(57)【要約】【課題】家庭紙用として適当な硬さを有してドクタリングに対して耐摩耗性に優れ、乾燥された紙が剥離されやすく、シェルと鏡板の接合部に応力や熱応力が集中することなく、全体重量を軽くした省エネルギー型のヤンキーシリンダーを提供する。【解決手段】抄紙の乾燥装置であって、円筒状のシェルが鋳鉄を用いて作製され、前記シェルの両端に設けられた鏡板が鋼を用いて作製されたヤンキーシリンダーを備えたことを特徴とする乾燥装置である。前記鋳鉄は、成分組成（成分組成は以下ｍａｓｓ％である）として、Ｃ：２．８〜３．２、Ｓｉ：１．２〜２．８、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｃｒ：０．２〜０．８、Ｎｉ：１．０〜３．０、Ｍｏ：０．２〜０．８を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
抄紙の乾燥装置であって、円筒状のシェルが鋳鉄を用いて作製され、前記シェルの両端に設けられた鏡板が鋼材を用いて作製されたヤンキーシリンダーを備えたことを特徴とする乾燥装置。
【請求項２】
前記鋳鉄は、成分組成（成分組成は以下ｍａｓｓ％である）として、Ｃ：２．８〜３．２、Ｓｉ：１．２〜２．８、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｃｒ：０．２〜０．８、Ｎｉ：１．０〜３．０、Ｍｏ：０．２〜０．８を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする請求項１に記載の乾燥装置。
【請求項３】
前記鋳鉄は、成分組成（成分組成は以下ｍａｓｓ％である）として、Ｃ：２．８〜３．２、Ｓｉ：１．２〜２．８、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｃｒ：０．２〜０．８、Ｎｉ：１．０〜３．０、Ｍｏ：０．２〜０．８、Ｃｕ：０．２〜２．５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする請求項１に記載の乾燥装置。
【請求項４】
前記シェルの作製に用いる前記鋳鉄と、前記鏡板の作製に用いる前記鋼材との２０〜２００℃における平均熱膨張係数の差が、０．５×１０−６／℃以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の乾燥装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抄紙機におけるヤンキードライヤーに関する。特に、ティッシュペーパー、トイレットペーパー、紙タオルなどの家庭用薄葉紙（以下、「家庭紙」と称する。）乾燥用のヤンキードライヤーに用いられるヤンキーシリンダーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭紙を工業的規模で生産する際、抄紙設備の乾燥用としてヤンキードライヤーが用いられる。ヤンキードライヤーの主装置はヤンキーシリンダーであり、図４に概略図の一例を示した。ヤンキーシリンダー５１の外観は円筒形状である。ヤンキーシリンダー５１の円筒外周部であるシェル５３は、直径が２〜５ｍであり、幅は１〜４ｍ程度のものが製作されている。
【０００３】
ヤンキーシリンダー５１は、乾燥のため内部に高圧蒸気が導入される。ヤンキーシリンダー５１の外側は、高温の熱風にさらされ、かつプレッシャロールで高圧を加えて運転される。そのため、ヤンキーシリンダー５１の製作にあたっては、安全面や操業面での信頼性と生産性を確保するために、材質や構造面で極めて高度な品質特性の要求に対応する必要がある。
【０００４】
ヤンキーシリンダー５１は、従来鋼又は鋳鉄のいずれかを用いて製造される。シェル５３の両端部に設けられる鏡板５５については、シェル５３と鏡板５５との接合部５７において熱膨張係数の差による応力や熱応力が発生しやすいので、シェル５３と同材質の材料が使われる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１８４６９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ヤンキーシリンダーの具備すべき条件を列記すると、以下の例が挙げられる。
▲１▼シェル材は均一で、硬さむらがなく、ピンホール等の欠陥がない。
▲２▼熱伝導が良く、ヒートロスが少ない。
▲３▼使用条件に対して十分な強度を有している。
▲４▼ドクタリングに対しての耐磨耗に優れている。
▲５▼熱応力による熱変形が小さい。
▲６▼乾燥された紙が剥離されやすい。
▲７▼メンテナンスが容易である。
▲８▼均一で平滑な表面仕上げを維持する。
【０００７】
シェル及び鏡板に鋳鉄を用いて作製したヤンキーシリンダーは、家庭紙の製造工程の湿紙乾燥用ヤンキードライヤーに数多く用いられている。鏡板材に鋳鉄を用いた場合には、強度を確保するために肉厚を増す必要がある。肉厚を増すとヤンキーシリンダー全体の重量が増えるため、ヤンキーシリンダーを回転させるための駆動装置に多大のエネルギーが消費されていた。また、鏡板の肉厚を増すことによってその分シェル幅が短くなり、そのため乾燥可能な紙幅が狭くなって効率が悪くなるという欠点もあった。
【０００８】
そのため、本発明は、家庭紙用として適当な硬さを有してドクタリングに対して耐摩耗性に優れ、乾燥された紙が剥離されやすく、シェルと鏡板の接合部に応力や熱応力が集中することなく、全体重量を軽くした省エネルギー型のヤンキーシリンダーを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため本発明の第１の態様は、抄紙の乾燥装置であって、円筒状のシェルが鋳鉄を用いて作製され、前記シェルの両端部に設けられた鏡板が鋼材を用いて作製されたヤンキードライヤーを備えたことを特徴とする乾燥装置である。
【００１０】
本発明の第２の態様は、前記鋳鉄は、成分組成（成分組成は以下ｍａｓｓ％である）として、Ｃ：２．８〜３．２、Ｓｉ：１．２〜２．８、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｃｒ：０．２〜０．８、Ｎｉ：１．０〜３．０、Ｍｏ：０．２〜０．８を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする乾燥装置である。
【００１１】
本発明の第３の態様は、前記鋳鉄は、成分組成（成分組成は以下ｍａｓｓ％である）として、Ｃ：２．８〜３．２、Ｓｉ：１．２〜２．８、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｃｒ：０．２〜０．８、Ｎｉ：１．０〜３．０、Ｍｏ：０．２〜０．８、Ｃｕ：０．２〜２．５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする乾燥装置である。
【００１２】
本発明の第４の態様は、前記シェルの作製に用いる前記鋳鉄と前記鏡板の作製に用いる前記鋼材との２０〜２００℃における平均熱膨張係数の差が、０．５×１０−６／℃以下であることを特徴とする乾燥装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下に説明する。本発明の乾燥装置は、抄紙の乾燥装置であって、円筒状のシェルが鋳鉄を用いて作製され、前記シェルの両端に設けられた鏡板が鋼材を用いて作製されたヤンキーシリンダーを備えたことを特徴とする。
【００１４】
図１に本発明の実施の形態に係るヤンキーシリンダー１の断面略図を示した。ヤンキーシリンダー１は外観は円筒形状であり、円筒外周部のシェル３とシェル３の両端部に設けられる鏡板５とは、接合部７で、例えばボルトで接合されている。
【００１５】
湿紙の乾燥は、ヤンキーシリンダー１をシャフト１５、１７で支持して回転させながら、加熱されたシェル部表面等に接触させる等の方法により脱水させて行う。そのため、ヤンキーシリンダー１の内部９には、蒸気入口１１から高圧の蒸気が図示しない配管を通して導入される。加熱後の蒸気ドレンはやはり図示しない配管を通してドレン口１３から排出される。
【００１６】
なお、図示していないが、ヤンキーシリンダーの熱効率を向上させるため、円筒内部９に内筒を設けて二重構造としても良い。また、図示していないが、乾燥効率を上げるために、シェル３外部を高温の熱風にさらすこともある。
【００１７】
ヤンキーシリンダー１については、導入される蒸気が、例えば１００〜２００℃以上、圧力が０．２ＭＰａから１．１ＭＰａと高温高圧であること、自身が回転していること等により、シェルの円周方向に引張応力が生じる。また、ヤンキーシリンダーの各所に生じた温度差による温度勾配により、あらゆる方向への曲げ応力が生じ、プレスロールの線圧により主として半径方向への曲げ応力が生じる。さらに、プレスロールの加圧によるヤンキーシリンダーの変形も考慮する必要がある。
【００１８】
家庭紙の場合には、ヤンキーシリンダー表面は、湿紙を極めて短時間で所定水分量を乾燥させる機能と同時に、表面から剥離させる時に均一なクレープを付与する機能が要求される。そのため、使用する蒸気の圧力を上げてシェル表面の温度を高くする必要があり、材料強度も高める必要がある。肉厚を厚くするか又は合金を添加して強度を高めると蒸気圧を上げることができるので、乾燥用蒸気温度を高温にできる。材料が鋳鉄の場合には、黒鉛が晶出して紙の剥離性が良くなる利点がある。
【００１９】
そこで、ヤンキーシリンダーの円筒状のシェルを鋳鉄で作製し、シェルの両端部に設けられた鏡板を前記の鋳鉄より強度の高い鋼材を用いて作製することとした。その結果、鏡板を強度の低い鋳鉄で作製する場合のように強度確保のために肉厚を増す必要がなく、全体重量が軽くなって駆動用のエネルギー消費量が減ることになる。また、シェル幅が狭くなって乾燥紙幅も狭くなるという欠点も解消できる。
【００２０】
例えば、従来シェルおよび鏡板を鋳鉄（ＦＣ３００）製としていたものを、鏡板部分を鋼（ＳＳ４００）製に置き換えた場合、厚みは約５０％削減でき、その結果ヤンキーシリンダーの総重量は１０〜３０％削減できる。
【００２１】
通常ヤンキーシリンダー表面には、紙を掻きとってクレープをつけるためのクレープドクターが摺動している。このため、クレープドクターの接触負荷がセル表面を摩耗させて損傷させる要因ともなっている。この磨耗による損傷が生じると、湿紙を均一に乾燥できなくなるので、品質に欠陥を与えることになる。
【００２２】
磨耗したヤンキーシリンダーの表面は研削加工によって修正されるが、長期間にはシェル肉厚が減少するので、ドライヤー寿命は短くなる。そのため、ヤンキーシリンダー表面の耐磨耗性は重要な特性である。
【００２３】
従って、本発明では、ヤンキーシリンダーの円筒状のシェルを鋳鉄を用いて作製する。鋳鉄は、成分組成（成分組成は、以下ｍａｓｓ％である。）として、Ｃ：２．８〜３．２、Ｓｉ：１．２〜２．８、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｃｒ：０．２〜０．８、Ｎｉ：１．２〜３．０、Ｍｏ：０．２〜０．８を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である。
【００２４】
また、本発明では、鋳鉄は、成分組成（成分組成は、以下ｍａｓｓ％である。）として、Ｃ：２．８〜３．２、Ｓｉ：１．２〜２．８、Ｍｎ：０．８〜２．２、Ｃｒ：０．２〜０．８、Ｎｉ：１．２〜３．０、Ｍｏ：０．２〜０．８、Ｃｕ：０．２〜２．５％含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする。
【００２５】
上記成分組成とすることにより、本発明の目的である、シェルを鋳鉄とし、鏡板を鋼材とする構造のヤンキーシリンダーを作製することができ、また所望のシェル表面の硬さ（以下本体の硬さという）と強度を有する鋳鉄を得ることができる。ここで、所望の本体の硬さは、ＨＳ（ショア硬さ）値が３６〜４４であり、所望の引張強さは３００Ｎ／ｍｍ２以上である。
【００２６】
以下に、本発明における化学成分等の限定理由について説明する。
Ｃ：２．８〜３．２％  Ｃは硬質の炭化物を形成して耐磨耗性の向上に寄与するとともに、黒鉛を晶出して、紙の剥離性を高めるために必要な元素である。その含有量が２．８％未満ではその効果がなく、また、３．２％を超えて添加すると靭性が低下する。従って、添加量は２．８〜３．２％の範囲とする。
【００２７】
Ｓｉ：１．２〜２．８％  Ｓｉは、黒鉛促進元素であると共に、鋳造性を改善する効果がある。その含有量が１．２％未満ではその効果がなく、また、２．８％を超えて添加すると黒鉛が多く析出するので硬さが低下する。従って、Ｓｉの添加量は１．２〜２．８％の範囲とする。
【００２８】
Ｍｎ：０．８〜２．２％  一般的にＭｎは、脱酸、脱硫作用を有しており、また、パーライト化を促進する元素である。本発明では、Ｍｎの添加は、鋳鉄の熱膨張係数を大きくし、鋼の熱膨張係数との差の調整に大きな役割を果たす。（即ち、Ｍｎを０．１％添加すると熱膨張係数が約０．１１×１０−６／℃増加する。）その含有量が０．８％未満ではその効果がなく、また、２．２％を超えて添加すると靭性が劣化する。従って、Ｍｎの添加量は０．８〜２．２％の範囲とする。
【００２９】
Ｃｒ：０．２〜０．８％  Ｃｒは、硬質の炭化物を形成する元素であり、フェライトの析出を抑え、パーライトの析出を助長、且つ促進するので強度を向上させる作用を有するが、０．２％未満ではその効果がなく、また、０．８％を超えて添加するとチル化を招く。従って、Ｃｒの添加量は０．２〜０．８％の範囲とする。
【００３０】
Ｎｉ：１．０〜３．０％  Ｎｉは、黒鉛化促進元素であり、材料強度を向上する元素である。１．０％未満ではその効果がなく、また、３．０％を超えて添加すると、残留オーステナイトが生成し、熱応力が発生しやすい。従って、添加量は１．０〜３．０％の範囲とする。
【００３１】
Ｍｏ：０．２〜０．８％  Ｍｏは、基地組織中に固溶して基地を強化するため、耐磨耗性の向上に有効な元素である。０．２％未満ではその効果がなく、また、０．８％を超えて添加すると引け巣が発生しやすい。従って、添加量は０．２〜０．８％の範囲とする。
【００３２】
Ｃｕ：０．２〜２．５％  Ｃｕは強いパーライト形成元素であり、特にＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏと同時に添加する場合、基地の強化促進効果が著しい。０．２％未満ではその効果がなく、２．５％を越えると脆性になる。従って、添加量は０．２〜２．５％の範囲とする。本発明では、特にシェルの肉厚が厚い場合には１．０〜１．５％とするのが望ましい。
【００３３】
上記の成分で製造された鋳鉄のヤンキーシリンダーは、炭化物と黒鉛が共存することにより、耐摩耗性に優れ、シェル寿命が長く、また剥離性に優れるため、高品質の家庭紙を製造できる。
【００３４】
本発明では、鋳鉄の引張強さを３００Ｎ／ｍｍ２以上とすることにより、高圧容器の基準を満足することができる。
【００３５】
また、本発明では、本体の硬さＨＳを３６〜４４の範囲に保つことにより、ヤンキーシリンダー表面の耐磨耗性を好適とすることができる。本体の硬さＨＳが３６未満であると摩耗による損傷が生じ易くなり、本体の硬さＨＳが４４を超えると熱伝達係数が減少する。そのため、本体の硬さＨＳを３６〜４４の範囲とすることが望ましい。なお、硬さはＪＩＳ  Ｚ  ２２４６（ショア硬さ試験−試験方法）に準じて求めることができる。
【００３６】
また、本発明では、ヤンキーシリンダーのシェルの作製に用いる鋳鉄と、鏡板の作製に用いる鋼材との２０〜２００℃における平均熱膨張係数の差が、０．５×１０−６／℃以下であることを特徴とする。
【００３７】
本発明では、ヤンキーシリンダーの円筒状のシェルを鋳鉄で作製し、シェルの両端部に設けられた鏡板を鋼材で作成する。鏡板の熱膨張とシェルの熱膨張は、膨張方向の軸が異なること、また、シェルと鏡板との材料特性が異なっている場合には、相互の熱膨張係数が異なることから、応力は接合部に集中することになる。応力が集中すると場合によっては、思わぬ障害が発生することも予想される。そのため、本発明では、シェルおよび鏡板に使用する部材の２０〜２００℃での平均熱膨張係数の差が０．５×１０−６／℃以下であるように選定した。
【００３８】
例えば、本発明材であり、後述する実施例の発明材のＮｏ．１に示した材料（合金ＦＣ３００材と呼称する）については、化学成分の値（ｍａｓｓ％）は、例えば、Ｃ：３．１９％、Ｓｉ：１．７１％、Ｍｎ：１．９１％、Ｃｒ：０．６１％、Ｎｉ：２．４２％、Ｍｏ：０．６２％である。この材料の２０〜２００℃の平均熱膨張係数は１２．６×１０−６／℃である。
【００３９】
また、後述する実施例の従来材のＮｏ．１４に示した、ＪＩＳ  Ｇ  ３１０１に規定するＳＳ４００材については、化学成分の値（ｍａｓｓ％）は、Ｃ：０．１８％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：０．４９％である。この材料の２０〜２００℃の平均熱膨張係数は１２．８×１０−６／℃である。
【００４０】
例えば、上記合金ＦＣ３００材でシェルを作製し、上記ＳＳ４００材で鏡板を作製する場合に、シェル、鏡板、接合部の構造等から実際の操業時における応力を応力解析により求めることができる。
【００４１】
ヤンキーシリンダーには、導入される高温高圧蒸気、自身が回転していること等により、生じるシェル円周方向への引張り応力、また、各所の生じた温度差による曲げ応力、プレスロールの線圧による円周方向への曲げ応力、プレスロールの加圧によるヤンキーシリンダーの変形も考慮する必要がある。応力解析によるシェル３および鏡板５の変形量の計算例を図２に示した。解析方法は有限要素法を用いて行なう。図２は、シェル３と鏡板５の変形解析例を示したもので、均一で一様の変位分布となっている。
【００４２】
応力解析の結果、シェル材と鏡板材との２０〜２００℃における平均熱膨張係数の差を０．５×１０−６／℃以下とすると、接合部において応力が発生しにくく、変形量が小さくなり、安全上問題なく使用できることがわかった。
【００４３】
【実施例】
以下実施例に基づき本発明を具体的に述べる。低周波電気炉を用い、図３としての表１に示した成分組成で残部が鉄及び不可避不純物からなるように溶解し、フラン造型、鋳込み温度１３６０℃で、長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ８０ｍｍの模擬試験片を鋳造し、引張試験、硬さ試験及び２０〜２００℃における平均熱膨張係数の測定を行った。
【００４４】
引張試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０１に規定する８号試験片を採取して行った。硬さ試験は、模擬試験片表面の硬さ（本体の硬さ）についてショア硬さ試験方法によって行った。平均熱膨張係数は、模擬試験片から機械加工により採取した直径８ｍｍ、長さ５０ｍｍの熱膨張試験片について押棒式横型熱膨張計を用いて測定して求めた。
【００４５】
試験結果は、表１にまとめて示した。表１のＮｏ．１〜４が本発明材であり、Ｎｏ．５〜１２は本発明範囲外の比較材である。また、従来材のＦＣ３００材についてはＮｏ．１３、ＳＳ４００材についてはＮｏ．１４示した。
【００４６】
表１から明らかなように、本発明材の引張強さはいずれも３００Ｎ／ｍｍ２以上であり、高圧容器の基準を十分満足している。
【００４７】
また、本発明材の本体の硬さはＨＳ３９〜４３である。従来材であるＦＣ３００材の硬さのＨＳ３０、及びＳＳ４００材の硬さのＨＳ２２に較べてはるかに高い値を示しており、ドクタリングに対して耐磨耗性に優れている。
【００４８】
また、本願発明材の平均熱膨張係数の値は１２．４〜１２．８（１０−６／℃）である。従来材であるＳＳ４００材の値である１２．８（１０−６／℃）に較べ平均熱膨張係数の差は０．５（１０−６／℃）以内であり、ヤンキーシリンダーに十分使用可能である。
【００４９】
次に、図１に示したようなヤンキーシリンダーを作製した。シェルは本発明材を用い、鏡板にはＳＳ４００材を用いた構造で、外形を３６６０ｍｍ、長さを３０００ｍｍ、シェル肉厚を６３ｍｍ、鏡板肉厚を４０ｍｍとした。製作したヤンキーシリンダーを用い、回転させながらシェル表面温度を１７０℃、周速度７００〜２０００ｍ／ｍｉｎ．にして乾燥試験を行った。水蒸気圧力は０．９８ＭＰａとし、ヤンキーシリンダーの内側を加熱した。
【００５０】
その結果、加熱中の変形、及びドクタリングによるシェル表面の磨耗損傷は発生しておらず、湿紙が均一に乾燥されており、紙品質は良好であった。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の乾燥装置は、シェルを鋳鉄構造としたので、家庭紙用としてドクタリングがよく、また、鏡板を鋼構造としたので全体重量が軽くなり、省エネ効果を発揮できた。また、乾燥できる紙幅も広くなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における、ヤンキーシリンダーの断面略図である。
【図２】ヤンキーシリンダーの応力解析による変形量の計算結果の一例である。
【図３】表１であり、本発明、比較例、従来例の成分組成および試験結果等一覧表である。
【図４】ヤンキーシリンダーの参考図である。
【符号の説明】
１  ヤンキーシリンダー
３  シェル
５  鏡板
７  接合部
９  ヤンキーシリンダー内部
１１  蒸気導入部
１３  蒸気ドレン部
１５  シャフト
１７  シャフト
５１  ヤンキーシリンダー
５３  シェル
５５  鏡板
５７  接合部
【図１】
2005009051.tif 000002
【図２】
2005009051.tif 000003
【図３】
2005009051.tif 000004
【図４】
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