專利名稱:生產(chǎn)快速凝固金屬薄帶材的冷卻輥的制作方法
本發(fā)明涉及生產(chǎn)快速凝固金屬薄帶材的冷卻輥。更具體地說，本發(fā)明的目的在于最大限度地減少在熔融金屬冷卻凝固階段不可避免地在冷卻輥外園周表面上生產(chǎn)的熱凸度，以利于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的薄帶材。
直接將熔融金屬送到冷卻輥表面并快速將其冷卻和凝固，連續(xù)地制造快速凝固金屬薄帶材的技術(shù)，已經(jīng)被廣泛地用作借助于單輥裝置生產(chǎn)非晶體合金的方法，或者使用雙輥以快速凝固液態(tài)金屬的方法。
然而，因為要快速地從熔融金屬中排出熱量，使熔融金屬冷卻到其凝固點以下或其結(jié)晶溫度以下，所以，與熔融金屬相接觸的輥的外園周表面的溫度提高了，于是冷卻輥必然發(fā)生熱膨脹。這時，在輥的軸向，在與熔融金屬接觸的部分和不接觸的部分之間，產(chǎn)生了溫度梯度，使輥表面變形，成為具有較大曲率的桶形，即形成所謂的熱凸度。
在使用單輥的液態(tài)金屬快速凝固方法中，通常使用一個狹窄的長縫形的噴嘴，其嘴部靠近輥表面，其間存在一個窄的空間間隔，其范圍大約在0.1～0.5毫米之間，這樣，當噴嘴窄縫的尺寸，輥的園周速度和噴射熔融金屬的壓力都固定時，薄帶材的厚度在很大程度上受到噴嘴和輥之間間隙的影響。所以，如果在輥外園周表面形成了熱凸度，則噴嘴和輥之間的間隙在薄帶材寬度方向的中間部分就變得較窄，這就引起了一個麻煩薄帶材中間部分的厚度較薄，而其兩側(cè)厚度較厚。
為了解決由于上述熱凸度引起的薄帶材的厚度差，已公開的日本專利申請56-68，559，59-54，445，57-112，954和58-135，751提出了一些技術(shù)措施，通過改變輥的中間部分和兩端部的冷卻強度，而使溫度分布均勻，即適當考慮冷卻通道的數(shù)量，尺寸和形狀，使輥套寬度方向中間部分的冷卻強度比兩端的強，從而防止出現(xiàn)熱凸度。這些技術(shù)措施都可以歸結(jié)為這樣一種方法，即，與輥套的兩端部相比，在其寬度方向中間部分相對增加冷卻水量或冷卻面積，以增加從輥寬度方向的中間部分排出的熱量。
然而，上面提到的方法，在要生產(chǎn)的薄帶材的寬度改變時，必須更換冷卻輥，而且，如后面所述的，即使輥的軸向溫度分布均勻了，并不意味著熱膨脹也一致了，因而能使熱凸度減少。
已公開的日本專利申請59-229，263提出了一項以機械方式磨掉因熱膨脹而存在于輥的寬度方向中間部分和兩端部分的厚度差的技術(shù)。然而，雖然這種技術(shù)可以作為一種設(shè)想，但是，這不僅需要配備精密機械的大型設(shè)備，而且，該方法還必須在注入熔融金屬的同時對由輥壓制出來的表面作精密研磨。所以它實際上是不能應(yīng)用的。
公開號為60-51，933的日本專利(美國專利申請?zhí)?15，517，1980年1月25號提交)提出了一項技術(shù)，其中，冷卻通道布置在與輥軸線方向平行的金屬輥套內(nèi)，使輥徑向的熱膨脹恒定，以減少熱凸度。在此項技術(shù)中，必須配備一組與輥軸線方向平行的冷卻水通道，這些通道在園周方向相隔一定間隔，并在輥輪軸端的冷卻水送入側(cè)設(shè)置冷卻水存留部分，在冷卻水排出側(cè)也設(shè)置冷卻水存留部分。因此，不用說，在輥輪中央部分必須需要有一套接頭機構(gòu)。
然而，這項技術(shù)僅僅著重考慮輥輪的徑向熱膨脹，及其伴生的徑向熱應(yīng)力，它完全沒有考慮輥軸向熱膨脹的重要性，而本發(fā)明正是著重考慮了這一點。另外，在輥輪中間部分的接頭機構(gòu)很復(fù)雜，而且在輥輪內(nèi)表面與軸端之間的接頭部位需要很高的尺寸精度。這樣，就需要非常精密的加工。此外，這項技術(shù)有一個缺點，不管加工技術(shù)和成本怎么高，也不能把熱膨脹減小到令人滿意的程度。
如上所述，在單輥方式的情況下，在澆注工序期間，冷卻輥變形成了桶形，并且在薄帶材寬度方向中央部分，噴嘴和輥之間的間隙變得較窄。結(jié)果，產(chǎn)品的中間部分變薄。
非晶體合金的薄帶材就更不用說了，在隨后的軋制加工時，很難校正這種非晶體合金薄帶材的厚度不均勻狀態(tài)。
在上述的日本專利公告號，56-68，559和已公開的日本專利申請?zhí)?9-54，445，57-112，954和58-135，751中，都是通過適當?shù)卦O(shè)計冷卻輥內(nèi)部的水冷通道的結(jié)構(gòu)，來控制薄帶材整個寬度上沿輥軸線方向的溫度分布，使其均勻。換句話說，這項技術(shù)是基于這樣一種假設(shè)如果溫度分布均勻，那么熱膨脹量就是一致的，就不會產(chǎn)生熱凸度。
然而，通過試驗和計算機模擬對熱凸度產(chǎn)生的機理進行細微的考察，已經(jīng)證實，上述假設(shè)是很不適當?shù)模刂茰囟染鶆蚍植?，不能將熱凸度減小到一個令人滿意的程度。例如，在圖2的冷卻輥中，沿輥的軸線方向，在離開寬度為100毫米的薄帶材3毫米的輥套上切出兩條深槽，形成隔熱區(qū)，使得從輥套表面流過來的熱通量只能向輥的徑向流動。當使用圖2所示的冷卻輥澆注快速凝固金屬薄帶材時，在整個模擬試驗過程中，輥套表面的溫度在深槽內(nèi)側(cè)非常均勻。然而，同時實測得到的生產(chǎn)出來的快速凝固金屬薄帶材的熱膨脹量和厚度分布不均勻度，幾乎與使用普通類型的快速冷卻輥的情況一樣，當使用普通的快速冷卻輥時，輥軸中央部分的輥套表面的溫度較高。所以，使溫度均勻分布只能得到很不令人滿意的結(jié)果。
從以上試驗的事實可以得出結(jié)論，上述那些僅僅注重于輥表面溫度的先有技術(shù)，不能有效地解決熱凸度問題。
本發(fā)明就是有鑒于上述情況而研究出來的，其目的是提供一種生產(chǎn)快速凝固金屬薄帶材的冷卻輥，這種冷卻輥能最大限度地減少快速冷卻凝固時產(chǎn)生于輥外園周表面的熱凸度，有效地生產(chǎn)出沒有厚度變化的高質(zhì)量快速凝固薄帶材。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種冷卻輥，適用于通過與下落的熔融金屬相接觸，并強制冷卻和凝固它而生產(chǎn)快速凝固金屬薄帶材，該冷卻輥由一個輥基體和環(huán)繞輥基體園周安裝的一個輥套組成，在輥基體和輥套之間有一條冷卻水流通路，其特征在于，輥套僅有一部分與輥基體緊固，而輥套端部是用一種柔性結(jié)構(gòu)與輥基體聯(lián)接的，該柔性結(jié)構(gòu)不阻礙由于熱膨脹所導(dǎo)致的輥套端部向輥的軸線方向的運動。
通過閱讀下面的說明，并參照附圖，將會理解本發(fā)明的上述和其他目的，結(jié)構(gòu)上的特點和優(yōu)點，同時，很明顯，熟悉本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域：
的專業(yè)人員可以對本發(fā)明作一些改進，變化和改動，但都不會脫離本發(fā)明的要點和所提出的權(quán)利要求
的范圍。
為了更好地理解本發(fā)明，可參照下列附圖圖1(a)至圖1(c)是根據(jù)本發(fā)明的冷卻輥結(jié)構(gòu)的剖視圖;
圖1(d)是本發(fā)明一個改進型的剖視圖;
圖2是普通冷卻輥的結(jié)構(gòu)的剖視圖;
圖3是一個曲線圖，其中，對本發(fā)明的和先有技術(shù)的冷卻輥表面熱膨脹量進行了比較;
圖4是一個曲線圖，說明根據(jù)緊固長度和澆注寬度之間的關(guān)系，緊固長度對熱凸度的影響。
首先，解釋一下本發(fā)明的過程。
當熔融金屬與冷卻輥表面接觸而快速凝固時，如果不把從熔融金屬中傳出的熱量傳送到冷卻水中去，輥自身的溫度將逐漸升高。最后，它將不可能冷卻新注入的熔融金屬。
所以，為了有效地冷卻熔融金屬，最好將輥設(shè)計成由輥基體和金屬制的輥套組成的雙重結(jié)構(gòu)，中間形成一個內(nèi)部水冷卻結(jié)構(gòu)，輥表面應(yīng)用了一種金屬，該金屬具有較高的導(dǎo)熱性而便于將熱量導(dǎo)出，輥的外園周表面要便于在磨損時更換或修理。
本發(fā)明的目的在于防止由于熱膨脹而產(chǎn)生的熱凸度，其措施是使接觸熔融金屬的輥套在輥軸線方向上的膨脹基本上不受輥基體的限制(除中間部分之外)。
發(fā)明者的詳細的分析表明由于熱膨脹而使輥套外園周變形成桶狀的這種熱凸度是這樣產(chǎn)生的由于在輥軸線方向的熱膨脹在輥套和輥基體之間的邊界上，或在輥套兩端部被機械地阻止了，所以使輥套外園周向外凸出，而不是由于輥表面在輥軸線方向的溫度分布不均勻而使輥軸線方向上的徑向熱膨脹量不同。
基于上述分析，本發(fā)明人最近研制了一種冷卻輥結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能遏制輥套在徑向，即向輥套的外園周方面凸出來，其原理是不在輥軸線的兩端限止輥套的軸向熱膨脹，讓它能向輥的軸線方向進行熱膨脹，使得只有基本的徑向熱膨脹是朝著輥套外園周方面的。于是，就實現(xiàn)了本發(fā)明。
即，本發(fā)明涉及一種冷卻輥，它適用于通過與下落的熔融金屬流相接觸，使其快速強制冷卻并凝固，來生產(chǎn)快速凝固金屬薄帶材。這種冷卻輥有一個輥基體和一個圍繞輥基體柱形園周安裝的輥套，并在輥套和輥基體之間形成冷卻水通路，其特征是，輥套僅僅部分地緊固于輥基體上，在輥套端部用一種柔性結(jié)構(gòu)與輥基體聯(lián)接，使得由于熱膨脹引起的輥套在輥軸方向的移動在輥套端部不受阻礙。最好將輥套的中間部分(約為金屬輥套中部的1/3)用于輥套相對于輥基體的緊固部分。〔該術(shù)語“緊固部分(或長度)”用于整個說明書和權(quán)利要求
中，它是指輥套緊緊地固定在輥基體上的那一個部分(長度)〕。
下面，參照附圖對本發(fā)明進行說明。
圖1(a)至圖1(c)表示本發(fā)明的冷卻輥實施例的剖面結(jié)構(gòu)。
標號1、2分別表示輥基體和輥套，它們可分別由銅或銅基合金制成。輥套2固定在輥基體1的外園周上。
輥套2通過熱裝之類的配合緊固在輥基體1的一部分上。例如，僅在圖1中所示的中央部分“A”上。另一方面，輥套與輥基體在從“A”向著輥軸向端部延伸的“B”處相結(jié)合，以及在輥套端部的“C”處用一個柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在這兩處，輥套2與輥基體1都不接觸。即用一個密封件3，例如O形圈或墊圈，來防止冷卻水從輥套端部C漏出，同時，又可以與緩沖墊板4一起吸收輥套軸向的膨脹。密封件3由裝在輥基體1端部的側(cè)導(dǎo)板5支承。
標號6、7和8分別表示冷卻水通道，熔融金屬和澆注噴咀。
在圖1(a)中，通過從輥套2的內(nèi)園周向內(nèi)凸出的兩個突緣，使輥套2在中間部位緊固于輥基體的筒形園周上。在圖1(b)中，輥套由一個內(nèi)園突出部分緊套于輥基體上。在圖1(C)中，環(huán)繞輥基體形成了冷卻水通道，由兩個突緣使輥套緊套在輥基體上。
作為一種緊固方法，與其他方法相比，使用熱裝最有利。然而，本發(fā)明不僅限于此。也可以用鍵或用機械方法將輥基體與輥套結(jié)合在一起。
為了防止熱量通過輥套2的端面散逸到大氣中，并使輥套軸向的溫度分布均勻，最好如圖1(a)所示，在輥套2的端面和側(cè)導(dǎo)板5之間插入一個具有良好隔熱作用的緩沖墊板4。作為隔熱材料，最好用石棉或聚四氟乙烯(Teflon)。
圖1(d)表示本發(fā)明的冷卻輥的一個改進型，在該實施例中，冷卻水通道設(shè)置在金屬輥套內(nèi)，而水從側(cè)面送入和排出。在該實施例中，輥套也是用熱裝法。僅僅在中部緊固于輥基體上。
下面，參照試驗數(shù)據(jù)，解釋使用本發(fā)明的冷卻輥時所取得的效果。
通過使用圖1(a)所示的本發(fā)明輥套結(jié)構(gòu)的冷卻輥，和圖2所示的普通冷卻軋輥，在實際生產(chǎn)快速凝固薄帶材中檢測了兩種冷卻輥的熱膨脹隨時間的變化;其對照結(jié)果示于圖3，此時，用于噴射熔融金屬的噴咀窄縫的寬度和輥套寬度分別定為100毫米和150毫米。
在普通的熱裝結(jié)構(gòu)的輥套中，輥套的中間部分和從其端部向中央15毫米處的熱膨脹量之差，即熱凸度，大約為220微米(μm)，輥套變成類似桶形。相反，當使用本發(fā)明的冷卻輥時，該值減少到大約只有20微米。所以，按照本發(fā)明，其熱凸度減少到小于一般情況下的1/10。
顯然，本發(fā)明的對輥套軸向端部不加限制的方法，對于抑制冷卻輥熱凸度具有非常良好的效果。
本發(fā)明的意圖是通過吸收輥套的軸向膨脹以消除熱凸度。通過僅僅將輥套的一部分緊固在輥基體上，就可將熱凸度減少到一個極小的值。
在先有技術(shù)中，通過送入不少于100米3/小時的大量冷卻水的方法來提高排熱效果，以降低輥的表面溫度和減少熱膨脹量，另一方面，根據(jù)本發(fā)明，即使把用于冷卻輥套的冷卻水量減少到與先有技術(shù)相比是非常小的水平時，例如，大約3-5米3/小時，這時熱膨脹的絕對值就比較大了，但是，在輥套中間部分和端部的熱膨脹的差，即熱凸度，卻比較小，所以最終產(chǎn)品的厚度差不超過2微米。如上所述，本發(fā)明還有這樣一個優(yōu)點，即不需要先有技術(shù)所必需的大量冷卻水了。
另外，還發(fā)現(xiàn)，在這種冷卻輥結(jié)構(gòu)中，當在非約束區(qū)域內(nèi)輥套隔板和輥基體外園周面之間的間隙小于1毫米時，冷卻水優(yōu)先流經(jīng)冷卻水通道，如果此間隙大于1毫米，就使得流經(jīng)該間隙的冷卻水量增加，以致冷卻水難以再流經(jīng)冷卻水通道。所以，最好在冷卻水隔板處，將輥套和輥基體之間的間隙限制在1毫米之內(nèi)。另外，輥套軸向端部和側(cè)導(dǎo)板之間的距離必須規(guī)定不小于(△T×α×L)/2，其中，△T，α和L分別代表輥套的最高溫度、輥套線性熱膨脹系數(shù)和輥套的軸向長度。如果能增加輥套端面密封件的寬度，那么該間距就可以任意增加。
其次，對緊固長度對熱凸度的影響進行了檢測，其結(jié)果示于圖4，它反映了緊固長度和注入熔融金屬寬度之間的關(guān)系。
從圖4中可以清楚看出，當輥基體和輥套之間的緊固長度超過快速冷卻薄帶材的寬度的60%時，熱凸度不能完全消除。例如，當以單輥方式生產(chǎn)100毫米寬的快速凝固金屬薄帶材，并且緊固長度超過薄帶材寬度的60%時，熱凸度為100微米或更大，產(chǎn)品厚度差為3微米或更大。
還發(fā)現(xiàn)，當生產(chǎn)寬度為200毫米或更寬的薄帶材時，并且緊固長度超過100毫米時，即使緊固長度小于產(chǎn)品寬度的60%，熱凸度也超過100微米。
所以，輥套和輥基體之間的緊固長度一般不要超過快速凝固金屬薄帶材寬度的60%，最寬約為100毫米。
如前所述，本發(fā)明不同于先有技術(shù)，其主要目的在于不限制輥軸向的熱膨脹。本發(fā)明從這個觀點出發(fā)進行了研究。通過使金屬制的輥套的軸向端部基本上擺脫輥基體的限制，可以非常有效地減小熱凸度，這時產(chǎn)品厚度的差別幾乎可以減少到可以忽略的程度。
根據(jù)本發(fā)明，能使冷卻輥表面軸向的溫度分布一致，所以熱凸度進一步減少了。因為，沿輥的軸線方向，輥的徑向熱膨脹量的分布均勻了。
更具體地說，要達到上述目的可以在輥套澆注部分稍微靠外的位置上切出實際上起隔熱作用的深槽，如圖1(b)所示，或者在金屬制的輥套和側(cè)導(dǎo)板之間插入一塊象石棉板之類的隔熱板參照下面的例子，可以更詳細地對本發(fā)明進行說明。它僅僅是本發(fā)明的一個例子，而絕不能理解為對本發(fā)明范圍的限制。
實施例1使用圖1(a)所示結(jié)構(gòu)的冷卻輥，其中，輥套在輥軸向的長度是155毫米，中間部位的緊固長度是40毫米，采用單輥方法通過噴咀窄縫在150毫米的寬度上將熔融金屬噴射到冷卻輥表面上生產(chǎn)鐵-硼-硅(Fe-B-Si)基非結(jié)晶合金薄帶材。
在澆注期間，輥套外園周表面的熱凸度(以中間部位和從端部向內(nèi)15毫米處的熱膨脹值的差表示)小至40微米。這時，薄帶材的平均厚度為21微米，其縱向偏差為±1微米，厚度差小至2微米。
對照例1使用普通的冷卻輥，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，輥套在輥的軸線方向長度為200毫米，輥套在冷卻輥基體的除了冷卻水通道以外的全部寬度上受到輥基體的約束，用與實施例1同樣的方法生產(chǎn)鐵-硼-硅(Fe-B-Si)基非結(jié)晶合金薄帶材。
在澆注期間，輥外套園周表面的熱凸度高達350微米。這時，生產(chǎn)出來的薄帶材的厚度在寬度的中間部位是16微米，在其邊緣部位是25微米，厚度差高達9微米。另外，還出現(xiàn)了大量穿透薄帶材中間部分整個厚度的孔。
在上述實施例中，主要對輥套緊固于輥基體中間部位的情況作了介紹。然而，本發(fā)明并不特別局限于某一種緊固位置，只要能不使輥套在輥軸向的熱膨脹受到限制就行。例如，已經(jīng)證實，當輥套在離開端部1/4全長的位置上緊固于輥基體時，或者在靠近輥套端部進行緊固時，可以獲得同樣的效果。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過完全區(qū)別于先有技術(shù)的新方法，解決了生產(chǎn)快速凝固金屬薄帶材時，由于熱凸度而使冷卻輥發(fā)生的桶狀變形問題，這種方法就是輥套的軸向端部基本上不受輥基體的約束，不使輥套軸向的熱膨脹受到限制。于是，無須將輥的結(jié)構(gòu)作復(fù)雜的改動，就能大大降低薄帶材的厚度偏差。所以，可以在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)取得巨大的效益。
權(quán)利要求
1.一種適用于通過與下落的熔融金屬相接觸而使其快速冷卻和凝固來生產(chǎn)快速凝固金屬薄帶材的冷卻輥，所述冷卻輥有一個輥基體，和一個圍繞輥基體筒形園周安裝的輥套，并在輥基體和輥套之間形成冷卻水通道，其特征在于輥套僅僅部分地緊固在輥基體上，輥套端部用一種柔性結(jié)構(gòu)與輥基體聯(lián)結(jié)，使得由于熱膨脹引起的輥套在輥軸方向的移動在輥套端部不受阻礙。
2.如權(quán)利要求
1所述的冷卻輥，其特征在于輥套緊固于輥基體的部分是輥套的中間部分。
3.如權(quán)利要求
1所述的冷卻輥，其特征在于輥套緊固于輥基體的部位的長度小于快速凝固金屬薄帶材寬度的60%，并且快速凝固金屬薄帶材的寬度小于100毫米。
4.如權(quán)利要求
2所述的冷卻輥，其特征在于，輥套緊固于輥基體的部位的長度小于快速凝固金屬薄帶材寬度的60%，并且快速凝固金屬薄帶材的寬度小于100毫米。
專利摘要
一種冷卻輥，適用于通過與下落的熔融金屬相接觸而使其快速冷卻和凝固來生產(chǎn)快速凝固金屬薄帶材。該冷卻輥有一個輥基體和一個圍繞在輥基體筒形圓周面安裝的輥套，并在輥基體和輥套之間形成冷卻水通道。輥套僅僅部分地緊固在輥基體上，輥套端部通過一柔性結(jié)構(gòu)與輥基體相聯(lián)結(jié)，該柔性結(jié)構(gòu)使得由于熱膨脹引起的輥套的軸向移動不在其端部受到阻礙。
文檔編號B22D11/06GK87106180SQ87106180
公開日1988年5月11日 申請日期1987年9月5日
發(fā)明者佐藤徹, 森戶延行, 小林真司 申請人:川崎制鐵株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan