专利名称:生产快速凝固金属薄带材的冷却辊的制作方法
本发明涉及生产快速凝固金属薄带材的冷却辊。更具体地说，本发明的目的在于最大限度地减少在熔融金属冷却凝固阶段不可避免地在冷却辊外园周表面上生产的热凸度，以利于生产优质的薄带材。
直接将熔融金属送到冷却辊表面并快速将其冷却和凝固，连续地制造快速凝固金属薄带材的技术，已经被广泛地用作借助于单辊装置生产非晶体合金的方法，或者使用双辊以快速凝固液态金属的方法。
然而，因为要快速地从熔融金属中排出热量，使熔融金属冷却到其凝固点以下或其结晶温度以下，所以，与熔融金属相接触的辊的外园周表面的温度提高了，于是冷却辊必然发生热膨胀。这时，在辊的轴向，在与熔融金属接触的部分和不接触的部分之间，产生了温度梯度，使辊表面变形，成为具有较大曲率的桶形，即形成所谓的热凸度。
在使用单辊的液态金属快速凝固方法中，通常使用一个狭窄的长缝形的喷嘴，其嘴部靠近辊表面，其间存在一个窄的空间间隔，其范围大约在0.1～0.5毫米之间，这样，当喷嘴窄缝的尺寸，辊的园周速度和喷射熔融金属的压力都固定时，薄带材的厚度在很大程度上受到喷嘴和辊之间间隙的影响。所以，如果在辊外园周表面形成了热凸度，则喷嘴和辊之间的间隙在薄带材宽度方向的中间部分就变得较窄，这就引起了一个麻烦薄带材中间部分的厚度较薄，而其两侧厚度较厚。
为了解决由于上述热凸度引起的薄带材的厚度差，已公开的日本专利申请56-68，559，59-54，445，57-112，954和58-135，751提出了一些技术措施，通过改变辊的中间部分和两端部的冷却强度，而使温度分布均匀，即适当考虑冷却通道的数量，尺寸和形状，使辊套宽度方向中间部分的冷却强度比两端的强，从而防止出现热凸度。这些技术措施都可以归结为这样一种方法，即，与辊套的两端部相比，在其宽度方向中间部分相对增加冷却水量或冷却面积，以增加从辊宽度方向的中间部分排出的热量。
然而，上面提到的方法，在要生产的薄带材的宽度改变时，必须更换冷却辊，而且，如后面所述的，即使辊的轴向温度分布均匀了，并不意味着热膨胀也一致了，因而能使热凸度减少。
已公开的日本专利申请59-229，263提出了一项以机械方式磨掉因热膨胀而存在于辊的宽度方向中间部分和两端部分的厚度差的技术。然而，虽然这种技术可以作为一种设想，但是，这不仅需要配备精密机械的大型设备，而且，该方法还必须在注入熔融金属的同时对由辊压制出来的表面作精密研磨。所以它实际上是不能应用的。
公开号为60-51，933的日本专利(美国专利申请号115，517，1980年1月25号提交)提出了一项技术，其中，冷却通道布置在与辊轴线方向平行的金属辊套内，使辊径向的热膨胀恒定，以减少热凸度。在此项技术中，必须配备一组与辊轴线方向平行的冷却水通道，这些通道在园周方向相隔一定间隔，并在辊轮轴端的冷却水送入侧设置冷却水存留部分，在冷却水排出侧也设置冷却水存留部分。因此，不用说，在辊轮中央部分必须需要有一套接头机构。
然而，这项技术仅仅着重考虑辊轮的径向热膨胀，及其伴生的径向热应力，它完全没有考虑辊轴向热膨胀的重要性，而本发明正是着重考虑了这一点。另外，在辊轮中间部分的接头机构很复杂，而且在辊轮内表面与轴端之间的接头部位需要很高的尺寸精度。这样，就需要非常精密的加工。此外，这项技术有一个缺点，不管加工技术和成本怎么高，也不能把热膨胀减小到令人满意的程度。
如上所述，在单辊方式的情况下，在浇注工序期间，冷却辊变形成了桶形，并且在薄带材宽度方向中央部分，喷嘴和辊之间的间隙变得较窄。结果，产品的中间部分变薄。
非晶体合金的薄带材就更不用说了，在随后的轧制加工时，很难校正这种非晶体合金薄带材的厚度不均匀状态。
在上述的日本专利公告号，56-68，559和已公开的日本专利申请号59-54，445，57-112，954和58-135，751中，都是通过适当地设计冷却辊内部的水冷通道的结构，来控制薄带材整个宽度上沿辊轴线方向的温度分布，使其均匀。换句话说，这项技术是基于这样一种假设如果温度分布均匀，那么热膨胀量就是一致的，就不会产生热凸度。
然而，通过试验和计算机模拟对热凸度产生的机理进行细微的考察，已经证实，上述假设是很不适当的，控制温度均匀分布，不能将热凸度减小到一个令人满意的程度。例如，在图2的冷却辊中，沿辊的轴线方向，在离开宽度为100毫米的薄带材3毫米的辊套上切出两条深槽，形成隔热区，使得从辊套表面流过来的热通量只能向辊的径向流动。当使用图2所示的冷却辊浇注快速凝固金属薄带材时，在整个模拟试验过程中，辊套表面的温度在深槽内侧非常均匀。然而，同时实测得到的生产出来的快速凝固金属薄带材的热膨胀量和厚度分布不均匀度，几乎与使用普通类型的快速冷却辊的情况一样，当使用普通的快速冷却辊时，辊轴中央部分的辊套表面的温度较高。所以，使温度均匀分布只能得到很不令人满意的结果。
从以上试验的事实可以得出结论，上述那些仅仅注重于辊表面温度的先有技术，不能有效地解决热凸度问题。
本发明就是有鉴于上述情况而研究出来的，其目的是提供一种生产快速凝固金属薄带材的冷却辊，这种冷却辊能最大限度地减少快速冷却凝固时产生于辊外园周表面的热凸度，有效地生产出没有厚度变化的高质量快速凝固薄带材。
根据本发明，提供了一种冷却辊，适用于通过与下落的熔融金属相接触，并强制冷却和凝固它而生产快速凝固金属薄带材，该冷却辊由一个辊基体和环绕辊基体园周安装的一个辊套组成，在辊基体和辊套之间有一条冷却水流通路，其特征在于，辊套仅有一部分与辊基体紧固，而辊套端部是用一种柔性结构与辊基体联接的，该柔性结构不阻碍由于热膨胀所导致的辊套端部向辊的轴线方向的运动。
通过阅读下面的说明，并参照附图，将会理解本发明的上述和其他目的，结构上的特点和优点，同时，很明显，熟悉本发明所属的技术领域：
的专业人员可以对本发明作一些改进，变化和改动，但都不会脱离本发明的要点和所提出的权利要求
的范围。
为了更好地理解本发明，可参照下列附图图1(a)至图1(c)是根据本发明的冷却辊结构的剖视图;
图1(d)是本发明一个改进型的剖视图;
图2是普通冷却辊的结构的剖视图;
图3是一个曲线图，其中，对本发明的和先有技术的冷却辊表面热膨胀量进行了比较;
图4是一个曲线图，说明根据紧固长度和浇注宽度之间的关系，紧固长度对热凸度的影响。
首先，解释一下本发明的过程。
当熔融金属与冷却辊表面接触而快速凝固时，如果不把从熔融金属中传出的热量传送到冷却水中去，辊自身的温度将逐渐升高。最后，它将不可能冷却新注入的熔融金属。
所以，为了有效地冷却熔融金属，最好将辊设计成由辊基体和金属制的辊套组成的双重结构，中间形成一个内部水冷却结构，辊表面应用了一种金属，该金属具有较高的导热性而便于将热量导出，辊的外园周表面要便于在磨损时更换或修理。
本发明的目的在于防止由于热膨胀而产生的热凸度，其措施是使接触熔融金属的辊套在辊轴线方向上的膨胀基本上不受辊基体的限制(除中间部分之外)。
发明者的详细的分析表明由于热膨胀而使辊套外园周变形成桶状的这种热凸度是这样产生的由于在辊轴线方向的热膨胀在辊套和辊基体之间的边界上，或在辊套两端部被机械地阻止了，所以使辊套外园周向外凸出，而不是由于辊表面在辊轴线方向的温度分布不均匀而使辊轴线方向上的径向热膨胀量不同。
基于上述分析，本发明人最近研制了一种冷却辊结构，这种结构能遏制辊套在径向，即向辊套的外园周方面凸出来，其原理是不在辊轴线的两端限止辊套的轴向热膨胀，让它能向辊的轴线方向进行热膨胀，使得只有基本的径向热膨胀是朝着辊套外园周方面的。于是，就实现了本发明。
即，本发明涉及一种冷却辊，它适用于通过与下落的熔融金属流相接触，使其快速强制冷却并凝固，来生产快速凝固金属薄带材。这种冷却辊有一个辊基体和一个围绕辊基体柱形园周安装的辊套，并在辊套和辊基体之间形成冷却水通路，其特征是，辊套仅仅部分地紧固于辊基体上，在辊套端部用一种柔性结构与辊基体联接，使得由于热膨胀引起的辊套在辊轴方向的移动在辊套端部不受阻碍。最好将辊套的中间部分(约为金属辊套中部的1/3)用于辊套相对于辊基体的紧固部分。〔该术语“紧固部分(或长度)”用于整个说明书和权利要求
中，它是指辊套紧紧地固定在辊基体上的那一个部分(长度)〕。
下面，参照附图对本发明进行说明。
图1(a)至图1(c)表示本发明的冷却辊实施例的剖面结构。
标号1、2分别表示辊基体和辊套，它们可分别由铜或铜基合金制成。辊套2固定在辊基体1的外园周上。
辊套2通过热装之类的配合紧固在辊基体1的一部分上。例如，仅在图1中所示的中央部分“A”上。另一方面，辊套与辊基体在从“A”向着辊轴向端部延伸的“B”处相结合，以及在辊套端部的“C”处用一个柔性结构相结合，在这两处，辊套2与辊基体1都不接触。即用一个密封件3，例如O形圈或垫圈，来防止冷却水从辊套端部C漏出，同时，又可以与缓冲垫板4一起吸收辊套轴向的膨胀。密封件3由装在辊基体1端部的侧导板5支承。
标号6、7和8分别表示冷却水通道，熔融金属和浇注喷咀。
在图1(a)中，通过从辊套2的内园周向内凸出的两个突缘，使辊套2在中间部位紧固于辊基体的筒形园周上。在图1(b)中，辊套由一个内园突出部分紧套于辊基体上。在图1(C)中，环绕辊基体形成了冷却水通道，由两个突缘使辊套紧套在辊基体上。
作为一种紧固方法，与其他方法相比，使用热装最有利。然而，本发明不仅限于此。也可以用键或用机械方法将辊基体与辊套结合在一起。
为了防止热量通过辊套2的端面散逸到大气中，并使辊套轴向的温度分布均匀，最好如图1(a)所示，在辊套2的端面和侧导板5之间插入一个具有良好隔热作用的缓冲垫板4。作为隔热材料，最好用石棉或聚四氟乙烯(Teflon)。
图1(d)表示本发明的冷却辊的一个改进型，在该实施例中，冷却水通道设置在金属辊套内，而水从侧面送入和排出。在该实施例中，辊套也是用热装法。仅仅在中部紧固于辊基体上。
下面，参照试验数据，解释使用本发明的冷却辊时所取得的效果。
通过使用图1(a)所示的本发明辊套结构的冷却辊，和图2所示的普通冷却轧辊，在实际生产快速凝固薄带材中检测了两种冷却辊的热膨胀随时间的变化;其对照结果示于图3，此时，用于喷射熔融金属的喷咀窄缝的宽度和辊套宽度分别定为100毫米和150毫米。
在普通的热装结构的辊套中，辊套的中间部分和从其端部向中央15毫米处的热膨胀量之差，即热凸度，大约为220微米(μm)，辊套变成类似桶形。相反，当使用本发明的冷却辊时，该值减少到大约只有20微米。所以，按照本发明，其热凸度减少到小于一般情况下的1/10。
显然，本发明的对辊套轴向端部不加限制的方法，对于抑制冷却辊热凸度具有非常良好的效果。
本发明的意图是通过吸收辊套的轴向膨胀以消除热凸度。通过仅仅将辊套的一部分紧固在辊基体上，就可将热凸度减少到一个极小的值。
在先有技术中，通过送入不少于100米3/小时的大量冷却水的方法来提高排热效果，以降低辊的表面温度和减少热膨胀量，另一方面，根据本发明，即使把用于冷却辊套的冷却水量减少到与先有技术相比是非常小的水平时，例如，大约3-5米3/小时，这时热膨胀的绝对值就比较大了，但是，在辊套中间部分和端部的热膨胀的差，即热凸度，却比较小，所以最终产品的厚度差不超过2微米。如上所述，本发明还有这样一个优点，即不需要先有技术所必需的大量冷却水了。
另外，还发现，在这种冷却辊结构中，当在非约束区域内辊套隔板和辊基体外园周面之间的间隙小于1毫米时，冷却水优先流经冷却水通道，如果此间隙大于1毫米，就使得流经该间隙的冷却水量增加，以致冷却水难以再流经冷却水通道。所以，最好在冷却水隔板处，将辊套和辊基体之间的间隙限制在1毫米之内。另外，辊套轴向端部和侧导板之间的距离必须规定不小于(△T×α×L)/2，其中，△T，α和L分别代表辊套的最高温度、辊套线性热膨胀系数和辊套的轴向长度。如果能增加辊套端面密封件的宽度，那么该间距就可以任意增加。
其次，对紧固长度对热凸度的影响进行了检测，其结果示于图4，它反映了紧固长度和注入熔融金属宽度之间的关系。
从图4中可以清楚看出，当辊基体和辊套之间的紧固长度超过快速冷却薄带材的宽度的60%时，热凸度不能完全消除。例如，当以单辊方式生产100毫米宽的快速凝固金属薄带材，并且紧固长度超过薄带材宽度的60%时，热凸度为100微米或更大，产品厚度差为3微米或更大。
还发现，当生产宽度为200毫米或更宽的薄带材时，并且紧固长度超过100毫米时，即使紧固长度小于产品宽度的60%，热凸度也超过100微米。
所以，辊套和辊基体之间的紧固长度一般不要超过快速凝固金属薄带材宽度的60%，最宽约为100毫米。
如前所述，本发明不同于先有技术，其主要目的在于不限制辊轴向的热膨胀。本发明从这个观点出发进行了研究。通过使金属制的辊套的轴向端部基本上摆脱辊基体的限制，可以非常有效地减小热凸度，这时产品厚度的差别几乎可以减少到可以忽略的程度。
根据本发明，能使冷却辊表面轴向的温度分布一致，所以热凸度进一步减少了。因为，沿辊的轴线方向，辊的径向热膨胀量的分布均匀了。
更具体地说，要达到上述目的可以在辊套浇注部分稍微靠外的位置上切出实际上起隔热作用的深槽，如图1(b)所示，或者在金属制的辊套和侧导板之间插入一块象石棉板之类的隔热板参照下面的例子，可以更详细地对本发明进行说明。它仅仅是本发明的一个例子，而绝不能理解为对本发明范围的限制。
实施例1使用图1(a)所示结构的冷却辊，其中，辊套在辊轴向的长度是155毫米，中间部位的紧固长度是40毫米，采用单辊方法通过喷咀窄缝在150毫米的宽度上将熔融金属喷射到冷却辊表面上生产铁-硼-硅(Fe-B-Si)基非结晶合金薄带材。
在浇注期间，辊套外园周表面的热凸度(以中间部位和从端部向内15毫米处的热膨胀值的差表示)小至40微米。这时，薄带材的平均厚度为21微米，其纵向偏差为±1微米，厚度差小至2微米。
对照例1使用普通的冷却辊，其结构如图2所示，其中，辊套在辊的轴线方向长度为200毫米，辊套在冷却辊基体的除了冷却水通道以外的全部宽度上受到辊基体的约束，用与实施例1同样的方法生产铁-硼-硅(Fe-B-Si)基非结晶合金薄带材。
在浇注期间，辊外套园周表面的热凸度高达350微米。这时，生产出来的薄带材的厚度在宽度的中间部位是16微米，在其边缘部位是25微米，厚度差高达9微米。另外，还出现了大量穿透薄带材中间部分整个厚度的孔。
在上述实施例中，主要对辊套紧固于辊基体中间部位的情况作了介绍。然而，本发明并不特别局限于某一种紧固位置，只要能不使辊套在辊轴向的热膨胀受到限制就行。例如，已经证实，当辊套在离开端部1/4全长的位置上紧固于辊基体时，或者在靠近辊套端部进行紧固时，可以获得同样的效果。
如上所述，根据本发明，通过完全区别于先有技术的新方法，解决了生产快速凝固金属薄带材时，由于热凸度而使冷却辊发生的桶状变形问题，这种方法就是辊套的轴向端部基本上不受辊基体的约束，不使辊套轴向的热膨胀受到限制。于是，无须将辊的结构作复杂的改动，就能大大降低薄带材的厚度偏差。所以，可以在工业领域内取得巨大的效益。
权利要求
1.一种适用于通过与下落的熔融金属相接触而使其快速冷却和凝固来生产快速凝固金属薄带材的冷却辊，所述冷却辊有一个辊基体，和一个围绕辊基体筒形园周安装的辊套，并在辊基体和辊套之间形成冷却水通道，其特征在于辊套仅仅部分地紧固在辊基体上，辊套端部用一种柔性结构与辊基体联结，使得由于热膨胀引起的辊套在辊轴方向的移动在辊套端部不受阻碍。
2.如权利要求
1所述的冷却辊，其特征在于辊套紧固于辊基体的部分是辊套的中间部分。
3.如权利要求
1所述的冷却辊，其特征在于辊套紧固于辊基体的部位的长度小于快速凝固金属薄带材宽度的60%，并且快速凝固金属薄带材的宽度小于100毫米。
4.如权利要求
2所述的冷却辊，其特征在于，辊套紧固于辊基体的部位的长度小于快速凝固金属薄带材宽度的60%，并且快速凝固金属薄带材的宽度小于100毫米。
专利摘要
一种冷却辊，适用于通过与下落的熔融金属相接触而使其快速冷却和凝固来生产快速凝固金属薄带材。该冷却辊有一个辊基体和一个围绕在辊基体筒形圆周面安装的辊套，并在辊基体和辊套之间形成冷却水通道。辊套仅仅部分地紧固在辊基体上，辊套端部通过一柔性结构与辊基体相联结，该柔性结构使得由于热膨胀引起的辊套的轴向移动不在其端部受到阻碍。
文档编号B22D11/06GK87106180SQ87106180
公开日1988年5月11日 申请日期1987年9月5日
发明者佐藤徹, 森户延行, 小林真司 申请人:川崎制铁株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan