WO2011105298A1 - 炉内搬送用ロール - Google Patents

Abstract

　胴部（１０）の嵌め合い穴（１１）とシャフト部（２０）の嵌め合い軸（２４）とを嵌め合せた嵌め合い部（３０）を備え、嵌め合い部を溶接して単一のロールを構成する炉内搬送用ロール（１）であって、嵌め合い部は、溶接位置から離間した位置において所定隙間で嵌め合う第１の嵌め合い部（３１）と、溶接位置に隣接した位置において第１の嵌め合い部よりも大きな隙間で嵌め合う第２の嵌め合い部（３２）とを有する。

Description

炉内搬送用ロール

　本発明は、炉内搬送用ロールに関する。本願は、２０１０年２月２６日に、日本に出願された特願２０１０－０４２４３２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　特許文献１には、熱処理あるいは熱間圧延のために、金属加工物を高温で長時間加熱するための加熱炉に設けられる炉内搬送用ロールが開示されている。この炉内搬送用ロールでは、中央胴部とそれ以外の部分とが別々に作成されたロール材を相互に嵌め合せて溶接することで、ロール全体が構成される。この構成によれば、炉中心領域に配置され高温に曝される胴部を、線膨張率の小さい高価な材質から作成し、炉壁部に位置して炉中心よりも低温の領域に配置されるシャフト部を、胴部よりも線膨張率の大きい安価な材質から作成して、胴部とシャフト部とが互いに溶接されることにより、炉内搬送用ロールの製造コストが低減する。

米国特許第５８３３４５５号明細書

　しかしながら、上記炉内搬送用ロールの嵌め合い部は、一段のストレート嵌め合いとしているため、荷重変形や熱変形して相互部材に別種の変形が生じた際に、溶接部が直近の嵌め合いで変形が拘束される。そのため、溶接部に大きな歪や応力が生じ、溶接部が破損し易くなる。
　例えば、シャフト部と胴部とが成分の異なる別の材質で形成され、シャフト部と胴部とが常温状態で嵌め合わせられ溶接されると、加熱炉が高温になったときに、線膨張率の大きいシャフト部が線膨張率の小さい胴部より大きく熱膨張する。そして、胴部に周方向の引っ張り歪や応力が大きく生じる。その結果、溶接部が直近の嵌め合いで変形が拘束されているために、溶接部に大きな歪や応力が生じ、溶接部が破損し易くなる。

　本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、荷重変形や熱変形した際に溶接部に生じる歪や応力が緩和される炉内搬送用ロールを提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明は、第１の構成部材の嵌め合い穴と第２の構成部材の嵌め合い軸とが嵌め合わされた嵌め合い部を備える。また、本発明は、溶接された嵌め合い部が単一のロールを構成する炉内搬送用ロールである。そして、上記嵌め合い部は、上記溶接位置から離間した位置において所定隙間で嵌め合う第１の嵌め合い部と、上記溶接位置に隣接した位置において上記第１の嵌め合い部よりも大きな隙間で嵌め合う第２の嵌め合い部とを有する。
　この構成によって、本発明では、第２の嵌め合い部によって溶接部の直近において大きめのクリアランスが形成される。そのため、本発明では、荷重変形や熱変形によって相互の部材に別種の変形が生じても、溶接部における拘束が減って、溶接部における歪や応力が緩和される。また、本発明では、第１の嵌め合い部によって、溶接部から離間した位置のクリアランスが小さい。そのため、第１の構成部材と第２の構成部材との嵌め合い精度が確保されるので、容易に溶接できる。

　また、本発明においては、上記第１の構成部材及び上記第２の構成部材が、互いに成分の異なる別材質であることが望ましい。
　この構成を採用によって、本発明では、第１の構成部材と第２の構成部材とが成分の異なる別材質で作成されても、溶接部における歪や応力が緩和される。

　また、本発明においては、上記第１の構成部材及び上記第２の構成部材が、互いに線膨張率の異なる別材質であることが望ましい。
　この構成によって、本発明では、第１の構成部材と第２の構成部材とが線膨張率の異なる別材質で作成されても、熱変形した際の溶接部における歪や応力が緩和される。

　また、本発明においては、上記嵌め合い軸が、上記第１の嵌め合い部に対応する径を備える大径軸部と、上記第２の嵌め合い部に対応し、上記大径軸部よりも小さい径を備える小径軸部とを有する２段構造であることが望ましい。
　この構成によって、本発明では、溶接部と隣接した位置における嵌め合いのクリアランスが大きく、溶接部から離間した位置における嵌め合いのクリアランスが小さい、２段嵌め合いの嵌め合い軸が得られる。

　また、本発明においては、上記嵌め合い軸の端部を覆う断熱部材が設けられることが望ましい。
　この構成によって、本発明では、嵌め合い軸の端部からの熱の流出を防ぐことができる。また、断熱部材が設けられることで、第１の構成部材と第２の構成部材との温度差が大きくなるため、熱変形差が大きくなる。しかしながら、第２の嵌め合い部によって溶接部の直近におけるクリアランスが大きいので、溶接部における拘束が減って、溶接部における歪や応力が緩和される。

　また、本発明においては、上記嵌め合い部における嵌め合いが、隙間嵌めであることが望ましい。
　この構成によって、本発明では、溶接部における拘束が減って、溶接部における歪や応力が緩和される。

　本発明によれば、荷重変形や熱変形した際に溶接部に生じる歪や応力が緩和される炉内搬送用ロールが得られる。

本発明の第１実施形態における炉内搬送用ロールを示す断面図である。 本発明の第１実施形態における炉内搬送用ロールの構成部材を示す分解図である。 本発明の第１実施形態の炉内搬送用ロールに荷重を加えたときの変形の様子を示す図である。 本発明の第２実施形態における炉内搬送用ロールのシャフト部とシャフト軸との組合せ部位を示す断面図である。 図４に示す領域Ａの拡大図である。 本発明の第３実施形態における炉内搬送用ロールのシャフト部とシャフト軸との組合せ部位を示す拡大断面図である。 従来の炉内搬送用ロールの構成を示す断面図である。 従来の炉内搬送用ロールに荷重Ｆを加えたときの変形の様子を示す図である。

　以下、本発明の実施形態の炉内搬送用ロールについて図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態における炉内搬送用ロール１を示す断面図である。図２は、本発明の第１実施形態における炉内搬送用ロール１の構成部材を示す分解図である。
　炉内搬送用ロール１は、２以上の構成部材からなり、溶接により単一のロールを構成する。炉内搬送用ロール１は、熱処理あるいは熱間圧延のために金属加工物を高温で長時間加熱するための加熱炉に設けられる。炉内搬送用ロール１は、炉中心において金属加工物を搬送する胴部（第１の構成部材）１０と、胴部１０の両端部に溶接されるシャフト部（第２の構成部材）２０とを有する。

　胴部１０は、炉中心領域に配置され高温に曝されるため、シャフト部２０よりも線膨張率の小さい材質から構成される。胴部１０は、円筒状に成型され、内部に中空部Ｓ１が形成される。胴部１０の両端部には、シャフト部２０が嵌め合う嵌め合い穴１１が設けられる。
　シャフト部２０は、不図示の炉壁部に位置して炉中心よりも低温の領域に配置される。そのため、シャフト部２０は、胴部１０よりも線膨張率の大きい材質から構成される。シャフト部２０は、内部に中空部Ｓ２が形成され、胴部１０の外形と同径の大径部２１と、大径部２１よりも小さい径の小径部２３と、大径部２１と小径部２３との間に設けられたテーパー部２２とを有する。大径部２１の端部には、胴部１０の嵌め合い穴１１に嵌め合う嵌め合い軸２４が設けられる。

　図１に示すように、胴部１０の嵌め合い穴１１とシャフト部２０の嵌め合い軸２４とが嵌め合わされた嵌め合い部３０は、溶接部２によって接続される。溶接部２は、胴部１０の端部とシャフト部２０の大径部２１との間に形成された開先形状に沿って、全周に亘ってティグ溶接やミグ溶接等のアーク溶接によってビードが形成された部位である。また、溶接部２は、胴部１０を構成する材質とシャフト部２０を構成する材質との中間材質（成分や線膨張率が中間の材質）の溶接棒を用いて形成される。

　嵌め合い部３０は、溶接部２が形成された位置（溶接位置）から離間した位置において所定の隙間で嵌め合う第１の嵌め合い部３１と、溶接位置に隣接した位置において第１の嵌め合い部３１より大きな隙間で嵌め合う第２の嵌め合い部３２とを有する。第１の嵌め合い部３１及び第２の嵌め合い部３２は共に、隙間嵌めで嵌め合わされる。より具体的には、嵌め合い穴１１と嵌め合い軸２４とは、Φ１３５（ｍｍ）程度の嵌め合い直径である。また、第１の嵌め合い部３１によって形成される小クリアランスは、日本工業規格（ＪＩＳ）に定められたＨ７ｈ７の交差域クラスである。また、第２の嵌め合い部３２によって形成される大クリアランスは、Ｈ７ｅ７の交差域クラスである。

　嵌め合い軸２４は、第１の嵌め合い部３１に対応する径を備える大径軸部２４ａと、第２の嵌め合い部３２に対応し、大径軸部２４ａよりも小さい径を備える小径軸部２４ｂとで構成される２段構造を有する。この構成により、本実施形態では、溶接部２と隣接した位置の嵌め合いのクリアランスが大きく、溶接部２から離間した位置の嵌め合いのクリアランスが小さい、２段嵌め合いが得られる。

　続いて、上記構成の炉内搬送用ロール１の作用について図３を参照して説明する。また、図７及び図８を参照して、本実施形態の炉内搬送用ロール１と従来の炉内搬送用ロールとの違いを説明する。なお、図７及び図８においては、本実施形態の炉内搬送用ロール１と構成が同じ、もしくは同等の部分には同一の符号を付している。
　図３は、本発明の第１実施形態の炉内搬送用ロール１に荷重Ｆを加えたときの変形の様子を示す図である。図７は、従来の炉内搬送用ロール１の構成を示す断面図である。図８は、従来の炉内搬送用ロール１に荷重Ｆを加えたときの変形の様子を示す図である。

　図７に示すように、従来の炉内搬送用ロール１の嵌め合い部３０は、一段のストレート嵌め合いであるため、図８に示すように、荷重Ｆにより炉内搬送用ロール１が荷重変形した際に、溶接部２の直近の嵌め合いで溶接部２の変形が拘束される。そのため、溶接部２に大きな歪や応力が生じ、溶接部２が容易に破損する。
　一方、本実施形態の炉内搬送用ロール１では、第２の嵌め合い部３２によって溶接部２の直近におけるクリアランスが大きい。そのため、図３に示すように、荷重Ｆにより炉内搬送用ロール１が荷重変形した際に、溶接部２における拘束が減って、溶接部２における歪や応力が緩和される。また、嵌め合い部３０における嵌め合いは、隙間嵌めであるため、溶接部２における拘束がより低減し、溶接部２における歪や応力が緩和される。

　また、図７に示す炉内搬送用ロール１の嵌め合い部３０では、胴部１０とシャフト部２０とは成分の異なる別の材質で形成される。そのため、胴部１０とシャフト部２０とが、常温状態で嵌め合されて溶接されると、加熱炉が高温になったときに、線膨張率の大きいシャフト部２０が線膨張率の小さい胴部１０より大きく熱膨張する。そして、胴部１０に周方向に大きな引っ張り歪や応力が生じる。一方、溶接部２の直近の嵌め合いで、溶接部２の変形は拘束される。その結果、溶接部２に大きな歪や応力が生じ、溶接部２が破損し易くなる。
　一方、図１に示す本実施形態の炉内搬送用ロール１の嵌め合い部３０によれば、熱変形して相互の部材に別種の変形が生じても、第２の嵌め合い部３２によって溶接部２の直近におけるクリアランスが大きいので、溶接部２における拘束が減って、溶接部２における歪や応力が緩和される。また、第１の嵌め合い部３１によって、溶接部２から離間した位置のクリアランスが小さいため、胴部１０とシャフト部２０との嵌め合い精度は確保される。さらに、溶接部２より離れた位置で熱膨張差が生じても溶接部２に対する歪や応力の伝播は低減される。

　上述のように、本発明の第１実施形態によれば、炉内搬送用ロール１は、胴部１０の嵌め合い穴１１とシャフト部２０の嵌め合い軸２４とが嵌め合わせられた嵌め合い部３０を備え、嵌め合い部３０は溶接されて単一のロールを形成する。また、嵌め合い部３０は、溶接位置から離間した位置において所定隙間で嵌め合わされる第１の嵌め合い部３１と、溶接位置に隣接した位置において第１の嵌め合い部３１よりも大きな隙間で嵌め合わされる第２の嵌め合い部３２とを有する。そのため、荷重変形や熱変形によって相互の部材に別種の変形が生じても、第２の嵌め合い部３２によって溶接部２の直近におけるクリアランスが大きいため、溶接部２における拘束が減る。そのため、溶接部２における歪や応力が緩和される。また、第１の嵌め合い部３１によって、溶接部２から離間した位置のクリアランスが小さいため、胴部１０とシャフト部２０との嵌め合い精度が確保され、容易に溶接できる。
　したがって、上述の第１実施形態では、炉内搬送用ロール１が荷重変形や熱変形した際に溶接２に生じる歪や応力が緩和される。

（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
　図４は、本発明の第２実施形態における炉内搬送用ロール１のシャフト部２０とシャフト軸４０との組合せ部位を示す断面図である。図５は、図４に示す領域Ａの拡大図である。

　炉内搬送用ロール１は、シャフト部（第１の構成部材）２０に溶接されるシャフト軸（第２の構成部材）４０を有する。シャフト部２０の小径部２３の端部には、シャフト軸４０が嵌め合う２段構造の嵌め合い穴２３ａが設けられる。
　シャフト軸４０は、炉壁部より外側において、不図示の軸受によって軸支され、炉壁部よりも低温の領域に配置される。そのため、シャフト部２０よりも線膨張率の大きい材質から構成される。
　シャフト軸４０には、嵌め合い穴２３ａに嵌め合う嵌め合い軸４１が設けられる。嵌め合い軸４１は、２段構造の嵌め合い穴２３ａに対応した２段構造で構成される。
　また、シャフト部２０の嵌め合い穴２３ａとシャフト軸４０の嵌め合い軸４１とが嵌め合わされた嵌め合い部５０は、溶接部３によって接続される。

　嵌め合い部５０は、図５に示すように、溶接部３が形成された位置（溶接位置）から離間した位置において所定隙間で嵌め合わされる第１の嵌め合い部５１と、溶接位置に隣接した位置において第１の嵌め合い部５１より大きな隙間で嵌め合わされる第２の嵌め合い部５２とを有する。第１の嵌め合い部５１及び第２の嵌め合い部５２は共に、隙間嵌めである。
　したがって、上記構成の炉内搬送用ロール１によれば、第２の嵌め合い部５２によって溶接部３の直近におけるクリアランスが大きいため、溶接部３における拘束が減る。そのため、溶接部３における歪や応力が緩和される。
 

　また、シャフト軸４０からの熱の流出を防止するため、炉内搬送用ロール１には、嵌め合い軸４１の先端部を覆うように断熱部材６０が設けられる。また、断熱部材６０は、テーパー部２２に対応する領域の中空部Ｓ２を充填するように設けられる。
　断熱部材６０が設けられることで、シャフト軸４０からの熱の流出が防止できる。一方、シャフト部２０とシャフト軸４０との温度差が大きくなるため、シャフト部２０とシャフト軸４０との熱変形の差が大きくなる。しかし、第２の嵌め合い部５２によって、溶接部３の直近におけるクリアランスが大きいため、溶接部３における拘束が減る。そのため、溶接部３における歪や応力が緩和される。
　このため、第２実施形態における炉内搬送用ロール１によれば、熱流出が防止され、溶接部３における歪や応力が緩和される。

（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
　図６は、本発明の第３実施形態における炉内搬送用ロール１のシャフト部２０とシャフト軸４０との組合せ部位を示す拡大断面図である。

　図６に示すように、シャフト部２０の嵌め合い穴２３ａとシャフト軸４０の嵌め合い軸４１とが嵌め合わされた嵌め合い部５０´は、溶接部３´によって接続される。嵌め合い部５０´は、溶接部３´が形成された位置（溶接位置）から離間した位置において所定隙間で嵌め合わされる第１の嵌め合い部５１´と、溶接位置に隣接した位置において第１の嵌め合い部５１´より大きな隙間で嵌め合わされる第２の嵌め合い部５２´とを有する。第１の嵌め合い部５１´及び第２の嵌め合い部５２´は共に、隙間嵌めである。

　第３実施形態における第２の嵌め合い部５２´は、溶接部３´の先端面（径方向内側先端面）に隣接するように設けられる。上述した実施形態では、第２嵌め合い部が、溶接部の側部に隣接するように形成される。そのため、溶接部の側部に応力集中が生じる虞がある。しかしながら、第３実施形態の第２の嵌め合い部５２´は、溶接部３´の先端面に隣接するように設けられるため、溶接部に応力が集中することを回避できる。

　以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

　本発明によれば、荷重変形や熱変形した際に溶接部に生じる歪や応力が緩和される炉内搬送用ロールが得られる。

　１…炉内搬送用ロール
２…溶接部
３…溶接部
３´…溶接部
１０…胴部（第１の構成部材）
１１…嵌め合い穴
２０…シャフト部（第２の構成部材（第１の構成部材））
２２ａ…嵌め合い穴
２４…嵌め合い軸
２４ａ…大径軸部
２４ｂ…小径軸部
３０…嵌め合い部
３１…第１の嵌め合い部
３２…第２の嵌め合い部
４０…シャフト軸（第２の構成部材）
４１…嵌め合い軸
５０…嵌め合い部
５１…第１の嵌め合い部
５２…第２の嵌め合い部
５０´…嵌め合い部
５１´…第１の嵌め合い部
５２´…第２の嵌め合い部
６０…断熱部材

Claims (6)

1. 　第１の構成部材の嵌め合い穴と第２の構成部材の嵌め合い軸とを嵌め合せた嵌め合い部を備え、嵌め合い部を溶接して単一のロールを構成する炉内搬送用ロールであって、
   　前記嵌め合い部は、前記溶接位置から離間した位置において所定隙間で嵌め合う第１の嵌め合い部と、前記溶接位置に隣接した位置において前記第１の嵌め合い部よりも大きな隙間で嵌め合う第２の嵌め合い部とを有する炉内搬送用ロール。
2. 　前記第１の構成部材及び前記第２の構成部材は、互いに成分の異なる別材質である請求項１に記載の炉内搬送用ロール。
3. 　前記第１の構成部材及び前記第２の構成部材は、互いに線膨張率の異なる別材質である請求項１または２に記載の炉内搬送用ロール。
4. 　前記嵌め合い軸は、前記第１の嵌め合い部に対応する径を備える大径軸部と、前記第２の嵌め合い部に対応し、前記大径軸部よりも小さい径を備える小径軸部とを有する２段構造となっている請求項１～３のいずれか一項に記載の炉内搬送用ロール。
5. 　前記嵌め合い軸の端部を覆う断熱部材を有する請求項１～４のいずれか一項に記載の炉内搬送用ロール。
6. 　前記嵌め合い部における嵌め合いは、隙間嵌めである請求項１～５のいずれか一項に記載の炉内搬送用ロール。

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