JP4998822B2

JP4998822B2 - セラミックス製ロール

Info

Publication number: JP4998822B2
Application number: JP2007065380A
Authority: JP
Inventors: 衛介小川; 繁幸濱吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2007275990A

Description

本発明は、鋼材を製造する圧延工程等の鉄鋼生産設備ラインで用いられる搬送ロール等のロールに係り、金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着させたセラミックス製ロールに関する。

鋼材を製造する鉄鋼生産設備ラインにおいては、搬送等種々の用途にロール（搬送ロール、テーブルロール、ガイドロール、スクイズロール、ピンチロール、スイングロール等）が用いられている。ロール表面の鋼材と接触する部分をセラミックスで形成したセラミックス製ロールは、耐摩耗性、耐熱性、絶縁性等に優れており、多くの技術が開示されている。

特許文献１には、熱間圧延ラインにおいて鋼板を搬送するのに用いるセラミックス製ロールであって、１個または複数個のセラミックス製スリーブを金属製軸材の外周に嵌着して構成され、そのうち１個のセラミックス製スリーブは金属製軸材の軸長方向の中央部を覆うように嵌着し、セラミックス製スリーブは相対密度が９８％以上であり、常温における４点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であり、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなるセラミックス製ロールが記載されている。

特許文献２には、被搬送物を連続的に、加熱炉内に装入する搬送用ローラにおいて、搬送用ローラの軸表面に断熱材層を囲繞被覆し、搬送用ローラ軸の外側に、波状の凹凸面を形成する複数のセラミックス製単体を隣接して嵌合させ、セラミックス製単体の軸側にそって互いに連通する円管状の空所を形成し、前記空所内に空所の軸方向長さよりやや長目の間座を設け、間座の両端面を介して軸方向に互いに押圧するよう軸着する搬送用ローラが記載されている。

特許文献３には、ローラハース炉の焼成室内に被焼成品の搬送方向に多数並設されたセラミックローラが記載されている。これは、セラミックローラの端部に、ローラを回転駆動させるための駆動軸に割りピンにより連結された金属製のローラ駆動用キャップが嵌着し、駆動軸の回転力をローラに伝達するものである。ローラにトレランスリングを取付け、トレランスリングの外周に環状ゴムシートを装着し、ローラ駆動用キャップ内にローラを挿入、固定する。この構成により、すべりの発生がなく、操業時に熱及び重量によりローラに撓みが生じてもローラが破損せず、またローラの芯ブレを吸収してローラの芯ずれを防止できる。

特開２００４−２８３８９８号公報実公昭６２−３４９９６号公報特開２００５−１０６３１９号公報

特許文献１は、セラミックス製スリーブと金属製軸材を嵌合したものであるが、ロールの操業中、ロール表面が加熱されると両者の熱膨張係数差が要因となり、セラミックス製スリーブが破損しやすいという問題があった。

特許文献２は、セラミックス製単体とローラ軸とは断熱材層を介して接触しているためセラミックス製単体の破損防止に有効である。また、セラミックス製単体相互の間にセラミックス製間座を設けてあり、間座によってローラ軸の端部に外挿されたバネの押圧力を伝えるとともに、セラミックス製単体同士が熱膨張による伸びのため接触しないようにして、熱膨張による破壊からセラミックス製単体を保護する。しかしながら、断熱材層は被覆が煩雑であり、比較的薄い層からなるため剥離しやすく効果を長期に亘り十分に発揮できない。また、セラミックス製間座は製作や装着が容易でなく、熱膨張の吸収効果を考慮して設計製作するには設計の自由度が乏しい。

特許文献３は、単体のセラミックローラの端部にローラ駆動用キャップを設け、その間に取付けたトレランスリングにより、すべりの発生を抑えて固定できる。回転体の駆動伝達機構に有用な固定手段である。しかしながら、セラミックス製スリーブと金属製軸材を嵌合した複合構造のセラミックス製ロールの破損防止について考慮されているものではない。

そこで、本発明の目的は、セラミックス製スリーブと金属製軸材を嵌合した複合構造のセラミックス製ロールにおいて、両者の熱膨張係数差に起因するロールの破損を簡易に防止できるセラミックス製ロールを提供することである。

本発明のセラミックス製ロールは、鉄鋼生産設備ラインで用いられるセラミックス製ロールであって、金属製軸材の外周および／またはセラミックス製スリーブの内周に環状の凹溝を形成し、該凹溝に弾性力を有しかつトルクを伝達する金属製リングを装着し、該金属製リングが介在するように金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着してあり、さらに前記金属製リングは、前記金属製軸材に内周面が接触するとともに前記セラミックス製スリーブに外周面が接触するよう配置されてその弾性力により前記金属製軸材および前記セラミックス製スリーブを締結し、両者にトルクを伝達するよう構成されていることを特徴とする。

本発明において、前記金属製リングがトレランスリングであることを特徴とする。前記金属製軸材は室温で熱膨張係数が５×１０^-6（１／Ｋ）以下の低熱膨張性合金であることを特徴とする。前記セラミックス製スリーブは室温で熱膨張係数が１．５×１０^-6（１／Ｋ）以上であることを特徴とする。前記セラミックス製スリーブが窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなるのが好ましい。

本発明のセラミックス製ロールは、金属製軸材の外周（またはセラミックス製スリーブの内周）に環状の凹溝を形成し、この凹溝に弾性力を有しかつトルクを伝達する金属製リングを装着する。このように金属製リングを装着した金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを圧入により嵌着する。前記環状の凹溝は、金属製軸材の外周またはセラミックス製スリーブの内周のいずれか一方に形成するのが製作コストの点からも望ましい。

金属製リングとしてはトレランスリングを用いるのが望ましい。トレランスリングはステンレス鋼などの鋼材料からなり、弾性力を利用した波形リング状の締結・緩衝部材である。従来のように嵌合キー等を必要とせずに、セラミックス製スリーブと金属製軸材を簡易に締結できる。

金属製軸材（またはセラミックス製スリーブ）の凹溝の内部にトレランスリングを収納して締結することにより、金属製軸材とセラミックス製スリーブにトルクおよびスラスト力を伝達できる。また両者の熱膨張による寸法変形を吸収することにより、締結力を保持し、同心度を確保するとともに、セラミックス製スリーブの破損を防止できる。

トレランスリングは熱膨張の吸収効果を考慮して設けるのに設計の自由度が高く、金属製軸材の凹溝の仕上げ精度を高く必要とせず、比較的粗な加工精度でよく、凹溝への装着が容易である。

金属製軸材は室温で熱膨張係数が５×１０^-6（１／Ｋ）以下の低熱膨張性合金であるのが望ましい。好ましい低熱膨張性合金としてインコロイ系合金がある。セラミックス製ロールを熱間および温間で使用する場合、低熱膨張性合金で金属製軸材を形成することにより、金属製軸材の膨張に起因するロールの張り割れを防止できる。

セラミックス製スリーブは室温で熱膨張係数が１．５×１０^-6（１／Ｋ）以上であるのが望ましい。この熱膨張係数未満では、ロール使用時の温度上昇の際にセラミックス製スリーブと金属製軸材間の嵌合に緩みを生じやすくなるので好ましくない。

セラミックス製スリーブは特に窒化ケイ素を主成分とする焼結体で形成することにより、耐摩耗性、耐熱性および絶縁性に優れた効果を発揮する。セラミックス焼結体は相対密度９８%以上、常温における４点曲げ強度６００ＭＰａ以上が好ましい。また、常温における熱伝導率５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が熱衝撃による破壊を十分に防止できるのでより好ましい。

図１は本発明実施例１のセラミックス製ロールの概略断面図である。図１において、１はセラミックス製ロールであり、セラミックス製スリーブ２、金属製軸材３、弾性力を有しかつトルクを伝達する金属製リング５ａ（５ｂ、５ｃ）、金属製締付部材４から構成される。

金属製軸材３として、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を用いて、中実状の軸材を準備した。軸材３の胴部の外周に環状の凹溝６ａ、６ｂ、６ｃを形成した。また、軸材３の胴部の一端に環状のストッパー部３ａを、胴部の他端の外周面にねじ部を設けた。

セラミックス製スリーブ２として、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなるスリーブを製作した。このセラミックス製スリーブは、室温で熱膨張係数が３×１０^-6（１／Ｋ）、相対密度が９９．５％、常温における熱伝導率が５２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度が９００ＭＰａである。

金属製リング５ａ、５ｂ、５ｃとして、それぞれステンレス鋼からなるトレランスリングを用意した。

金属製締付部材４として、ＳＵＳ３０４を用いて内周面にねじ溝を形成した中空円筒体を製作した。

これらの部材を用いて、金属製軸材３の外周に形成した凹溝６ａ、６ｂ、６ｃに金属製リング５ａ、５ｂ、５ｃを装着した後、金属製軸材３の外周にセラミックス製スリーブ２を軸材３のストッパー部３ａまで圧入により挿入した。その後、金属製締付部材４を軸材３の胴部の他端の外周面に設けたねじ部に螺合固定し、本発明のセラミックス製ロールを組立てた。このセラミックス製ロール１を鋼材を製造する圧延工程等の鉄鋼生産設備ラインで用いられる搬送ロールとして供した。

図２は本発明実施例２のセラミックス製ロールの概略断面図である。図２において、１はセラミックス製ロールであり、セラミックス製スリーブ２、金属製軸材３、弾性力を有しかつトルクを伝達する金属製リング５ａ（５ｂ、５ｃ）、金属製締付部材４から構成される。

金属製軸材３として、室温で熱膨張係数が５×１０^-6（１／Ｋ）以下のインコロイ系合金を用いて、中実状の軸材を準備した。また、軸材３の胴部の一端に環状のストッパー部３ａを、胴部の他端の外周面にねじ部を設けた。

セラミックス製スリーブ２として、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなるスリーブを製作した。セラミックス製スリーブ２の内周に環状の凹溝６ａ、６ｂ、６ｃを形成した。このセラミックス製スリーブは、室温で熱膨張係数が３×１０^-6（１／Ｋ）、相対密度が９９．５％、常温における熱伝導率が５２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度が９００ＭＰａである。

これらの部材を用いて、セラミックス製スリーブ２の内周に形成した凹溝６ａ、６ｂ、６ｃに金属製リング５ａ、５ｂ、５ｃを装着した後、金属製軸材３の外周にセラミックス製スリーブ２を軸材３のストッパー部３ａまで圧入により挿入した。その後、金属製締付部材４を軸材３の胴部の他端の外周面に設けたねじ部に螺合固定し、本発明のセラミックス製ロールを組立てた。このセラミックス製ロール１を鋼材を製造する圧延工程等の鉄鋼生産設備ラインで用いられる搬送ロールとして供した。

図３は本発明実施例３のセラミックス製ロールの概略断面図である。図３において、１１はセラミックス製ロールであり、セラミックス製スリーブ２、金属製軸材３、弾性力を有しかつトルクを伝達する金属製リング５ａ（５ｂ、５ｃ）、金属製締付部材７から構成される。

金属製軸材３として、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を用いて、中空状の軸材を準備した。軸材３の胴部３ｂの外周に環状の凹溝６ａ、６ｂ、６ｃを形成した。また、軸材３の胴部３ｂの一端に環状の突起部であるストッパー部３ａを設け、胴部３ｂの他端の外周面にねじ部を設けた。

軸材３の中心部（軸材３の胴部３ｂの内方側）に別の中空部である円筒部３ｃを同軸的に形成した。軸材３の胴部３ｂと、円筒部３ｃとは円盤状の中間リブ部３ｆを介して一体的に接続される。３ｅは胴部３ｂの内方に形成された中空部である。円筒部３ｃの内面に形成した中空部３ｄの内には、ロールの回転軸となる金属製シャフト（図示せず）が嵌入、固定される。

セラミックス製スリーブ２として、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなるスリーブを製作した。このセラミックス製スリーブは、室温で熱膨張係数が３．２×１０^-6（１／Ｋ）、相対密度が９９．４％、常温における熱伝導率が５５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度が９１０ＭＰａである。

金属製締付部材７として、ＳＵＳ３０４を用いて内周面にねじ溝を形成した中空円筒体を製作した。

これらの部材を用いて、金属製軸材３の外周に形成した凹溝６ａ、６ｂ、６ｃに金属製リング５ａ、５ｂ、５ｃを装着した後、金属製軸材３の外周にセラミックス製スリーブ２を軸材３のストッパー部３ａまで圧入により挿入した。その後、金属製締付部材７を軸材３の胴部の他端の外周面に設けたねじ部に螺合固定し、本発明のセラミックス製ロールを組立てた。

次いで、このセラミックス製ロール１１の円筒部３ｃに形成した中空部３ｄの内に、ロールの回転軸となる金属製シャフト（図示せず）を嵌入し、キー止めにより固定した。そして、このセラミックス製ロール１１を鉄鋼生産設備ラインで用いられるランインテーブルローラとして供した。ランインテーブルローラは、形鋼、平鋼、棒鋼等の条鋼の冷却床の側部に設けられ、条鋼の移送方向に直角方向の軸回りに回転し、かつ冷却床側へ下向きに傾斜し条鋼の移送方向に互いに間隔をおいて複数配置されるものである。

これらの本発明のセラミックス製ロールを実機ラインに適用した結果、耐摩耗性、耐熱性および絶縁性は良好であり、セラミックス製スリーブと金属製軸材の熱膨張係数差に起因するロールの破損は見られず、安定した操業を実現することができた。

本発明のセラミックス製ロールによれば、セラミックス製スリーブと金属製軸材の熱膨張係数差に起因するロールの破損を簡易に抑えることができる。本発明のセラミックス製ロールは、鉄鋼以外に非鉄（アルミニウム、銅など）の生産設備ラインにも適用できる。

本発明実施例１のセラミックス製ロールの概略断面図である。本発明実施例２のセラミックス製ロールの概略断面図である。本発明実施例３のセラミックス製ロールの概略断面図である。

符号の説明

１セラミックス製ロール、２セラミックス製スリーブ、３金属製軸材、
４金属製締付部材、５ａ（５ｂ、５ｃ）金属製リング、
６ａ（６ｂ、６ｃ）凹溝、７金属製締付部材、
１１セラミックス製ロール

Claims

鉄鋼生産設備ラインで用いられるセラミックス製ロールであって、金属製軸材の外周および／またはセラミックス製スリーブの内周に環状の凹溝を形成し、該凹溝に弾性力を有しかつトルクを伝達する金属製リングを装着し、該金属製リングが介在するように金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着してあり、さらに前記金属製リングは、前記金属製軸材に内周面が接触するとともに前記セラミックス製スリーブに外周面が接触するよう配置されてその弾性力により前記金属製軸材および前記セラミックス製スリーブを締結し、両者にトルクを伝達するよう構成されていることを特徴とするセラミックス製ロール。
前記金属製軸材は室温で熱膨張係数が５×１０^−６（１／Ｋ）以下の低熱膨張性合金であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス製ロール。
前記セラミックス製スリーブは室温で熱膨張係数が１．５×１０^−６（１／Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス製ロール。