하기 위한 세라믹 부재를 가지는 싱크롤 베어링 - Google Patents

Abstract

용해 아연(zinc)에 잠긴 축(12)을 지지하기 위한 베어링(10)은, 세라믹 축 결합 베어링 부재(28)를 수용하는 슬롯(26)을 가지는 원통형 금속 라이너(20)를 포함하는 베어링 면을 가진다.

베어링, 라이너

Description

롤 축을 지지하기 위한 세라믹 부재를 가지는 싱크롤 베어링{SINK ROLL BEARING HAVING CERAMIC ELEMENTS FOR SUPPORTING THE ROLL'S SHAFT}

금속 조각(metal strip)에 장력(tension)을 제공하는데 사용되는 싱크롤 어셈블리 베어링(sink roll assembly bearings)은 수명이 매우 짧다. 이러한 짧은 수명은, 높은 금속 온도에서 작동하는 베어링 부재들 사이에서 생성되는 왜곡(distrotion) 및 오정렬(misalignment) 때문에 생긴다. 게다가, 용해 금속(molten metal)과 베어링 사이에서 화학 반응이 일어난다. 롤(rolls)에 의하여 경험되는 낮은 작동 회전 속도(low operating rotational speed)와 결합된 무거운 표면부 부하(heavy surface unit loading)이 또한 베어링 수명을 단축시킨다.

본 발명자는 이러한 환경 조건들과 관련되는 몇 가지 문제를 해결하였다. 예를 들어, 2004년 2월 17일에 등록된 미국 특허 제 6692689호, 발명의 명칭 " 강화된 유체역학 필름으로 윤활된 베어링과 자체 정렬 지지 암을 가지는 싱크 롤 어셈블리(Sink Roll Assembly with Forced Hydrodynamic Film Lubricated Bearings and Self-Aligning Holding Arms)"에서 발견될 수 있다.

본 명세서에서 기술되는 발명은, 축을 지지하는 베어링 라이너(bearing liner)에 세라믹 부재를 제공함으로써 길어진 작동 수명을 제공한다.

세라믹은, 낮은 마찰 계수와 용해 금속에 대한 내화학성 때문에, 싱크 롤(sink roll)에 일반적으로 사용되는 합금강(steel alloys)에 비하여 현저히 낮은 마모 패턴을 가진다.

세라믹 베어링 소재를 사용하기 위한 하나의 접근방법으로 축을 지지하기 위한 합금강 슬리브(sleeve)에 세라믹 라이너가 사용되어 왔다. 이러한 접근은, 실험실에서 시도되었으나, 몇가지 이유로 인하여 산업분야에의 응용에는 적합하지 않다. 그 이유중 하나는, 세라믹을 수반하는 금속 지지 링(steel holding ring)은 세라믹보다 훨씬 큰 팽창 계수를 가지기 때문이다. 그 결과로, 세라믹 라이너가 작동 온도(대부분의 경우 9000F ~ 13000F)에서 가열될 때, 세라믹 라이너와 상기 지지 슬리브(holding sleeve) 사이의 경계 영역에서, 지지되지 못하는 세라믹이 파쇄(shatter)되는 것을 야기하는 실질적인 클리어런스(clearance)가 일어난다. 용해 금속 조(molten metal bath)에 잠기는 요동성 금속 조각(moving metal strip)에 의하여 야기되는 심각한 충격때문에, 세라믹 라이너는 산업 분야 응용을 약화시킬 것이다. 본 발명의 발명자는, 지지 슬리브에 형성되는 슬롯에 몇몇 세라믹 부재를 지지하기 위하여 금속 라이너를 채용하는 것은 세라믹 부재가 상기 라이너로부터 분리되는 것을 차단하고, 하이 템퍼러처 러닝 클리어런스(high temperature running clearance)를 최소화하면서 금속과 세라믹의 팽창 계수 차이를 보상한다는 것을 발견하였다.

바람직한 실시예로서, 상기 라이너는, 원통형 면 주위로 연장되는 패턴으로 연장되는(elongated) 슬롯을 가지는 원통형 내주면을 가진다. 연장되는 세라믹 소재의 조각(strip)은 각 슬롯 내부로 삽입된다. 상기 세라믹 부재의 수집 가능한 내주면은 라이너 면과 결합하여 축 지지 구조를 형성한다. 이러한 배치는, 차동 팽창 문제(differential expansion problem) 없이 세라믹 부재의 긴 작동 수명을 사용할 수 있는 이점을 제공한다.

상기와 같은 베어링을 제조하기 위한 공정은, 상기 세라믹 부재를 수용하기 위한 슬롯을 가지는 합금 라이너를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 슬롯들은, 실내 온도하에서, 상기 세라믹 부재보다 약간 작다. 상기 라이너는 그러면, 10000F 정도의 적절한 온도로 가열된다. 상기 세라믹 부재들은 슬롯 내부로 삽입된다. 상금속 라이너는 냉각되어 상기 세라믹 부재가 상기 슬롯 내에서 견고하게 지지되도록 한다(다시 말하면, 0.0002±0.0001 인치의 간섭 맞춤(interference fit)). 상기 금속 라이너-세라믹 삽입 어셈블리의 외부 및 내부 직경은 적절한 규격, 상기 지지 슬리브를 수용하기 위한 외경, 싱크 롤 샤프트 트러니언(sink roll shaft trunion)을 수용하기 위한 내경,으로 그라인딩된다.

고온에서 작동할 때, 상기 세라믹 부재가 라이너로부터 방사상 외측으로 이동하는 것을 방지하기 위하여, 지지 슬리브는 상기 세라믹 부재를 확장시키도록 가열된다. 가열된 지지 슬리브는 상기 라이너와 세라믹 부재를 연장 가능하게(telescopically) 수용하여, 상기 지지 슬리브와 금속 라이너(steel liner) 사이에서 견고한 끼워맞춤 연결을 형성한다. 상기 지지 슬리브와 라이너는 동일 소재로 만들어져서, 동일한 팽창 계수를 가지도록 한다. 따라서, 베어링이 작동 온도로 가열될수록, 상기 라이너와 지지 슬리브는 단일체로 확장되는 반면, 상기 세라믹 부재를 각각의 슬롯에 유지시킨다.

축에 의하여 방사상으로 베어링에 작용하는 힘들은 베어링 표면의 특정 영역을 향한다. 오랜 시간 동안 상기 축은, 베어링의 국부 작동 영역에서 점진적으로 마모될 것이다. 상기 베어링은 그러면 회전되어(약 90도) 베어링 표면의 비마모된 영역이 상기 축을 지지가능하게 한다. 이는 필요할 때마다 상기 베어링을 점진적으로 회전시킴으로써, 다수회 반복될 수 있고, 그에 따라 네 가지 요소에 의해 이미 연장된 베어링 수명을 향상시킬수 있고, 마모된 베어링의 교체에 드는 시간 뿐 아니라 베어링 소재를 절감할 수 있는 추가적인 결과를 얻을 수 있다.

본 발명의 또다른 목적 및 효과는 이하에서 개시되는 상세 설명에 포함된 내용으로부터 당업자에게 자명함을 밝혀 둔다.

도 1은 본 발명에 따른 베어링이 안착되는 환경을 기술하는 도면;

도 2는 도 1의 베어링의 측면도이나, 지지 슬리브가 제거된 도면;

도 3은 도 2의 라인 3-3을 따라 실질적으로 보여지는 단면도;

도 4는 도 9의 라인 4-4를 따라서 보여지는 단면도;

도 5는 다른 실시예에 따른 슬롯 형태의 도면;

도 6은 바람직한 베어링을 제조하기 위한 공정 단계를 기술하는 실린더형 도면(cylinderical view);

도 7은 바람직한 베어링을 제조하는 이후 단계를 도시함;

도 8은 라이너의 베어링 면이 마감되는 방법을 기술하는 도면;

도 9는 바람직한 베어링의 단부도(end view); 및

도 10은 본 발명을 기술하는 전형적인 베어링에 놓이는 부하를 기술하는 도면.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 베어링(10)은, 회전축(12)을 지지하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 기술한다. 구조(14)는, 용해 금속조(bath of molted metal)의 수면(16) 아래의 축과 베어링을 지지한다. 베어링 하우징(18)은 라이너(liner)(20) 및 지지 슬리브(holding sleeve)(22)를 지지한다.

상기 슬리브 및 라이너는 원통 형상을 이루어 상기 라이너가 원통 형상의 내부 라이너면(inner liner surface)(24)을 가지도록 한다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 라이너는 다수 개의 개구부 또는 슬롯(26)을 가진다. 각 슬롯(26)은 축의 회전축(27)에 대하여 평행하게 연장된다. 다른 형상과 위치도 가능하다.

세라믹 베어링 부재(28)는 각 슬롯(26)에 놓인다. 각 세라믹 베어링 부재는 직선일 수 있거나, 도 3에 보여지는 바와 같이, 원통형 라이너면(24)과 연속되는 면을 형성하도록 굴곡된 내주면(32)을 가지고 다소 테이퍼진 형상을 가질 수 있다. 실내 온도 하에서, 각 슬롯(26)의 폭은 대응되는 각각의 세라믹 베어링 부재의 폭보다 약간 작다(0.0002" ~ 0.001"). 도 6을 참조하면, 히터(34)는 라이너(20)를 약 화씨 1000도까지 가열하는데 사용되어, 개별 슬롯들이 대응되는 각각의 세라믹 베얼이 부재를 수용할 수 있을 정도로 충분히 확장되도록 한다. 상기 라이너가 실내 온도로 냉각될 때, 상기 슬롯들은 각각의 세라믹 베어링 부재를 정위치에 단단히 유지하도록 축소되어, 외경과 내경 모두 하나의 어셈블리로 작동한다.

바람직한 베어링을 만드는 다음 단계는 도 7에서 기술되는데, 합금강으로 이루어지는 지지 슬리브(22)는 라이너(20)를 수용하기에 충분한 내주면으로 확장되도록 가열된다. 상기 지지 슬리브는 그 다음 냉각되어, 세라믹 베어링 부재를 정위치에서 단단히 유지하고, 금속조 내에서 고온으로 작동할 때 축으로부터 외부로 분리되어 요동하는 것을 방지한다.

도 8을 참조하면, 마감 공구(finishing tool)(36)가 상기 라이너 및 세라믹 베어링 부재 모두를 포함하여 내부 베어링면 전체를 원하는 축 직경보다 약간 큰 직경을 가지는 부드러운 원통형 표면으로 그라인딩(grinding) 하는데 채용된다.

도 10은, 축이 라이너 내부에서 지지되는 방식을 기술한다. 부하가 화살표(38) 방향으로 적용된다. 그 이유 때문에, 장시간에 걸쳐 라이너 베어링 표면(24)의 일부가 마모된다. 상기 베어링 라이너는, 예를 들어 축을 상기 라이너의 마모되지 않은 부분과 결합하기 위하여, 하우징(18) 내부에서 화살표(40) 방향으로 90도 회전할 수 있다.

이는, 상기 라이너가 교체되기 보다 새로운 위치로 회전될 수 있기 때문에, 그러한 베어링을 교체하기 위한 정지 시간을 감소시켜 준다. 상기 세라믹 삽입은 마찰을 감소시키고, 금속 찌꺼기 제거자(metal dross wipers)로 작용하며, 표준 베어링에 대하여 매우 근접한 베어링 축 러닝 클리어런스(running clearance)(0.01./0.015)vs.(0.250/0.300)를 가능하게 한다.

도 4를 참조하면, 라이너(20)는, 지지 슬리브(22)의 부분적으로 구형인 오목 베어링면(44)에 미끄러져서 결합하는 부분적으로 구형인 볼록 베어링면(42)을 가진다. 상기 하우징과 지지 슬리브에 부착되는 한 쌍의 링(46,48)은 상기 지지 슬리브를 정위치에 유지시킨다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 도면으로서, 도 4의 구성과 유사한 구성은 프라임(')으로 표시된다.

이 경우, 슬롯들(26')은 서로 평행하나, 축(27')에 대하여 경사진다.

Claims (20)

1. 축 연결 면을 각각 가지는 다수의 세라믹 베어링 부재;

   원주면을 따라 이격되는 다수의 세라믹 부재 수용 슬롯을 가지는 금속 라이너를 포함하고,

   상기 세라믹 베어링 부재 각각은 각 슬롯에 수용되고, 상기 라이너는 열 팽창되어, 각각의 슬롯은 낮은 라이너 온도에서는 세라믹 부재 각각의 직경보다 작은 직경을 가지고, 높은 라이너 온도에서는 세라믹 부재 각각의 직경보다 큰 직경을 가짐으로써, 각 세라믹 부재는 높은 라이너 온도에서 각 슬롯에 수용되고, 상기 라이너 온도가 회전축을 슬라이딩 가능하게 지지하기 위한 원통형 라이너면을 형성하는 상기 낮은 라이너 온도로 하강할 때, 상기 슬롯에 견고하게 지지되는 것을 특징으로 하는, 용해 금속에 잠긴 회전 부하를 지지하기에 유용한 복합 베어링.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 라이너는, 상기 복합 베어링 구조가 잠기는 특정 용해 금속에 대하여 낮은 용해도(solubility)를 가지는 합금강(metal alloy)을 포함하는 복합 베어링.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 합금강은, 용해 금속 작동 온도에서 높은 경도(hardness)(Rc>25)를 가 지는 것을 특징으로 하는 복합 베어링.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 세라믹 베어링 부재들이 각각의 슬롯에서 상기 원통형 라이너 면으로부터 벗어나는 것을 방지하기 위하여 상기 라이너에 안착되는 지지 슬리브를 포함하는 복합 베어링.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 라이너는, 상기 라이너를 관통하는 다수의 세라믹 부재 수용 슬롯을 가지고, 상기 세라믹 베어링 부재 각각은 원통형 라이너 면 방향 운동에 의하여 대응하는 세라믹 수용 슬롯 각각에 수용 가능하며, 세라믹 베어링 부재의 방사상 밖으로 향하는 운동을 방지하기 위하여 상기 세라믹 부재 수용 슬롯에 신축 가능하게(telescopically) 배치되는 지지 슬리브를 포함하는 복합 베어링.
6. 제 5 항에 있어서,

   자체 정렬 구조(self-aligning structure)를 포함하고,

   상기 자체 정렬 구조는,

   상기 라이너, 지지 슬리브 및 세라믹 부재를 연장 가능하게 수용하는 아우터 슬리브(outer sleeve);

   상기 라이너가 상기 지지 슬리브에 대하여 슬라이딩 가능하게 요 동(swingable)하도록, 상기 지지 슬리브와 라이너 사이에 배치되는 자체 정렬 베어링 구조를 포함하는 복합 베어링.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 자체 정렬 베어링 구조는,

   부분적으로 구형인 베어링 외주면을 가지는 라이너; 및

   상기 라이너에 배치되는 축이 상기 지지 슬리브에 대하여 이동 가능하게 하도록, 부분적으로 구형인 베어링 외주면에 슬라이딩 가능하게 결합되는 부분적으로 구형인 베어링 내주면을 가지는 지지 슬리브를 포함하는 복합 베어링.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 자체 정렬 베어링 구조는, 상기 아우터 슬리브에 대하여 고정된 지점에 상기 지지 슬리브를 연결하는 한 쌍의 이격된 베어링 링(spaced bearing rings)을 포함하는 복합 베어링.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 세라믹 베어링 부재들 각각은 상기 세라믹 베어링 부재에 의하여 지지되는 축의 회전축에 평행하게 연장되고 지지되는 것을 특징으로 하는 복합 베어링.
10. 제 1 항에 있어서,

    축 지지 위치에서 상기 라이너를 지지하되, 상기 라이너가 상기 라이너의 종축을 기준으로 제 2 축 지지 위치까지 회전되는 것을 가능하게 하는 구조를 포함하는 복합 베어링.
11. 축 회전축에 대하여 지지되는 원통형의 베어링 면을 가지는 베어링 구조를 포함하고,

    상기 베어링 구조는,

    원주 방향으로 이격되는 다수의 세라믹 부재 수용 슬롯을 가지는 금속 라이너; 및

    원주 방향으로 이격되고, 각각이 내부 축 연결면을 가지는 다수의 세라믹 부재를 포함하며,

    상기 세라믹 베어링 부재들 각각은 각 슬롯에 수용되는 것을 특징으로 하는, 용해 금속에 잠기는 이동 부하(moving load)를 지지하는데 유용한 복합 베어링.
12. a) 원주 방향으로 이격되는 다수의 세라믹 수용 개구부를 가지는 원통형 베어링 면을 가지는 라이너를 형성하는 단계;

    b) 상기 세라믹 수용 개구부들 각각에 수용 가능하고, 각각의 세라믹 수용 개구부보다 큰 다수의 세라믹 베어링 부재를 형성하는 단계;

    c) 각각의 세라믹 수용 개구부가 각각의 세라믹 베어링 부재를 수용하기 위한 크기로 확장되는 온도로 상기 라이너를 가열하는 단계;

    d) 각 세라믹 베어링 부재가, 원통형 베어링 면을 가지는 상기 라이너의 일부분을 형성하는 축 연결면을 가지도록 하는 위치로, 상기 세라믹 베어링 부재를 대응되는 각 세라믹 수용 개구부에 삽입하는 단계; 및

    e) 각 세라믹 베어링 부재가 각 개구부로부터 방사상 외측으로 이동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 라이너 및 상기 세라믹 베어링 부재를 지지 슬리브 내부로 연장가능하게(telescopically) 삽입하는 단계;를 포함하되, 상기 순서에 제한되지 않는, 다수의 세라믹 베어링 부재를 가지는 복합 베어링 제조 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    마감된 베어링 표면을 형성하도록 상기 라이너의 원통형 베어링 면을 마감하는 표면 마감 단계를 포함하는 방법.
14. 축 연결 면을 각각 가지는 다수의 세라믹 베어링 부재;

    원주면을 따라 이격되는 다수의 세라믹 부재 수용 개구부를 가지는 금속 라이너, 상기 세라믹 베어링 부재 각각은 각 부재 수용 개구부에 수용되어, 회전축을 슬라이딩 가능하게 지지하기 위한 원통형 라이너 면을 형성하고, 상기 세라믹 부재 수용 개구부는 상기 라이너를 관통하며, 상기 세라믹 부재 각각은 상기 라이너 베어링 면을 향한 운동에 의하여 각각의 세라믹 부재 수용 개구부에 수용 가능하고, 상기 세라믹 베어링 부재들의 방사상 외측 방향으로의 운동을 방지하기 위하여 상기 세라믹 부재 수용 개구부에 연장 가능하게(telescopically) 배치되는 지지 슬리 브를 포함함; 및

    상기 라이너, 지지 슬리브 및 상기 세라믹 베어링 부재를 연장 가능하게 수용하는 아우터 슬리브와, 상기 지지 슬리브와 상기 라이너 사이에 배치되어 상기 라이너가 상기 지지 슬리브에 대하여 슬라이딩 가능하게 요동(swingable)하도록 하는 자체 정렬(self-aligning) 베어링 구조를 포함하는 자체 정렬 구조를 포함하는, 용해 금속에 잠긴 회전 부하를 지지하기에 유용한 복합 베어링.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 자체 정렬 베어링 구조는,

    부분적으로 구형인 베어링 외주면을 가지는 라이너; 및

    상기 라이너에 배치되는 축이 상기 지지 슬리브에 대하여 이동 가능하게 하도록, 부분적으로 구형인 베어링 외주면에 슬라이딩 가능하게 결합되는 부분적으로 구형인 베어링 내주면을 가지는 지지 슬리브를 포함하는 복합 베어링.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 자체 정렬 베어링 구조는, 상기 아우터 슬리브에 대하여 고정된 지점에 상기 지지 슬리브를 연결하는 한 쌍의 이격된 베어링 링(spaced bearing rings)을 포함하는 복합 베어링.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 세라믹 베어링 부재들 각각은 상기 원통형 라이너 면에 의하여 지지되는 축의 회전축에 평행하게 연장되고 지지되는 것을 특징으로 하는 복합 베어링.
18. 축 연결 면을 각각 가지는 다수의 세라믹 베어링 부재;

    원주면을 따라 이격되는 다수의 세라믹 부재 수용 슬롯을 가지는 금속 라이너를 포함하고,

    상기 세라믹 베어링 부재 각각은 각 슬롯에 수용되고, 상기 라이너는 열 팽창되어, 각각의 슬롯은 낮은 라이너 온도에서는 각각의 세라믹 베어링 부재보다 작고, 높은 라이너 온도에서는 각각의 세라믹 베어링 부재보다 큼으로써, 각 세라믹 베어링 부재는 높은 라이너 온도에서 각 슬롯에 수용 가능하고, 상기 라이너 온도가 회전축을 슬라이딩 가능하게 지지하기 위한 원통형 라이너 면을 형성하는 상기 낮은 라이너 온도로 하강할 때, 상기 슬롯에 견고하게 지지되는 것을 특징으로 하는, 용해 금속에 잠긴 회전 부하를 지지하기에 유용한 복합 베어링.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 라이너의 열팽창 특성과 동일한 열팽창 특성을 가지는 지지 슬리브를 포함하고,

    상기 지지 슬리브는, 상기 라이너와 지지 슬리브의 온도가 변할수록 상기 세라믹 베어링 부재가 각각의 슬롯 내에서 움직이는 것을 방지하기 위ㅎ여 상기 라이너에 안착되는 것을 특징으로 하는 복합 베어링.
20. 제 12 항에 있어서,

    각각의 세라믹 베어링 부재가 개구부 각각에 안착된 이후에, 상기 라이너의 워통형 베어링 면을 마감하는 표면 마감 단계를 포함하는 복합 베어링 제조 방법.

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