JP3553295B2 - アモルファス合金製造のための溶融合金供給方法および供給用ロングノズル - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速回転するロール等の冷却基体上に、タンディッシュ内の溶融合金を流出させ、急冷凝固させて細線状あるいは薄帯状のアモルファス合金を得る液体急冷法において、溶融合金を冷却基体上に一定の少量ずつ、安定して流出させるための、タンディッシュへの溶融合金供給方法および供給用ロングノズルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
細線状あるいは薄帯状のアモルファス合金を製造するための液体急冷法として、単ロール法や双ロール法などが知られている。単ロール法は、タンディッシュ内の溶融合金を、高速回転している一つの冷却ロール(単ロール)上に流出させて急冷凝固させ、双ロール法は、高速回転している一対の冷却ロール(双ロール)間に流出させて急冷凝固させるものである。
【0003】
いずれの方法においても、溶融合金をこれらロール等の冷却基体上に、一定の少量ずつ、安定して流出させることが不可欠である。冷却基体上への流出量が多いと冷却速度が不足し、凝固中あるいは凝固後に結晶化してしまい、流出量が変動するとアモルファスされない部分が生じたり、線径や帯の厚さが変動するからである。
【0004】
従来の単ロール法による薄帯状アモルファス合金の製造法について、図面に示す例により説明する。
図6は全体図であり、矢印の方向に高速回転している冷却ロール8の周面に、タンディッシュ5内の溶融合金6を、ノズル16から流出させて急冷凝固させ、薄帯状アモルファス合金7を製造する。流出させる溶融合金6の量を一定にするため、タンディッシュ5内の溶融合金6の湯面レベルが一定となるよう、取鍋3内の溶融合金6をロングノズル1によりタンディッシュ5に供給している。2は取鍋ストッパー、4はタンディッシュストッパーである。なお、図6において冷却ロール8は、理解を容易にするため誇張して大きく描いている。
【0005】
ノズル16の部分を拡大すると、図7の縦断面のように、タンディッシュ5の底壁に羽口レンガ9が設けてあり、この羽口レンガ9に中間ノズル10およびノズルホルダー11が連結されている。これらの羽口レンガ9、中間ノズル10およびノズルホルダー11の内部に孔が設けてあり、これらの孔が接続されて溶湯流路13および拡大内部空間14を形成している。拡大内部空間14は、図8(a)の横断面図に示すように、横方向に拡大されている。そして、図7および図8のように、ノズルホルダー11の先端にノズルチップ12が取付けてあり、ノズルチップ12には、図8(b)のようにノズルスリット15が設けてある。なお図8(b)は、図8(a)のA−A矢視断面図である。
【0006】
タンディッシュストッパー4を上昇させると、タンディッシュ5内の溶融合金6は、溶湯流路13および拡大内部空間14を経由してノズルスリット15から冷却ロール8上に流出し、急冷されて凝固し薄帯状アモルファス合金7となる。このとき、ノズルスリット15から冷却ロール8上に流出する溶融合金6の量は、タンディッシュ5内の溶湯静圧に応じて制御されるので、タンディッシュ5内の溶融合金6の湯面レベルを一定に維持しなければならない。さらに、冷却ロール8上に流出させる溶融合金6の量は、急冷凝固させてアモルファス化するに必要な冷却速度が得られるような少量としなければならない。したがって、タンディッシュストッパー4を上昇させた後は、取鍋3のロングノズル1から流出する溶融合金6の流量を一定量の少量としなければならない。
【0007】
いずれの方法であっても、液体急冷法により薄帯状アモルファス合金7を得るには、冷却速度を例えば102 K/秒程度以上とする必要がある。そのため、得られる合金7の板厚には制限があり、せいぜい0.1mm未満である。液体急冷法により0.1mm未満の薄帯を製造する場合、例えば従来の凝固技術である普通造塊法や連続鋳造法と比較して、各種の製造因子における制約条件に差異が生じてくる。その中でも大きく異なる制約条件として、溶融合金6の供給量が挙げられる。すなわち、一般に採用されている鋼などの連続鋳造の場合、鋳型に供給できる溶湯の量は、例えば鋼の場合は数トン/分程度であり、さらに普通造塊法ではそれ以上である。
【0008】
これに対して、本発明で対象にしている液体急冷法においては、溶融合金の供給量は100kg/分以下と、かなり少量としなければならない。例えば単ロール法で通常製造できる薄帯の最大板厚は0.1mm程度で、この場合の冷却ロール8の周速はおよそ10m/秒程度であり、薄帯の幅はせいぜい200mm程度であるから、例えば鉄を主成分とする合金の場合、その溶融合金の供給量はおよそ90kg/分程度に制御しなければならない。
【0009】
従来、例えば鋼の連続鋳造法においては、図6のような取鍋ストッパー2を昇降させることにより、ロングノズル1からタンディッシュ5への溶湯の供給量を制御していた。しかし、本発明の対象とする液体急冷法においては、供給量をはるかに少量化しなければならないので、ストッパー方式をそのまま採用することはできず、例えばタンディッシュ5内の溶湯重量を計測して、取鍋ストッパーの昇降を制御する方法が特開平1−34550号公報により提案されている。
【0010】
本発明者らは、上記のような制御が不要で簡単な構成の安価な「アモルファス合金薄帯製造のための溶融合金供給方法」を、特願平7−351225号により提案している。すなわち、ロングノズル5内の最小断面積を1.2cm2 以下とし、かつ取鍋3の底面からロングノズル5内の最小面積位置までの距離Lnと、溶融合金供給開始時の取鍋3内湯面高さLmとの比Kn/Lmを1.5以上として、取鍋ストッパー1は所定量だけ上昇させたままで溶融合金をタンディッシュ5に供給する方法である。
【0011】
なお、実公平7−23091号公報には、図9に示すような連続鋳造用の浸漬ノズル21が開示されている。その目的は、ノズル寿命を延長して多連鋳操業を可能とすることであり、浸漬ノズル21の内壁に段差を設けることで、溶鋼流に乱流を生じさせて、Al2 O3 (アルミナ)の付着を防止するものである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平1−34550号公報の方法では、給湯中のタンディッシュの重量を測定する必要があることから制御が複雑となるばかりでなく、測定装置や演算装置を搭載するために設備コストが嵩み、製造コストの高騰が懸念される。
また、上記特願平7−351225号で提案している方法は、簡単な設備構成であるため安価な製造が可能であるが、ロングノズル内の最小断面積を1.2cm2 以下とすることが、該ノズルの製作上困難な場合があり、新たな問題点が生じた。
【0013】
さらに上記実公平7−23091号公報に開示されているノズルは、連続鋳造において鋳型に溶湯を注入するため、鋳型内の溶湯中に浸漬する浸漬ノズルであり、該ノズルの底が閉塞していて、側壁の開口22から溶湯を供給する構成となっている。したがって、本発明のような少量の溶融合金を安定して供給する場合には適用困難である。
【0014】
本発明は、高速回転するロール等の冷却基体上に、タンディッシュ内の溶融合金を流出させ、急冷凝固させて細線状あるいは薄帯状のアモルファス合金を得る液体急冷法において、溶融合金を冷却基体上に一定の少量ずつ、安定して流出させるための、タンディッシュへの溶融合金供給方法および供給用ロングノズルであり、複雑な制御を必要とせず、かつノズル製作の困難性を克服することことを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明法は、取鍋内の溶融合金を、該取鍋の底部に取付けられたロングノズルによりタンディッシュに供給し、該タンディッシュから冷却基体上に流出させ急冷凝固させてアモルファス合金を製造するに際し、ロングノズルは、内面の水平方向断面積が下方にいくほど減少するテーパー付き形状とし、前記ロングノズルの開放された底から前記タンディッシュ内に溶融合金を吐出させ、かつ前記ロングノズル内に、該ロングノズル内壁の突起と孔の数が1 cm 長さあたり2個以上30個以下存在するフィルターの一方または双方からなる落下中の溶融合金に対する障害物を設けることで、前記タンディッシュ内に吐出する溶融合金の流量を低減することを特徴とするアモルファス合金製造のための溶融合金供給方法である。
【0016】
また上記目的を達成するための本発明ロングノズルは、取鍋内の溶融合金をタンディッシュに供給し、該タンディッシュから冷却基体上に流出させ急冷凝固させてアモルファス合金を製造するに際し、前記取鍋の底部に取付けられ、該取鍋内の溶融合金を前記タンディッシュに供給するためのロングノズルであって、ロングノズルは、内面の水平方向断面積が下方にいくほど減少するテーパー付き形状とし、該前記ロングノズルの底が開放され、かつ該ロングノズル内には孔の数が1 cm 長さあたり2個以上30個以下存在するフィルターの一方または双方からなる落下中の溶融合金に対する障害物が設けられていることを特徴とするアモルファス合金製造のための溶融合金供給用ロングノズルである。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明法は、図6に示すような単ロール法や、図示しない双ロール法などの液体急冷法において、タンディッシュ5内の溶融合金6を冷却ロール8などの冷却基体上に流出させ、急冷凝固させて薄帯状アモルファス合金7などのアモルファス合金を製造するに際し、取鍋3の底部に取付けられたロングノズル1の開放された底からタンディッシュ5内に溶融合金6を吐出させ、かつロングノズル1内に、落下中の溶融合金に対する障害物を設けることで、タンディッシュ5内に吐出する溶融合金の流量を低減する。
【0018】
ロングノズル1内の障害物としては、図1や図2に示すような突起17、あるいは図3に示すようなフィルター18などを採用することができる。図1のロングノズル1は、内面の水平方向断面積が下方にいくほど減少するテーパー付き形状とし、内面にリング状の3個の挿入物を嵌合させることで、3個の突起17を形成している。3個の挿入物は、それぞれ異なる外径のものを、小さい方から順に挿入して嵌合させている。
【0019】
図2のロングノズル1は、ノズル製作時に、内壁に突起17を形成したものである。(a)は突起17を螺旋状に配設したもの、(b)は四角形状の突起17を千鳥に配設したものである。図3のロングノズル1は、図1と同様のテーパー付き形状のノズル内に2個のフィルター18を嵌合させたものであり、フィルター18は、図4に示すように、多数の孔19を有する多孔質体とすることができる。また、図5に示すように、突起17とフィルター18を組合せた障害物としてもよい。
【0020】
本発明法により、例えば薄帯状のアモルファス合金を製造するには、図6のように取鍋3内の溶融合金6を、取鍋ストッパー2を上昇させることでロングノズル1からタンディッシュ5内に吐出させ、タンディッシュストッパー4を上昇させて、高速回転する冷却ロール8の周面に、タンディッシュ5内の溶融合金を、ノズル16から流出させる。ノズル16の部分を拡大すると、図7および図8のように、横方向に拡大された拡大内部空間14を経てノズルスリット15から流出するようになっている。製造中は、取鍋ストッパー2およびタンディッシュストッパ4の位置は固定しておく。なお、取鍋ストッパー2の上昇量は、装置のガタを考慮するとあまり小さい値は好ましくなく、およそ5mm以上およそ50mm以下とするのが好ましい。
【0021】
ロングノズル1内を落下する溶融合金6は、図1〜図5のような突起17あるいはフィルター18からなる障害物により圧損が大となり、ロングノズル1の解放された底から吐出する溶融合金6の流量が、安定して100kg/分以下に低減される。そして、ロングノズル1内の水平方向最小断面積は、特に狭くする必要はない。したがって、タンディッシュ5のノズル16から冷却ロール8に流出する溶融合金の流量が、安定して少量の一定量となり、冷却ロール上で急速冷却されて、所定の割合以上にアモルファス化された均一な厚さおよび幅を有するアモルファス合金が安定して得られる。
【0022】
なお本発明法は、このような単ロール法のほか、双ロール法に適用することもできる。単ロール法の装置には、ドラムの内壁を使う遠心急冷装置、エンドレスタイプのベルトを使う装置、あるいはこれらの改良型、例えば補助ロールやロール表面温度制御装置を付属させたもの、あるいは減圧下ないし真空中または不活性ガス中で鋳造するものも含まれる。また、細線状アモルファス合金を製造するには、冷却ロール8の周面に溝を形成しておき、溶融合金6を該溝内で急冷凝固させる等の手段を採用することができる。
【0023】
本発明法において採用される鋳造条件としては、タンディッシュ5のノズル16から流出させる溶融合金6の流出圧力は、0.01〜3kg/cm2 で、主としてタンディッシュ5内の湯面高さにより設定する。冷却ロール8の回転速度は、表面の周速で5〜60m/秒の範囲である。これら条件は、用いる合金の種類や目的とする薄帯の板厚などに応じて設定し、またその他の製造条件に応じて最適な値を選択する。
【0024】
つぎに本発明のロングノズルは、上記本発明法を実施するためのロングノズル1であり、図1〜図5に示したように、ノズル1の底が開放され、かつノズル1内には、落下中の溶融合金に対する障害物が設けられている。該障害物としては、上記のような突起17、フィルター18、あるいは両者を組合わせたものを採用することができる。ノズル1内の断面は、円、楕円、多角形、さらには花形状など各種形状とすることができる。
【0025】
本発明のロングノズル1の材質としては、アルミナグラファイト、カーボン、フューズドシリカなどを採用することができ、図1のようなリング状挿入物からなる突起17としては、同じくアルミナグラファイト、カーボン、フューズドシリカなどのほか、アルミナ、マグネシアなども採用することができる。フィルター18としては、アルミナなどを採用することができ、図4のような多数の孔19を有し、孔19の数は、1cm長さあたり2個以上30個以下存在する。
【0026】
【実施例】
本発明例−1:図6〜図8に示すような単ロール薄帯製造装置を用いて、Fe−B12−Si6.5 −C1 (原子%)の組成の薄帯状アモルファス合金を製造した。用いたロングノズル1はアルミナグラファイト製で、内部の断面形状を円形状とし、最上部の内径35mm、最下部の内径20mmのテーパー状にした。そして、図1のようにアルミナグラファイト製の3個のテーパー付き円筒状挿入物を嵌合させて突起17を形成した。各挿入物の外径は30mm、27mm、24mm、肉厚はいずれも4mmであり、それぞれ、ロングノズル1の最上部から、500mm、800mm、1100mmの位置に止まらせた。
【0027】
上記組成の合金の溶解は高周波誘導方式により行い、取鍋3内の初期の湯面高さは250mmであった。取鍋ストッパー2は、ロングノズル1と同じくアルミナグラファイト製で、長さ800mm、外径60mmの円柱状とし、先端の35mm長さのところだけに曲率を持たせた。曲率はR120mmとR15mmの組合せとした。取鍋ストッパー2を20mm上昇させて、溶融合金6をタンディッシュ5へ供給し、直後にタンディッシュストッパー4を20mm上昇させてノズル16から溶融合金6を流出させた。取鍋ストッパー2およびタンディッシュストッパー4は、製造が終了するまで、いずれも20mm上昇させた位置に固定した。
【0028】
その他の製造条件は、注湯時の取鍋内溶融合金6の温度が1350℃、ノズルスリット15は、120mm×0.7mmの矩形状スリットを1.5mm間隔に2本並べた形状のものとした。また、鋳造時の冷却ロール8の表面速度は20m/秒、ノズル16と冷却ロール8表面とのギャップは0.3mmであった。
【0029】
結果として、幅がおよそ120mmの良好な形状の薄帯が得られた。得られた薄帯から長手方向等間隔に5箇所の位置でそれぞれ長さ20mのサンプルを採取し、それぞれの重量を測定したところ、いずれのサンプルも約1.1kgであった。この結果、溶融合金の供給量はおよそ66kg/分であったことが分かる。また得られた薄帯の厚さはおよそ60μmの均一なものであり、組織的にも均一でおよそ90%以上がアモルファス化されており、磁気的性質、機械的性質ともに良好であった。
【0030】
本発明例−2:上記本発明例−1と同様の装置を用いて同様の薄帯状アモルファス合金を製造した。ロングノズル1は、図3のように内部に2個のアルミナ製フィルター18を嵌入させたもので、各フィルター18の外径は27mmおよび24mm、高さはいずれも50mmとした。各フィルター18の孔19の個数は長さ1cmあたり平均12個であった。その他は上記本発明例−1と同様である。
【0031】
結果として、幅がおよそ120mmの良好な形状の薄帯が得られた。得られた薄帯から長手方向等間隔に5箇所の位置でそれぞれ長さ20mのサンプルを採取し、それぞれの重量を測定したところ、いずれのサンプルも約1.0kgであった。この結果、溶融合金の供給量はおよそ60kg/分であったことが分かる。また得られた薄帯の厚さはおよそ55μmの均一なものであり、組織的にも均一でおよそ90%以上がアモルファス化されており、磁気的性質、機械的性質ともに良好であった。
【0032】
比較例:ロングノズル1として、アルミナグラファイト製で最上部の内径が35mm、最下部の内径が20mmのテーパー状で、長さが1.5mの内部円形状のものを用いて、薄帯状アモルファス合金の製造を行った。その他の製造条件は、本発明例−1と同じ条件とした。
【0033】
結果として、幅がおよそ120mmの薄帯が得られた。得られた薄帯の長手方向ほぼ中央部から長さ20mのサンプルを採取し、重量を測定したところ約2kgであった。このことから、溶融合金の供給量はおよそ120kg/分であったことが分かる。得られた薄帯の厚さは100μmを超えており、幅方向不均一で、かなり脆いところがあった。これは、溶融合金の供給量が多かったために冷却速度が低下し、充分にアモルファス化されずに結晶化したところがあり、その部分で脆くなったものと判断される。
【0034】
【発明の効果】
本発明により、単ロール法や双ロール法などの液体冷却法において、溶融合金を、アモルファス化に必要な冷却速度が得られるよう、100kg/分以下の一定の少量ずつ、冷却基体上に安定して流出させることができる。そして、複雑な制御を必要とせず、かつノズル製作の困難性も克服でき、良好な品質および形状を有し、各種工業材料として適性な、細線状あるいは薄帯状アモルファス合金を安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるロングノズルの例を示す断面図である。
【図2】(a)および(b)は本発明におけるロングノズルの別の例を示す断面図である。
【図3】本発明におけるロングノズルの別の例を示す断面図である。
【図4】本発明におけるロングノズルに使用されるフィルターの例を示す平面図である。
【図5】本発明におけるロングノズルの別の例を示す断面図である。
【図6】本発明の対象とする液体急冷法の例を示す断面図である。
【図7】本発明の対象とする液体急冷法の例を示す拡大縦断面図である。
【図8】本発明の対象とする液体急冷法の例を示し、(a)は拡大横断面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。
【図9】従来の浸漬ノズルの例を示す断面図である。
【符号の説明】
1…ロングノズル
2…取鍋ストッパー
3…取鍋
4…タンディッシュストッパー
5…タンディッシュ
6…溶融合金
7…薄帯状アモルファス合金
8…冷却ロール
9…羽口レンガ
10…中間ノズル
11…ノズルホルダー
12…ノズルチップ
13…溶湯流路
14…拡大内部空間
15…ノズルスリット
16…ノズル
17…突起
18…フィルター
19…孔
21…浸漬ノズル
22…開口
Claims (2)
- 取鍋内の溶融合金を、該取鍋の底部に取付けられたロングノズルによりタンディッシュに供給し、該タンディッシュから冷却基体上に流出させ急冷凝固させてアモルファス合金を製造するに際し、ロングノズルは、内面の水平方向断面積が下方にいくほど減少するテーパー付き形状とし、前記ロングノズルの開放された底から前記タンディッシュ内に溶融合金を吐出させ、かつ前記ロングノズル内に、該ロングノズル内壁の突起と孔の数が1 cm 長さあたり2個以上30個以下存在するフィルターの一方または双方からなる落下中の溶融合金に対する障害物を設けることで、前記タンディッシュ内に吐出する溶融合金の流量を低減することを特徴とするアモルファス合金製造のための溶融合金供給方法。
- 取鍋内の溶融合金をタンディッシュに供給し、該タンディッシュから冷却基体上に流出させ急冷凝固させてアモルファス合金を製造するに際し、前記取鍋の底部に取付けられ、該取鍋内の溶融合金を前記タンディッシュに供給するためのロングノズルであって、ロングノズルは、内面の水平方向断面積が下方にいくほど減少するテーパー付き形状とし、該前記ロングノズルの底が開放され、かつ該ロングノズル内には該ロングノズル内壁の突起と孔の数が1 cm 長さあたり2個以上30個以下存在するフィルターの一方または双方からなる落下中の溶融合金に対する障害物が設けられていることを特徴とするアモルファス合金製造のための溶融合金供給用ロングノズル。
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