JP2021074750A - 溶湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶湯を急冷するプロセスに用いた際でもノズル詰まりが生じ難く、安定的に出湯を行うことが可能な溶湯装置を提供する。【解決手段】溶湯装置１０は、溶湯を貯溜する貯湯容器２０と、貯湯容器２０の底部２１に設けられた出湯ノズル３０と、を備えている。溶湯装置１０は出湯ノズル３０の吐出開口３９を除く下面３８ａの少なくとも一部を覆う第１の断熱部材４３を備え、出湯ノズル３０の下面３８ａからの放熱を抑制する。【選択図】 図１

Description

この発明は、溶湯を急冷して金属薄帯を製造する際に使用して好適な溶湯装置に関する。

磁石の原料粉末を製造するプロセスでは、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ロール急冷法などを用いて溶湯を急冷し、微細結晶組織の金属薄帯を製造する。例えば、ロール急冷法では、貯湯容器に貯溜された金属の溶湯を、貯湯容器の底部に設けられた出湯ノズルから出湯し、出湯された溶湯を出湯ノズルの下方に配設された冷却ロールとの接触により急冷凝固させて金属薄帯を得る。このようなロール急冷法では、溶湯が出湯ノズル内部の細孔部分であるオリフィス部を通過する際に凝固して、ノズル詰まりが生じる問題があり、ヒータを用いて出湯ノズルのオリフィス部を事前に予熱することが行われていた。

オリフィス部が設けられている出湯ノズルの下面近傍は、輻射や下方に位置する冷却ロールの回転に伴う風などにより放熱が促進されるため、出湯ノズルの中心部に比べて温度の低下が大きい。また出湯ノズルの下面近傍は、構造的に、出湯ノズルに埋設されたヒータからは離れた位置とならざるを得ず、ヒータを用いて効率的に加熱することが難しい。一方で、ノズル詰まりを防止するためヒータの熱量を過度に高めることは、ノズルの溶損や過負荷によるヒータトラブルに繋がり易く、操業停止のリスクを高めてしまう。このため、溶湯を貯溜する貯湯容器と、貯湯容器の底部に設けられた出湯ノズルと、を備えた溶湯装置においては、安定的に出湯を行うための更なる改善が望まれていた。

尚、本発明に関する先行技術として、下記特許文献１には「金属溶融装置」についての発明が示され、そこにおいて坩堝およびその底部に設けられたノズルの周囲に多孔質断熱材を配設し、かかる多孔質断熱材を、坩堝の周囲に配設したコイルによる誘導加熱によって加熱し、ノズルを保温するようになした点が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載のものはノズルの下面が露出しており、特許文献１にはノズル下面からの放熱を抑制するための具体的な構成は示されていない。

また特許文献２には「広幅急冷凝固薄帯製造方法」についての発明が示され、そこにおいて金属を加熱・溶解する際に、開口を含むノズル先端部を断熱材で覆い、ルツボ内の金属が溶解した後、ノズル先端部を覆う断熱材を外して出湯を行うようになした点が開示されている。この特許文献２に記載のものは、予熱効率が高められるものの、出湯の際に断熱材が外されるため、出湯中は輻射や冷却ロールの回転に伴う風などにより予熱温度対比の冷却が進行してしまう問題がある。

特開２０１５−１３５２０９号公報 特開平０７−２０４７９９号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、溶湯を急冷するプロセスに用いた際でもノズル詰まりが生じ難く、安定的に出湯を行うことが可能な溶湯装置を提供することを目的としてなされたものである。

而して本発明は、溶湯を貯溜する貯湯容器と、該貯湯容器の底部に設けられた出湯ノズルと、を備えた溶湯装置において、前記出湯ノズルの吐出開口を除く下面の少なくとも一部を覆う第１の断熱部材を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、予熱時および出湯時の何れにおいても、出湯ノズルの下面を覆う第１の断熱部材により、出湯ノズルの下面からの放熱が抑制される。従って、出湯ノズルの下面近傍に位置するオリフィス部での温度低下が抑えられ、ノズル詰まりの発生を抑制することができる。

本発明では、前記第１の断熱部材を多孔質セラミックスとすることができる。
多孔質セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、シリカ等が挙げられる。また、これらを混合したものであってもよい。また多孔質セラミックスは、全体積に占める空孔の体積の割合を示す気孔率が、２０％〜３０％の範囲内であるものを使用することが望ましい。

また本発明では、前記出湯ノズルの側面を覆う第２の断熱部材を更に備え、該第２の断熱部材と前記第１の断熱部材とを一体に構成することができる。このようにすることで、出湯ノズルの下面に加えて、出湯ノズルの側面からの放熱を良好に抑制することができる。

また本発明では、前記出湯ノズルを内部に収容した状態で前記出湯ノズルを保持する保持部材を更に備え、該保持部材を，前記第１の断熱部材および前記第２の断熱部材を含んで構成することができる。
このようにすることで、保持部材は、本来的な出湯ノズルを保持する機能のほか、出湯ノズルの下面や側面からの放熱を抑制する機能を担うこととなり、その結果、これらを別体の部品で構成した場合に比べて部品点数が削減され、簡素な構成の溶湯装置を実現することができる。

また本発明では、前記出湯ノズルに加熱手段としてのヒータを埋設し、前記出湯ノズルの内部に形成されたオリフィス部の下端面を、前記出湯ノズルの下面よりも前記ヒータの中心に近づけておくことができる。
通常、オリフィス部の下端面は、出湯ノズルの下面（先端面）と面一とされている。しかしながら、構造上、出湯ノズル内に埋設されたヒータの中心は、出湯ノズルの下面よりも上方に位置するため、出湯ノズル内に埋設されたヒータにより出湯ノズルの下面を加熱することは効率が悪い。ここでオリフィス部を出湯ノズルの下面よりも上方に設けて、オリフィス部の下端面をヒータの中心に近づけるようにすれば、下端面を含むオリフィス部に対する加熱効率を高めることができる。即ち、オリフィス部以外の部位における過度な加熱による溶損を抑えながら、オリフィス部における凝固閉塞（ノズル詰まり）を防止することができる。

以上のような本発明によれば、溶湯を急冷するプロセスに用いた際でもノズル詰まりが生じ難く、安定的に出湯を行うことが可能な溶湯装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の溶湯装置を含む金属薄帯製造装置の概略構成図である。 （Ａ）は図１の出湯ノズルおよび保持部材を拡大して示した図である。（Ｂ）は（Ａ）におけるＢＢ矢視図である。 第１部材を設けた場合の効果を説明するための図である。 本発明の他の実施形態の要部を示した図である。 同実施形態の出湯ノズル３０Ｂを用いた場合の効果を説明するための図である。 本発明の更に他の実施形態の要部を示した図である。

次に本発明の一実施形態の溶湯装置について図面を用いて具体的に説明する。図１は本発明の一実施形態の溶湯装置を含む金属薄帯製造装置の概略構成図である。図１に示すように、金属薄帯製造装置１は、溶湯装置１０と冷却ロール１２とを備えている。

溶湯装置１０は、貯湯容器としてのタンディッシュ２０と、タンディッシュ２０の底部２１に設けられた出湯ノズル３０と、を備えている。
タンディッシュ２０は、耐熱性および溶湯の保温性に優れたアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化ホウ素（ＢＮ）等のセラミックスを材料とする有底筒状の容器で、底部２１および周壁部２２を有し、内部に溶湯Ｍを貯溜する。周壁部２２の外側には、周方向に等間隔で複数の予熱用のヒータ２４が配設されている。ヒータ２４は抵抗加熱式のヒータである。ヒータ２４の外側には、ヒータ２４を覆うように断熱用のカバー２６が設けられている。タンディッシュ２０は、温度上昇させたヒータ２４からの熱伝達により予熱可能とされている。

図２（Ａ）に示すように、タンディッシュ２０の底部２１には、保持部材４２を介して、タンディッシュ２０とは別体の出湯ノズル３０が取り付けられている。ここで出湯ノズル３０は、機械加工性に優れ、溶湯に対する耐食性に優れるＢＮ製とされている。

出湯ノズル３０は、有底円筒形状を成し、その内部に溶湯Ｍを流通させる内部通路３５が形成されている。タンディッシュ２０の底部２１から下向きに延び出した出湯ノズル３０の先端部３２には、内部通路３５と連通し、内部通路３５よりも開口断面積が小さい細径のオリフィス部３７が形成されており、このオリフィス部３７を通過した溶湯は、出湯ノズル３０の下面３８ａに設けられた吐出開口３９から冷却ロール１２（図１参照）に向けて下向きに吐出される。

図２（Ａ）に示すように、出湯ノズル３０には、オリフィス部３７を含む部位を予熱するための抵抗加熱式の棒状のヒータ４０が、内部通路３５を挟んで両側に埋め込まれており、オリフィス部３７を含む部位は温度上昇させたヒータ４０からの熱伝達により予熱可能とされている。なお、図２（Ｂ）に示すように、出湯ノズル３０の先端部３２は平面視円形状をなしている。

保持部材４２は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、出湯ノズル３０の外形状に対応した内部形状を有し、出湯ノズル３０先端の下面３８ａに対向する第１部材４３と、出湯ノズル３０の側面３８ｂに対向する第２部材４４とを含んで構成され、これら第１部材４３および第２部材４４は一体的に形成されている。このように構成された保持部材４２を出湯ノズル３０の外側に装着することで、出湯ノズル３０が保持部材４２の内部に収容される。

また第２部材４４の基端側（第１部材４３とは反対側）には、水平方向外向きに延びるフランジ部４５が形成されている。本例では、出湯ノズル３０を内部に収容した保持部材４２のフランジ部４５をタンディッシュ受け部材２７に掛止させるとともに、保持部材４２のフランジ部４５の上にタンディッシュ２０が載せられている。詳しくは、出湯ノズル３０がタンディッシュ２０の底部２１に形成された開口２３と同芯となるよう、タンディッシュ２０が載せられている。

一方、出湯ノズル３０先端の下面３８ａに対向する第１部材４３には、開口４６が形成されている。開口４６は、保持部材４２で保持された出湯ノズル３０の吐出開口３９と同芯で、吐出開口３９よりも僅かに大きく、板厚方向に貫通している。

本例では、これら第１部材４３および第２部材４４を含む保持部材４２がアルミナを材料として形成されており、吐出開口３９を除いた出湯ノズル３０の下面３８ａを覆う第１部材４３が本発明の第１の断熱部材を構成している。出湯ノズル３０の下面３８ａからの放熱を抑制するため、第１部材４３の厚みｔ１は、０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。より望ましくは１０ｍｍ以上である。また断熱効果を高めるためには、出湯ノズル３０の下面３８ａのできるだけ多くの面積を第１部材４３で覆うことが有効であり、出湯ノズル３０の、吐出開口３９を除く下面３８ａの５０％以上を第１部材４３で覆うようにすることが望ましい。

また保持部材４２の第２部材４４は、出湯ノズル３０の側面（周面）３８ｂを覆って、側面３８ｂからの放熱を抑制する部材であり、本発明の第２の断熱部材を構成する。
なお、第１部材４３および第２部材４４の材料については、アルミナに限定されるものではなく、出湯ノズル３０を構成する材料よりも断熱特性に優れた多孔質セラミックスを適宜採用することができる。

図１に示すように、出湯ノズル３０の下方には冷却ロール１２が設けられている。冷却ロール１２は、Ｃｕ、Ｆｅなどから成り、周速１０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓ程度で回転するロールである。ロール表面はメッキが施されていても良い。出湯されて連続的（棒状）に下方に流れ落ちる溶湯は、回転する冷却ロール１２の表面に接して急冷され、連続する長尺の金属薄帯Ｓとして冷却ロール１２の接線方向（図中左方向）に排出される。なお急冷後の薄帯Ｓの形態は、薄帯状のほかフレーク状や粉末状であってもよい。

次に金属薄帯製造装置１を用いた金属薄帯の製造方法について説明する。
先ず、所定の合金組成となるよう各元素を配合した原料を、図示を省略する高周波誘導加熱炉にて溶解して溶湯Ｍを得た後、ヒータ２４にて所定の温度にまで予熱したタンディッシュ２０に溶湯Ｍを移す。ここで所望の溶湯ヘッド圧が得られるように、タンディッシュ２０内に一定量の溶湯Ｍを貯溜することで、出湯ノズル３０から連続的に溶湯Ｍを出湯させることができる。なお、図１に示すように、隔壁１４にて、タンディッシュ２０が設けられている溶解室１５と、冷却ロール１２が設けられている急冷室１６とが区画され、溶解室１５の圧力を急冷室１６の圧力よりも高く設定した場合には、その差圧を利用して溶湯Ｍを出湯させることも可能である。

出湯ノズル３０から下向きに吐出された溶湯Ｍは、直後に所定の速度で回転する冷却ロール１２に接して急冷され、金属薄帯Ｓが得られる。ここで本実施形態の出湯ノズル３０は、タンディッシュ２０の底部２１に形成された開口２３を通じて着脱可能とされており、出湯完了後は出湯ノズル３０を新品に交換し、その後出湯を再開することができる。

［実施例１］
出湯ノズル３０の下面３８ａに、第１部材４３を設けた場合の効果を以下のように確認した。図３に示すように、周面３８ｂをアルミナ製の第２部材４４で囲んだ出湯ノズル３０において、出湯ノズル３０の下面３８ａに、アルミナ製の板状（厚み１０ｍｍ）の第１部材４３を設けた場合（断熱有り）と、第１部材４３が無い場合（断熱無し）との比較を行った。なお、第１部材４３を設けた場合、出湯ノズルの、吐出開口を除く下面３８ａの面積の９５％を第１部材４３で覆うようにした。

図３（Ａ）に示すように、ノズル内部のヒータ４０よりも上方の位置で、ノズルの上下方向の略中央部の点Ａを管理点と規定して、ヒータ加熱による出湯ノズル３０の予熱を行い、Ａ点における管理温度ＴＡを１５００℃で制御した際のオリフィス部（Ｂ点）での温度ＴＢ、および、ヒータ電力を測定した。その結果を図３（Ｂ）に示している。

図３（Ｂ）に示すように、第１部材４３を設けた場合（断熱有り）は、第１部材４３が無い場合（断熱無し）よりもオリフィス部（Ｂ点）での温度ＴＢが高く、管理温度ＴＡとの温度差ΔＴが、断熱無しの場合の２３０℃から８０℃に減少した。また、第１部材４３を設けた場合（断熱有り）では、管理温度ＴＡが１５００℃に到達するのに必要なヒータ電力も低下している。
即ち、第１部材４３を設けることで、低出力のヒータ加熱でオリフィス部３７を十分に予熱することが可能であることが分かる。

ところで、本実施形態の溶湯装置１０は、主に磁石材料の製造に用いられるものであるが、磁石材料の融点は高いもので１３５０℃である。第１部材４３による断熱効果が、出湯ノズルの下面を覆う第１部材４３の面積と比例関係にあると仮定すれば、図３（Ｂ）で示された結果から、第１部材４３で出湯ノズルの下面の５０％以上を覆うようにすれば、オリフィス部（Ｂ点）での予熱温度が１３５０℃以上（融点温度以上）で維持されることが分かる。したがって溶湯装置１０においては、出湯ノズルの下面の５０％以上を第１部材４３で覆うようにすることが望ましい。

以上のように本実施形態の溶湯装置１０によれば、出湯ノズル３０の下面３８ａを覆う第１部材４３により、出湯ノズル３０の下面３８ａからの放熱が抑制され、出湯ノズル３０の下面３８ａ近傍に位置するオリフィス部３７でのノズル詰まりの発生を抑制することができる。

また本実施形態の溶湯装置１０では、出湯ノズル３０の側面３８ｂを覆う第２部材４４を更に備え、第２部材４４と第１部材４３とが一体に構成されており、出湯ノズル３０の下面３８ａに加えて、出湯ノズル３０の側面３８ｂからの放熱も良好に抑制することができる。

また本実施形態の溶湯装置１０では、出湯ノズル３０を保持する保持部材４２が、第１の断熱部材としての第１部材４３、および、第２の断熱部材としての第２部材４４を含んで構成されている。このため保持部材４２は、本来的な出湯ノズル３０を保持する機能のほか、出湯ノズル３０の下面３８ａや側面３８ｂからの放熱を抑制する機能を担うこととなり、その結果、これらを別体の部品で構成した場合に比べて部品点数が削減され、簡素な構成の溶湯装置を実現することができる。

次に第２実施形態の溶湯装置について説明する。
図４は、第２実施形態の要部としての出湯ノズル３０Ｂを単体で示した図である。図４に示す構成各部のうち、第１実施形態の出湯ノズル３０の構成と共通する構成については同じ符号を用いて示すとともに、その説明を省略する。

出湯ノズル３０Ｂは、前述の出湯ノズル３０に対してオリフィス部の位置が異なっている。図２に示すように出湯ノズル３０では、オリフィス部３７の下端面が出湯ノズル３０の下面３８ａと面一である。出湯ノズル３０内に埋設されたヒータ４０の中心Ｏは、出湯ノズル３０の下面３８ａよりも上方に位置するため、ヒータ４０の中心Ｏからオリフィス部３７の下端面までは距離が遠く、ヒータ４０によりオリフィス部３７の下端面を加熱する際の加熱効率が悪い。

これに対し、図４に示す出湯ノズル３０Ｂでは、第１実施形態の出湯ノズル３０よりもオリフィス部５７を上方に設けて、オリフィス部５７の下端面５８をヒータ４０の中心Ｏに近づけている。この例では、オリフィス部５７の下端面５８が、左右方向の投影でヒータ４０と重複する位置関係とされている。このように構成された出湯ノズル３０Ｂを用いた溶湯装置１０Ｂでは、オリフィス部５７に対するヒータ４０の加熱効率を高めることができる。またオリフィス部５７の下端面５８を、放熱の影響が大きいノズルの下面３８ａよりも上方に位置させることで、冷却ロールの風等の影響が抑えられ、オリフィス部５７における放熱による温度の低下を小さくすることができる。

［実施例２］
出湯ノズル３０と出湯ノズル３０Ｂを用いて、オリフィス部の位置を変更したことによる効果を確認した。具体的には、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、出湯ノズル３０および３０Ｂの、埋設されたヒータ４０よりも上方の位置で、ノズル上下方向の略中央部の点Ａを管理点と規定し、ヒータ加熱による出湯ノズルの予熱を行い、Ａ点の管理温度ＴＡが１５００℃に達するまでのオリフィス部下端面（Ｂ点）での温度ＴＢを測定した。その結果を図５（Ｃ）に示している。

図５（Ｃ）に示すように、出湯ノズル３０と出湯ノズル３０Ｂと比較すると、出湯ノズル３０Ｂのほうがオリフィス部下端面での温度（ＴＢ温度）が高く、ＴＡ−ＴＢ間の温度差ΔＴは出湯ノズル３０Ｂのほうが小さくなっている。Ａ点の管理温度ＴＡが１５００℃となった時点で、出湯ノズル３０のΔＴは２００℃であるのに対し、出湯ノズル３０ＢのΔＴは１００℃であった。即ち、出湯ノズル３０Ｂを用いることで、ノズル中央部での温度（ここではＡ点の管理温度ＴＡ）を過度に上昇させることなく、オリフィス部下端面の温度（ここではＢ点の温度ＴＢ）を高めることが可能であることが分かる。

このように第２実施形態の溶湯装置１０Ｂによれば、オリフィス部５７に対する加熱を効果的に行うことができるため、過度な加熱によるノズル中央部での溶損を抑制しつつ、オリフィス部の出口（下端面）での昇温不足による凝固閉塞（ノズル詰まり）を抑制することができる。

次に第３実施形態の溶湯装置について説明する。
図６は、第３実施形態の要部を示した図である。図６に示す構成各部のうち、第１実施形態の構成と共通する構成については同じ符号を用いて示すとともに、その説明を省略する。

この第３実施形態の溶湯装置１０Ｃでは、保持部材４２Ｃとは別体で設けられた第１部材４３が、出湯ノズル３０先端の下面３８ａに対向して配置されている。
一方、保持部材４２Ｃは出湯ノズル３０の側面３８ｂに対向する第２部材４４を含んで構成されるとともに、第２部材４４の先端には径方向内向きに突出する爪部６０が形成されており、出湯ノズル３０および第１部材４３が保持部材４２の内部に収容されている。本例の保持部材４２Ｃおよび第１部材４３はいずれもアルミナを材料として形成されたものである。
このように構成された溶湯装置１０Ｃでは、第１部材４３を消耗品として適宜交換しつつ、保持部材４２Ｃについては継続的に使用することができる。

以上本実施形態の溶湯装置について詳しく説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では出湯ノズルの下面が平坦な面で構成されていたが、出湯ノズルは下面に段差を有するものであってもよく、その場合には、出湯ノズルの下面を覆う第１部材も出湯ノズルの下面の形状に沿った曲がり形状とすることが可能である。また、オリフィス部の上端面や下端面は、水平方向に対して傾斜させることも可能であるし、その一部を湾曲形状とすることも可能である。また上記実施形態の溶湯装置はロール急冷法のプロセスに用いられているが、本発明の溶湯装置はガスアトマイズ法、水アトマイズ法などのプロセスに用いることも可能である等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

尚、本開示は、以下の技術的思想を包含する。
［付記１］ 溶湯を貯溜する貯湯容器と、該貯湯容器の底部に設けられた出湯ノズルと、を備えた溶湯装置において、
前記出湯ノズルには加熱手段としてのヒータが埋設されており、
前記出湯ノズルの内部に形成されたオリフィス部の下端面を、前記出湯ノズルの下面よりも前記ヒータの中心に近づけた溶湯装置。

１０，１０Ｂ，１０Ｃ 溶湯装置
２０ タンディッシュ（貯湯容器）
２１ 底部
３０，３０Ｂ 出湯ノズル
３７，５７ オリフィス部
３８ａ 下面
３８ｂ 側面
３９ 吐出開口
４０ ヒータ
４２，４２Ｃ 保持部材
４３ 第１部材（第１の断熱部材）
４４ 第２部材（第２の断熱部材）
５８ 下端面
Ｍ 溶湯
Ｏ ヒータの中心

Claims (5)

1. 溶湯を貯溜する貯湯容器と、該貯湯容器の底部に設けられた出湯ノズルと、を備えた溶湯装置において、
   前記出湯ノズルの吐出開口を除く下面の少なくとも一部を覆う第１の断熱部材を備えている、溶湯装置。
2. 前記第１の断熱部材が多孔質セラミックスからなる、請求項１に記載の溶湯装置。
3. 前記出湯ノズルの側面を覆う第２の断熱部材を更に備え、
   該第２の断熱部材と前記第１の断熱部材とが一体に構成されている、請求項１，２の何れかに記載の溶湯装置。
4. 前記出湯ノズルを内部に収容した状態で前記出湯ノズルを保持する保持部材を更に備え、
   該保持部材は前記第１の断熱部材および前記第２の断熱部材を含んで構成されている請求項３に記載の溶湯装置。
5. 前記出湯ノズルには加熱手段としてのヒータが埋設されており、
   前記出湯ノズルの内部に形成されたオリフィス部の下端面を、前記出湯ノズルの下面よりも前記ヒータの中心に近づけた、請求項１〜４の何れかに記載の溶湯装置。

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