JP2015030903A

JP2015030903A - 磁石用合金製造装置

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Publication number: JP2015030903A
Application number: JP2013163154A
Authority: JP
Inventors: 杉山　岳文; Takefumi Sugiyama; 岳文杉山; 鈴木　寿穂; Kazuho Suzuki; 寿穂鈴木
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-02-16
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: JP6183598B2

Abstract

【課題】成分組成を正確に制御でき、小型でありながら生産効率の高い磁石用合金製造装置の提供。
【解決手段】基材金属を溶解し貯留する第１の溶解炉と、磁石用合金を調製するための第２の溶解炉と、第１の溶解炉から取り出された溶湯の一部を第２の溶解炉に移送するための移送手段と、保持した添加金属を第２の溶解炉に導く添加装置と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁石用合金を製造するための合金製造装置に関し、特に、蒸発しやすい合金成分を含む磁石用合金の製造に適した合金製造装置に関する。

ＮｄやＳｍなどの希土類元素を含む希土類磁石は、従来のフェライト磁石などと比較して、残留磁束密度や保持力に優れた高性能磁石として知られている。かかる希土類磁石の製造方法として、例えば、急冷凝固片を加圧焼結しバルク化する方法がある。詳細には、希土類元素を含む所定の成分組成の磁石用合金を溶解し、溶湯を水冷された回転ロール上に吹き付けて急冷凝固片を得る。これを粉砕してから加圧焼結するとバルク状の希土類磁石となるのである。単なる合金凝固片ではなく、急冷凝固片を加圧焼結することで、磁石の金属組織を微細化して磁気特性を高め得る。

例えば、特許文献１では、タンディッシュを含む単ロール法による希土類磁石用の急冷凝固片を得るための製造装置が開示されている。真空又は不活性ガス雰囲気の密閉空間内に、希土類元素を含む希土類磁石用合金を溶解させる誘導加熱式溶解炉と、溶湯を受けてこれを下流側の冷却ロールの表面へと注ぐためのタンディッシュと、高速で前方へ回転しこの上に注がれる溶湯を急冷するための冷却ロールとが収容されている。誘導式加熱炉は回転可能に支持されており、回転させて溶湯をタンディッシュに送ると、溶湯が冷却ロールの上に注がれる。冷却ロールの下流側の表面にはこれに接してスクレーパが設けられており、急冷凝固片が冷却ロールから剥離されて回収される。

また、特許文献２では、溶解炉からの溶湯を受けてタンディッシュへこれを流すための角筒状ラウンダを設けた単ロール法による希土類磁石用の急冷凝固片製造装置が開示されている。溶解炉及びタンディッシュはそれぞれ溶解室及び鋳造室の別室に設けられており、これらの間には仕切弁が設けられている。鋳造室側のラウンダは、仕切弁を開動作し溶解室側へ移動し、その端部に溶解炉からの溶湯を受ける。溶湯は底部の傾斜したラウンダに沿って流れ、反対側の端部からタンディッシュに流れこむ。その後、ラウンダは再び、鋳造室側に移動し仕切弁が閉動作する。溶解室及び鋳造室を開閉自在の仕切弁で区切ることで、鋳造室における操業状態に影響を受けず、溶解炉の補修等が可能となる。

ところで、より強力な希土類磁石を得るためには、磁石用合金の成分組成を正確に制御しつつ溶解し、不純物を巻き込むことなく成分組成を維持した凝固片を得ることが要求される。

例えば、特許文献３では、単ロール法による希土類磁石用の急冷凝固片製造装置において、冷却ロールの配置される室内の希ガス雰囲気圧とノズルの吐出圧とを調整して磁気特性の良好なＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石を安定して製造できることを開示している。Ｓｍは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石に用いられるＮｄなどと比べて蒸気圧が高く、合金溶湯が凝固する前に蒸発しやすく、ノズルから吐出され冷却ロール表面に到達するまでに蒸発し、またパドルからも蒸発してしまうこと、そのために製造される急冷合金の組成変動が生じることを述べている。

特開２０００−７９４４９号公報特開２００４−１５４７８８号公報特開２０００−１２４０１７号公報

希土類磁石の製造装置において、１バッチで溶解する磁石用合金の量を増やすことで、生産効率を高め、製造コストを抑制できる。その一方で、大型の溶解炉が必要となって、装置を大型化させてしまう。そこで、生産効率の高い小型の製造装置が求められている。

ここで、高性能な希土類磁石を安定して製造するためには、磁石用合金の成分組成を正確に制御できることが要求される。特に、Ｓｍのような蒸気圧の高い元素は蒸発しやすいため、磁石用合金の成分組成の正確な制御が難しい。

本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、蒸発しやすい合金成分を含む磁石用合金であってもその成分組成を正確に制御でき、しかも生産効率の高い小型の磁石用合金製造装置を提供することにある。

本発明による磁石用合金を製造するための合金製造装置は、基材金属を溶解し貯留する第１の溶解炉と、前記磁石用合金を調製するための第２の溶解炉と、前記第１の溶解炉から取り出された溶湯の一部を前記第２の溶解炉に移送するための移送手段と、保持した添加金属を前記第２の溶解炉に導く添加装置と、を含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、タンディッシュなどに供給するための調製された合金を長時間に亘って貯留せず、蒸発しやすい合金成分を含む磁石用合金であっても成分組成を正確に制御できるのである。また、バッチ式ではなく、連続式の第２の溶解炉によって磁石用合金を調製できて、小型の装置でありながら、高い生産効率を与えるのである。

上記した発明において、前記移送手段は、樋状容器であって、前記添加金属を導く経路の外から移動して来て、一端部を前記第１の溶解炉の近傍に配置させるとともに他端部を前記第２の溶解炉の直上に配置させ、前記第１の溶解炉から取り出された溶湯の一部がこの上を移動して前記第２の溶解炉に流し込まれるようにすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、基材金属を溶解し貯留する第１の溶解炉の大きさを確保しつつ、合金製造装置全体の大きさをコンパクトにできるのである。

上記した発明において、前記第１の溶解炉及び前記第２の溶解炉はそれぞれ独立した第１室及び第２室の内部に配置され、前記第１室及び前記第２室の間には開閉自在にシャッタを設け、前記移送手段はその前記一端部を開いた前記シャッタの内部を通過させて前記溶解炉の近傍に配置させるよう移動可能であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、第２の溶解炉の雰囲気を変化させることなく、順次、磁石用合金を調製でき、安定して多量の磁石用合金を製造できるから、コストを大幅に低減できるのである。

本発明による合金製造装置のブロック図である。第１溶解炉、第２溶解炉、タンディッシュにおけるタイムテーブルを示す図である。本発明による合金製造装置の１工程におけるブロック図である。本発明による合金製造装置の１工程におけるブロック図である。本発明による合金製造装置の１工程におけるブロック図である。本発明による合金製造装置の１工程におけるブロック図である。本発明による合金製造装置の１工程におけるブロック図である。本発明による他の合金製造装置のブロック図である。第１溶解炉、第２溶解炉、タンディッシュにおけるタイムテーブルを示す図である。

本発明の１つの実施例である希土類磁石用合金の製造装置について、図１を用いて説明する。

図１に示すように、磁石用合金製造装置１０は、その内部空間を真空又は不活性ガス雰囲気に雰囲気及びその圧力を制御可能な、第１室１１及び第２室１２を備える。第１室１１は側方に仕切弁としての開閉自在のシャッタ１５を有し、これを介して側方から第２室１２に接続されている。第１室１１はその内部に誘導加熱により金属を溶解可能な誘導加熱炉である第１溶解炉１を収容している。

第２室１２はその内部に第２溶解炉２、樋４、タンディッシュ５、冷却ロール６、及び、鋳片回収装置７を収容し、その外部上側には仕切弁１６を介して添加装置３を接続させている。第２溶解炉２は、第１溶解炉と同じく誘導加熱により金属を溶解する誘導加熱炉であるが、第１溶解炉１よりも溶解容量の小さな小型炉である。第２溶解炉２は、第１溶解炉１の溶湯の一部を移送、受湯し保持するが、小型炉であるため、調整した磁石用合金の溶湯を長時間貯留することなく全量を出湯し得る。詳細は後述する。

添加装置３は昇降可能に取り付けられたバケット３１を含み、その下部の仕切弁１６から第２室１２内にバケット３１を下降させて差し入れると、バケット３１の内部に保持した添加金属を落下させて第２溶解炉２に投入可能である。添加装置３により添加金属を第２溶解炉２に導くことで、第２溶解炉で磁石用合金の成分調整が可能となる。なお、添加装置３は、その内部を第２室１２の内部と同じ雰囲気に制御し、これにより仕切弁１６を開放させたときに第２溶解炉２の雰囲気を変化させないようにできる。

樋４は、その一端部である注入側端部４１に受けた溶湯を、他端部である排出側端部４２へと導き、排出側端部４２の底に設けられた排出口４３からその下方に排出させる樋状容器である。すなわち、樋４は注入側端部４１から排出側端部４２に向けて下方に傾斜した底部を有する。

樋４は、図示しないアクチュエータにより初期位置から水平に移動可能であって、第１溶解炉１から取り出された溶湯を第２溶解炉に移送させるための移送手段となる。つまり、樋４は、通常時、バケット３１の下降経路を含めた添加装置３から添加金属を導く経路、すなわち添加金属の落下経路に干渉しない初期位置に配置されている。一方、シャッタ１５を開動作させるとともに図示しないアクチュエータを作動させ、樋４を移動させる。樋４の注入側端部４１は、開放させたシャッタ１５の内部を通過し、第１室１１の内部へ進入し、第１溶解炉１の近傍に位置しこの移送位置で停止する（図６参照）。このとき、樋４の排出側端部４２の排出口４３は第２溶解炉２の真上に位置する。移送位置では、樋４の注入側端部４１に第１溶解炉１から出湯された溶湯を注ぎ、これを排出口４３から排出させて第２溶解炉２に流し込むことができるのである。このように、樋４は初期位置と移送位置との間で移動可能とされ、また添加装置３の動作に干渉することなく、全体の配置をコンパクトにしている。

タンディッシュ５は、耐火物製のるつぼであり、抵抗加熱によって内部に貯留した溶湯を加熱できる。また、タンディッシュ５は、第２溶解炉２から出湯された溶湯を受け得るように配置され、第２溶解炉２から溶湯の全量を出湯させてもこれを貯留できる容量、少なくとも第２溶解炉２と同等程度の容量を有する。タンディッシュ５は、貯留した溶湯を整流させ、底部の出湯口５１から冷却ロール６の表面へ注湯させ得る。

冷却ロール６は、銅合金等の高い熱伝導率の金属からなる冷却表面を有する水冷式回転ロールであって、図示しない駆動装置によってその回転を制御される。回転させた冷却ロール６の表面に溶湯を注ぐことで、溶湯が回転方向に導かれつつ急冷凝固され所定厚さの帯状の金属薄片を得られるのである。

鋳片回収装置７は、冷却ロール６によって得られた薄片を回収するための装置であり、スクレーパ７１と衝突板７２と回収容器７３とを含む。スクレーパ７１はブレード状の先端部を冷却ロール６の表面に近接させるように配置され、急冷された帯状の薄片を冷却ロール６から剥離させる。衝突板７２は、スクレーパ７１によって剥離した薄片を破砕しつつ回収容器７３内に落下させるための板状体であり、薄片を衝突させる主面を略鉛直に配置しスクレーパ７１に向けて取り付けられている。回収容器７３は、冷却ロール６から剥離された薄片を回収するための盆状容器であり、衝突板７２の下側に配置されている。

ところで、上記した磁石用合金製造装置１０は、希土類磁石用合金、特に、Ｓｍなどの蒸気圧の高い金属元素を含む希土類磁石用合金の製造に適している。ここで、蒸気圧の高い金属は、合金溶解工程後の凝固工程に供するまでの溶湯としての貯留時間が長いと、蒸発して合金の成分組成を変動させてしまう。そこで、蒸気圧の高い金属を追加添加するなどの成分組成の再調整が必要となって、生産効率を低下させてしまう。一方、成分組成の変動を防止するよう、合金溶解工程の溶湯量を少なくし凝固工程までの貯留時間を短くするなら、１バッチあたりの磁石用合金の生産量が低下する。故に、合金溶解工程を繰り返すことになって、やはり生産効率を低下させてしまうのである。

これに対し、磁石用合金製造装置１０によれば、樋４を介して大型の第１溶解炉１から小型の第２溶解炉２へ母合金（基材）溶湯を移送した上で、添加装置３により蒸気圧の高い金属を添加し成分組成を調製すると、直ちに、凝固装置である冷却ロール６にこれを供給できる。つまり、蒸気圧の高い金属を含む合金の第２溶解炉２内での貯留時間を短縮し、磁石用合金としての成分組成を変動させることなく、合金薄片を得られるのである。また、小型の第２溶解炉２からの１バッチあたりの磁石用合金の供給量は少ないものの、樋４を介して母合金溶湯を逐次移送させることにより、高い生産効率で合金薄片を得られる。更に、第２溶解炉２を小型化するとともに、樋４を移動可能とすることで、磁石用合金製造装置１０全体の大きさをコンパクトにし得るのである。なお、更なる詳細については後述する。

続いて、磁石用合金製造装置１０の動作について、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｚｒ−Ｃｏ系磁石のための合金の製造を例に、図２に沿って、図３乃至図７を併せて参照しつつ説明する。

ここで、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｚｒ−Ｃｏ系磁石は、ＦｅにＳｍ、Ｚｒ、Ｃｏを与えた合金によって製造される。このうち、Ｓｍは上記したように、蒸気圧の高い元素であり、Ｚｒは高温で溶解炉の炉壁などと反応して酸化物に変化しやすい元素である。つまり、所定の成分組成に調整された磁石用合金の溶湯であっても、長時間貯留すると、Ｓｍ及びＺｒの成分が変化してしまう。そこで、Ｓｍ及びＺｒを含む溶湯を第２溶解炉２に長時間貯留しないよう、第２溶解炉２の容量を小さく、しかも第２溶解炉２からの出湯に合わせてＳｍ及びＺｒの添加を行う。

図２に併せて図３を参照すると、まず、第１溶解炉１及び第２溶解炉２において初装溶解を行う（Ｓ１）。詳細には、それぞれの溶解炉において所定量のＦｅ及びＣｏを溶解させる。なお、必要に応じて真空精錬を行う。ここで、溶湯は、磁石用合金として成分調整前の母合金（基材）溶湯であって、上記したようなＳｍ及びＺｒを含有していない。一方、初装溶解の間に、第２溶解炉２に追装する所定量のＳｍ及びＺｒを添加金属３９として添加装置３内のバケット３１に保持させる。

続いて、図４を参照すると、第２溶解炉２においてＳｍ及びＺｒの追装溶解を行う（Ｓ２）。詳細には、まず、第２室１２の内部及び添加装置３の内部を不活性ガス雰囲気で満たし圧力制御する。次いで、仕切弁１６を開いてバケット３１を降下させ、第２溶解炉２の上部から添加金属３９を落下させて、母合金溶湯にＳｍ及びＺｒを添加する。添加を完了したら、バケット３１を上昇させて元の位置に戻し、仕切弁１６を閉塞する。これにより、磁石用合金として成分調整された溶湯が第２溶解炉２内に得られる。

次いで、図５を参照すると、第２溶解炉２を傾動させて内部の溶湯の全量を出湯し、タンディッシュ５に注ぐ（Ｓ３）。上記したように、第２溶解炉２は小型炉であるため、磁石用合金として成分調整された溶湯を長時間貯留することなくタンディッシュ５にその全量を出湯できる。受湯したタンディッシュ５は、出湯口５１から冷却ロール６の表面への注湯を開始する。冷却ロール６は、予め回転させておき、受けた溶湯を回転方向に伸展させつつ急冷させ、帯状の薄片を形成していく。かかる薄片は、冷却ロール６の回転により、スクレーパ７１の先端部に到達して冷却ロール６の表面から剥離され、その慣性力により飛翔して衝突板７２に衝突する。衝突板７２に衝突した薄片はその衝撃により粉砕されつつ回収容器７３内に落下する。すなわち、ストリップキャスト法によって、所定の成分組成の希土類磁石用の急冷薄片を得られるのである。出湯の終わった第２溶解炉２はその傾きを元に戻される。

続いて、図６を参照すると、第２溶解炉２において母合金溶湯の受湯を行う（Ｓ４）。詳細には、第１室１１の内部を第２室１２の内部と同様に不活性ガス雰囲気に圧力制御した上で、シャッタ１５を開く。これにより第２室１２の内部の雰囲気は変化しない。樋４はその初期位置から注入側端部４１を開放されたシャッタ１５の内部を通過させて移送位置まで移動する。ここで、第１溶解炉１を傾動させ、母合金溶湯の一部を出湯する。かかる溶湯は樋４の注入端部４１に注がれ、樋４の底部の傾斜によって排出側端部４２側に導かれ、排出口４３から第２溶解炉２に流し込まれる。所定量の溶湯を第２溶解炉２に移送させたら、第１溶解炉の傾きを元に戻すとともに、樋４を初期位置に戻し、シャッタ１５を閉鎖させる。なお、最初の追装溶解（Ｓ２）の後、ここまでの間に、添加装置３のバケット３１内に次回に追装する所定量のＳｍ及びＺｒを添加金属３９として保持させておく。

続いて、図７を参照すると、上記したＳ２と同様に、第２溶解炉２において添加金属の追装溶解を行う（Ｓ５）。すなわち、添加装置３により添加金属３９を第２溶解炉２の母合金溶湯に落下させ、Ｓｍ及びＺｒを添加するのである。かかる追装溶解により、第２溶解炉２では、磁石用合金として成分調整された溶湯を再度得られる。なお、タンディッシュ５は、最初の受湯からここまでの間、溶湯を貯留しつつ冷却ロール６への注湯を継続させている。

再び図５を参照すると、第２溶解炉２を傾動させて溶湯の全量を出湯しタンディッシュ５に注ぐ（Ｓ６）。このとき、タンディッシュ５は、冷却ロール６への注湯を継続させつつ新たに調整された合金を受湯し、合金を出湯口５１から冷却ロール６の表面へ連続して注湯できる。

以後、第２溶解炉２において、母合金溶湯の受湯（Ｓ７）、添加金属の追装溶解（Ｓ８）、溶湯の全量出湯（Ｓ９）を同様に繰り返す。かかる繰り返しは、第１溶解炉１に保持された母合金溶湯が尽きるまで可能である。つまり、小型の第２溶解炉２を連続式の溶解炉として用いることができ、所定の成分組成の希土類磁石用の急冷薄片を連続して得ることができるのである。

以上、本実施例によれば、第１溶解炉１から母合金溶湯の一部を第２溶解炉２へ移送し、第２溶解炉２において磁石用合金の成分調整を行って、直ちに、タンディッシュ５へこれを与える。これにより、成分調整された溶湯を長時間に亘って貯留することがない。そのため、蒸発しやすいＳｍや反応性の高いＺｒなどの元素を含む溶湯であっても、その成分組成を正確に制御できる。なお、Ｓｍ以外にも、時間とともに溶湯中での成分を変化させやすい元素、例えば、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｌｉなどを添加金属３９として添加する合金の製造においても同様に使用できる。

また、初期位置から移送位置まで移動する樋４によって、母合金溶湯の移送手段をコンパクトにできて、第１溶解炉１の大きさを確保しつつ磁石用合金製造装置１０の全体の大きさをコンパクトにできる。一方で、上記したように、第１溶解炉１から母合金溶湯の一部を逐次、小型の第２溶解炉２へ移送し連続式の溶解炉として使用することで、コンパクトながら高い生産効率を得られる。

さらに、第２室１２とは別室として与えられる第１室１１の内部に第１溶解炉１を設けこれらの間にシャッタ１５を与えたので、第２溶解炉２の雰囲気を変化させることなくシャッタ１５を開閉し、順次、磁石用合金を調整できる。つまり、安定した成分組成の磁石用合金を連続して製造でき、製造コストを大幅に低減できる。

また、図８に示すように、添加装置３’を第１室１１に設け、母合金となる金属（Ｆｅ、Ｃｏ）を第１溶解炉１に追装できるようにすることもできる。この場合、図９に示すように、第１溶解炉１から一部出湯（Ｓ４、Ｓ７）を行った後（Ｓ５、Ｓ８）に母合金となる金属の追装溶解を行い得る。すなわち、安定してより多量の磁石用合金を製造でき、生産効率をより向上させ得る。

なお、本実施例では、ストリップキャスト法により磁石用合金の薄片を製造したが、例えばメルトスピニング法により連続薄帯を製造する装置などの各種の凝固装置により磁石用金属片を得ることができる。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。例えば、固定された樋４なども採用し得る。

１第１溶解炉
２第２溶解炉
３添加装置
４樋
５タンディッシュ
６冷却ロール
７鋳片回収装置
１０磁石用合金製造装置

Claims

磁石用合金を製造するための合金製造装置であって、
基材金属を溶解し貯留する第１の溶解炉と、
前記磁石用合金を調製するための第２の溶解炉と、
前記第１の溶解炉から取り出された溶湯の一部を前記第２の溶解炉に移送するための移送手段と、
保持した添加金属を前記第２の溶解炉に導く添加装置と、を含むことを特徴とする合金製造装置。
前記移送手段は、樋状容器であって、前記添加金属を導く経路の外から移動して来て、一端部を前記第１の溶解炉の近傍に配置させるとともに他端部を前記第２の溶解炉の直上に配置させ、前記第１の溶解炉から取り出された溶湯の一部がこの上を移動して前記第２の溶解炉に流し込まれるようにすることを特徴とする請求項１記載の合金製造装置。
前記第１の溶解炉及び前記第２の溶解炉はそれぞれ独立した第１室及び第２室の内部に配置され、前記第１室及び前記第２室の間には開閉自在にシャッタを設け、前記移送手段はその前記一端部を開いた前記シャッタの内部を通過させて前記第１の溶解炉の近傍に配置させるよう移動可能であることを特徴とする請求項１記載の合金製造装置。