JPS60255240A - 非晶質又は微結晶質金属製造用冷却ドラム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は非晶質又は微結晶質金属板製造に用いられる
冷却ドラムに関する。

（従来の技術） 非晶質金属又は微結晶質金属は、微視構造が比較的均質
であシ、高強度・高靭性・耐食性等に優れた工業的価値
の高い材料として知られている。

この非晶質金属の製造方法には、溶融金属噴射回転急冷
法、真空蒸着・気相メッキ・プラズマスパッタ法、電着
・還元メッキ法、焼成・燃焼法、酸化膜法、放射線損傷
法等がある。

このうち溶融金属噴射回転急冷法は冷却ドラム或いは冷
却ロール等の金属円筒体を高速回転させ、この金属円筒
の外周側面或いは内周側面に溶融金属を噴射して急速に
冷却凝固させる方式であシ、その冷却速度が結晶核生成
速度・結晶生長速度よシも早い場合に非晶質化すること
が知られている。この非晶質化のための冷却速度は、金
属の原子・分子の種類、組成、潜熱、粘性係数、構造緩
和時間、融点、ガラス化温度、再結晶化温度、共晶状態
であるか否か等によって決定されるが、合金の場合１０
１′〜１０’（’Ｋ／ｓｅｃ）の極めて早い速度が必要
であシ、とれは溶融金属−同体金属間の極めて高い熱伝
達を利用することで実現された。

（発明が解決しようとする問題点） 溶融金属噴射回転急冷法は大量生活に適した方法である
が、更に工業的・実用的に非晶質合金製造装置を実現す
るためには、装置の熱除去系について定常的・連続的に
上記した１０’〜１０’（０に／ｓｅｃ）の冷却速度お
よびＩＯ′〜１０５（Ｋｃａｌ／ｍ”ｈ℃）の熱伝達係
数・１０６〜１０８（Ｋｃａ４／ｍ”ｈ）の熱流束を実
現し、かつ製品表面性状の良好なものが得られることが
必要である。

しかし従来の溶融金属噴射回転急冷法に用いられている
冷却ドラムは、それ自体の熱溶量を吸熱源とし、その高
速回転時には特に冷却を行うことなく室温の空気で冷却
する程度であった。そのため一定時間運転すると冷却ド
ラムの温度が上昇するため、一定時間毎に装置の運転を
停止してドラムを冷却する必要があること、運転時間が
限られることから製造される金属板の長さに制限がある
こと、更には１０ツトの前稜でドラムの温度が変化する
ために製品の質や表面性状が安定しないこと等の欠点が
あシ、非晶質金属板の多量連続生産に拡不向であった。

この欠点を改善するため、冷却ドラムに深冷ガスを吹き
つけてひやす方法が提案されているが、ガス−固体間の
熱伝達は熱伝達係数にして１〜１０”Ｋｃａｔ／Ｉｎ２
ｈ℃と低いために、上記した熱容量方式の補助手段とし
て装置の運転時間を延長し得る程度に過ぎず、連続運転
を可能にするようなものではなかった。また深冷ガスを
合金の凝固面に直接吹きつける場合にはガスが凝固面に
吸着されて製品の地肌に悪影響を及ばずような欠点もあ
った。

この外に冷却ドラムに冷却水を吹きつける方法もあるが
、吹きつけた水飛沫の処理および回収、発生する蒸気の
回収更には空気中にスプレィすることによシ冷却水が溶
存酸素過剰とな）冷却ドラムの伝熱面のスケール・ファ
ウリング生成に悪影響を与える等の問題点があった。

（問題点を解決するための手段） 本発明はこのような従来の冷却ドラムの欠点を改善する
ためになされたもので、冷却効果が大きく高品質の非晶
質または微結晶質金属を連続的に生産し得る冷却ドラム
を提供しようとするものである。そのため本発明は、金
属円筒体と、これを中央に置きその両側から挾んで回転
自在に支持する固定部と、これらに夫々設けられて冷却
流体を流通せしめ且つこれらの間でその冷却流体を授受
する冷却流体通路とから成り、前記金属円筒体の円周外
表面を伝熱面とし、又金属円筒体の前記冷却流体通路を
、伝熱面とその内側に同心に設けられたドラム基底部と
これらの間に連接されたスパイラルフィンとによシスパ
イラル状に設けたことを基本的特徴としている。

（作用） 以上のように固定部に支持された金属円筒体ヲ冒速で回
転せしめ、その伝熱面下にスパイラル状に配設された冷
却流体通路に前記固定部の冷却流体通路から冷却液体を
貫流せしめる。このような金属円筒体の円周外表面を伝
熱面として、溶融金属を噴射し、冷却速度を結晶核生成
速度・結晶生長速度よシ速くして急速に冷却・凝固せし
め非晶質化した或は微結晶化した金属を製造する。その
際前記金属円筒体の冷却流体通路をスパイラル状に流れ
る冷却流体は絶えず伝熱面を冷却するため、該伝熱面の
放熱のためにその稼動を停止する必要がなくなり、又吹
付けられた前記溶融金属を間接的に連続して急速冷却す
る。

（実施例） 以下本発明の具体的実施例を図面に基づいて説明する。

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示しておシ、本
発明は金塊円筒体（１）と、これを中央に置き、その両
側から挾んで回転自在に支持する固定部０υ（１１）と
、これらに夫々設けられて冷却流体を流通せしめ肛つこ
れらの間でその冷却流体を授受する冷却流体通路（２）
とから成る。

この金塊円筒体（１）はその円周外表面を伝熱面（３）
とし、その内側面にスパイラルフィン（４）を介して同
心上に設けらｎたドラム基底部（５）を有している。こ
れは上記三つの構成部（３１（４）（５）により金属円
筒体（１）内部にスパイラル状に巻き付く冷却流体通路
（２）を形成せしめ、その間に冷却流体を貫流せしめて
伝熱面（３）ラドラム稼働中に連続して急冷するように
構成したからである。この冷却流体通路（２）は全て回
転中心軸から等距離に位置する同心同径円上に位置する
様に設置され、遠心力場の中の同一ボテンシアルエネル
ギの位ｔ’を占める様にすると良い。

以上の様にして金属円筒体（１〕内の冷却流体通路（２
）を構成したことの構造上の特徴の一つは、高速回転す
る金属円筒体（１）全全体とじて一体化したこと、即ち
伝熱面（３）、スパイラルフィン（４）、ドラム基底部
（５）の必須基本構成部と、端部フランジ（６）、スポ
ーク（９）、回転主軸（７）の本実施例における付属構
成部を互いに溶接・鑞接・接着によ）一体化することに
よって金属円筒体（１）の全体の剛性を増し、高遠心力
によって起きる変形を最少限に抑え、シール部の相対位
置を正確に保持し、溶融金属噴射装置のノズル（図示な
し）と伝熱面（３）の外表面との微少ギャップ間の間隔
を設定しやすくシ、噴射時の熱変形を抑え、また金属円
筒体（１）全体としての仕上機械加工（伝熱面（３）外
表面の平滑加工・ダイナミックバランス等）を施し易く
［７ている。

伝熱面（３）は金属円筒体（１）表面の金属薄板円筒で
あシ、その内（裏）側で冷却流体通路（２）およびスパ
イラルフィン（４）に接し、その両端において端部フラ
ンジ（６）に連結されている。

その材質は、銅−クロム、銅−クロム−ジルコニウム、
銅−ベリリウムーニッケル一二オブ、銅−ジルコニウム
ーチタンー鉄、銅−ニッケル等の銅系合金、タングステ
ン、コバルト−タングステン等のタングステン系合金、
チタン系合金、ステンレス系合金のいずれかが使用可能
であシ、使用状態（温度・雰囲気）における比強度が大
きく、化学的に安定であシ、熱伝導度が高く、溶融金属
との濡れ性が適当であるものが好ましい。本実施例では
伝熱面（３）が次のような理由によって薄板化しうる特
徴がある。第１の理由は後述するように金属円筒体（１
）内の冷却流体通路（２）分流れる冷却流体がスパイラ
ル流路構造のために、金属円筒体（１）が高速回転して
も殆んど随伴回転せず、地上静止系よシ見て全体的に回
転中心軸に平行に流れるために冷却流体が遠心力を持た
ず、その遠心力荷重が伝熱面（３）に動径方向（回転中
心軸に垂直方向）の力を及ぼさないために、通常３００
０Ｇ〜１００ＯＯＧにも達する遠心力負荷をこの伝熱面
（３）が受持つ必要がないためである。又部２の理由と
しては溶融金属が噴射され冷却されて生成される非晶質
あるいは微結晶質金属薄板自体の自重が軽く、ストリッ
プキャスタの様なマッシヴ（ｍａｓｇｉｖｅ）な凝固金
属の重量を受ける必要がないためである。この伝熱面（
３）の薄板化はその部分の熱抵抗を軽減するので溶融金
属の冷却効果が大きくなシ、更に冷却流体はポンプによ
ル圧送されて伝熱面（３）内（裏）側・スパイラルフィ
ン（４）全強制冷却するので全体としての冷却抜熱効果
は更に向上する。

スパイラルフィン（４）は同心の２つの円筒である前記
伝熱面（３）とドラム基底部（５）との向い合った面間
を連接するものであシ、各々の円筒面上に垂直に配設さ
れる。このスパイラルフィン（４）の傾き即ち回転中心
軸に垂直な面に対するスパイラルフィン（４）の角度を
適切に設定することが構造上重要である。第３図に示す
ようにそれは２つの直交するベクトルν１゜τ、即ち冷
却流体通路（２）内の冷却流体の所要速度とその方向（
通常数”／ｓｅａ〜十数ｍ／ｓｅｃの流体で回転中心軸
と同方向を向く）からなるベクトルｖ１および高速回転
する金属円筒体（１）の冷却流体通路（２）における回
転円周接線方向の速度（通常数十７７１／ｓｅｅ〜百数
十７ｒＬ／ｓｅｅの周速度〕からなるベクトルで、の２
つのベクトルの頂点を結んだ角度αに設定される。この
ように設定された場合にのみ、冷却流体通路（２）を通
シ一方の固定部０υから金属円筒体（１）に流入して来
た冷却流体が全体として随伴回転速度成分を持たず地上
静止糸よシ見て全体的に回転中心軸に平行に流ｎ士数分
の１ｓｅｃ〜数分のｉｓｅｅで金属円筒体（１）内の冷
却流体通路（２）内を通シ抜けて、再び他方の固定部０
１！Ｄ排出される。この冷却流体流速あるいは流量と金
属円筒体（１）の回転速度との整合は、回転数制御装置
により行なわれる。

一本のスパイラルフィン（４）は入口側から出ロ側迄ド
ラム基底部（５）にスパイラル状に巻きつく形で配設さ
れるが、全体としてのその本数は、伝熱面（３）の所要
幅と厚さと直径・ドラム基底部（５）の所要径・金属円
筒体（１）と伝熱面（３）に必要な剛性・冷却流体の圧
力・工作上の理由によって訣められる。複数本のスパイ
ラルフィン（４）は金属円筒体（１）内に複数本の互い
に独立な分割さ扛た流路を形成するので、冷却流体の内
圧が上ってもスパイラルフィン（４）のない（分割され
ない）場合に比べて伝熱面（３）等の壁厚は薄くてもよ
い。

ドラム基底部（５）は金属円筒体（１）のスパイラルフ
ィン（４）及び伝熱面（３）の構造強度を担う円筒であ
シ、回転主軸（７）から突出しているスポーク（９）に
支持され、稼動中（遠心力・熱負荷）の伝熱面（３）の
円周外表面の寸法精度を正確に保つ。

以上の構成の１１か金属円筒体（１）には回転部１１１
１（７）、端部フランジ（６）（６）及びドラムシール
αＯ◇Ｏが設けられている。尚伝熱面（３）の近傍には
溶融金属噴射装置（図示なし）が設けられている。

回転主軸（７）は金属円筒体（１）の回転の中心に位置
し、これを両側から挾む固定部Ｃ１η（特に後述する管
板（６）の中央突起部に配設されたベアリング（８））
により回転自由に支持される円筒あるいは円柱である。

これはスポーク（９）によりドラム基底部（５）ヲ支持
し、端部フランジ（６）との連接部により端部フランジ
（６）ヲ支持している。図示していないが回転主軸（７
）はその左方向で回転駆動部に連結されトルクを受けて
金属円筒体（１）全体を回転させる。

端部フランジ（６）は金属円筒体（１）における冷却流
体通路（２）の出入口をなすものであり、異径同心の２
枚の円輪状のフランジ板（６０）（６１）、伝熱面（３
）との継手（６２）、ドラムシールＣＩ＊’を担う突起
部（６３）回転主軸（７）との連接部（６４）よシ成っ
ているる従って冷却流体通路（２）の出入口は２枚の円
輪状フランジ板（６０）（６１）の隙間で構成される。

端部フランジ（６）はまたドラムシール←１の回転部側
の相対位置を正確に保持している。

ドラムシールＱ（Ｉは固定部αルと回転する金属円筒体
（１）との回転接触部に設けられ、高速回転時でも接触
部からの冷却流体の漏出を最少に抑える。端部フランジ
（６）の突起部（６３）と後述する管板Ｏ３の突起部（
１，２１）とは互いに相対位置を正確に保ちつつ凹凸状
に挿入され、相対峙する面間のギャップは全円周に渉っ
て一定に保たれる。シール部における周速紘非常に速い
（数十ｍ／ｓｅＣ〜百数十ｍ／ｓｅｃ）のでシール方式
は、多［ＶＩＪングのリップの接触によるシール・ラビ
リンスシールが用いられる。

冷却流体通路（２）出口側でも冷却流体温度の上昇分は
僅かであるのでシール部の冷却は行なわないが、シール
トレン処理は行なわれる。

更に前記固定部ａηｅｌｌ）は金属円筒体（１）の支持
構造部と、冷却流体通路（２〕の構成部とからなシ、前
記回転主軸（７）ヲその両側から挾んで回転自在に支持
し月つ金属円筒体（１）内のスパイラル状冷却流体通路
（２）内へ冷却流体を給排している。

このうち、支持構造部は管板（６）Ｑつとベアリング（
８）（８）とから構成される。

管板０擾０つは固定部ＨＱη全体の支持脚部を持ち、真
中に後述するベアリング（８）（８）の支持用ハウジン
グ（１２０）（１２０）’！ｚ有する２組の厚肉の円盤
であシ、本装置全体を支持し、運転中の全ての荷重を吸
収する。又この管板ａｚａ’、ｂの外周縁部には冷却流
体通路（２）の構成部の一部、即ち冷却流体を通す同心
円上に穿孔された多数の孔０３及びこれらの孔０１に連
続して設けら扛た後述のストレーナαＯ１更にはその先
端に連設され、前記ドラムシール（１１ヲ介して端部フ
ランジ（６）の突起部（６３）に接触する突起部（１２
１）が設けられている。

ベアリング（８）は回転主軸（７）の軸受けであり、回
転数０〜１００００ｒｐｍ程度迄はボールベアリングを
用い、更に高速回転を要する場合には気体軸受・磁気軸
受を用いると良い。

更に冷却流体通路（２）の構成部は、金属円筒体（１）
の冷却流体通路（２）へ連通する入側通路を、入口ブレ
ナムα→に始まシ、管板０２外周縁上に設けられた前記
孔０１及びそれに続くストレーナＯＱ１更にその先端に
連設され前記ドラムシールαＩ’を介して端部フランジ
（６）の突起部（６３）に接触する突起部（１２１）で
構成し、又出側通路を突起部（１２］、）、孔０３及び
出口プレナム０υで構成している。この外図示していな
いが入口・出口プレナム０４０５に冷却流体を給・排す
る人出口配管ポンプ、回転速度制御装置、ドラムシール
００のドレン受けが設けられている。

上記入口ブレナムａ４は循環ポンプよシ冷却流体を受け
、これを一時貯留して流れの勢いを殺し管板ａ’ａの孔
θ１を通して冷却流体通路（２）に送り込むドーナツ状
の容器である。又同様に出口プレナム０！′９は逆の操
作を行欧って排出する容器である。

ス）ｌ／−す０Ｑは入側通路となる冷却流体通路（２）
の出口側に孔０３に接して配設された回転中心軸に平行
な多数の板或は孔０３ヲ延長したものであシ、その長さ
は冷却流体通路（２）幅の数倍であり、冷却流体の流れ
を整流し噴出させる。冷却流体の入側通路を構成する固
定部０■出口のストレーナＯＱとそれに隣接した金屑円
筒体（１）の端部フランジ（６）で構成される入口とは
、タービンのインパルス段とリアクション段との関係と
同じであるので、流速と回転数とのバランスが保たれた
状態では外部からの駆動力は軽減して流体の動圧のみで
冷却ドラムを回転させることができる。

以上が装置全体の構成であるが、冷却流体には清水ある
いはこれを超純度に油過したるもの・トリクレンやタウ
サム等の有機液体・水銀やガリウム−インジウムやセシ
ウム等の液体金属が用いられる。

また金属円筒体（１）は一体化され適度に静的な剛性を
持つ構造物であるが、動的には所謂柔構造とし、定格回
転速度の近傍に固有振動数を持たず共鳴を起さない構造
のものとする（危険速度法〕。

次に上記構成の金属円筒体（１）の動作を説明する。

寸ず冷却流体の流動状態をみてゆくと、循環ポンプ・配
管によって本冷却ドラムに送シこまれた冷却流体は、固
定部０乃の管板（２）に取シ付けられた入口プレナム０
４に流入する。ここから流体は孔α３及びストレーナＯ
Ｉ’に通シ整流されて端部フランジ（６）を経て回転部
金属円筒体（１）に達するが、流体の流れの方向は全円
周に渉って回転中心軸に平行に向いている（紀１図中矢
印の方向）。１だ流体の流れの速度は前記のように回転
数制御装置の作用により金属円筒体（１）の回転速度と
整合し又冷却流体の流れの進行の際スパイラルフィン（
４）がその流れの方向を変えないように回転しているの
で、冷却流体通路（２）を通る冷却流体は依然として回
転中心軸に平行の方向を保つ。この場合一部の冷却流体
のみが冷却流体通路（２）に接した際粘性によって回転
方向の速度成分を持つが、金属円筒体（１〕を横ぎる（
Ｘ流する）時間が短いのでその方向の流れは充分には発
達しない。この状態で冷却流体は再度固定部０υに流出
し出口プレナムＯすがら排出される。

流動がこのような条件で行なわれるので、冷却流体は地
上静止系からみて貫流の間全体として回転の影響を受け
ず、従って伝熱面（３）に遠心力を及はさず、伝熱面（
３）は過大な遠心力負荷を担う必要がなく、薄板化が可
能となる。

尚回転が定常に達した状態では、回転軸方向の冷却流体
の流入の慣性によって金属円筒体（１）のスパイラルフ
ィン（４）は回転力を受けるので外部駆動なしで運転す
ることもできる。

次に冷却流体の伝熱状態をみてゆくと、溶融金属の噴射
によって伝熱面（３）にもたらされた熱量はそ牡と連接
するスパイラルフィン（４）にも伝えられ、金属円筒体
（１）ヲ貫流する冷却流体に吸収される。冷却流体通路
（２）における伝達に寄与する面積は、伝熱面（３）の
裏側及びスパイラルフィン（４）の両側である。上記の
ように伝熱面（３）は薄いので伝熱が良好であ）、また
その裏面で冷却流体にょ漫極めて大きい相対流速で強制
冷却されるので抜熱の効果が大きく、更にスパイラルン
・「ン（４）の寄与分だけ伝熱面株が大きくと扛るので
高い熱負荷に耐えることができる。伝熱面（３）の噴射
点近傍における伝熱条件として熱流束で１０’〜１０８
Ｋｃａ７／１ｎ”ｈ、熱伝達係数で１０４〜１０５Ｋｃ
ａｔ／ｍ２ｈ℃が定常的に実現さ扛ている。このような
高熱負荷にも拘らず冷却流体の貫流後の温度上昇分は僅
かである。その理由は噴射点は固定しているが伝熱面（
３）は回転しているので伝熱面（３）の加熱点は円周上
に分散すること、伝熱面（３）上でも熱伝導によｐ熱が
拡散すること、冷却流体が回転しないので高速回転して
いる伝熱面（３）及びスパイラルフィン（４）との相対
流速は極めて大きく高速流体で冷却するのと同じく強制
冷却の効果が太きくなシ流体中に抜熱量が分散されるこ
と等に依っている。

このようにして溶融金属のもたらす熱は伝熱面（３）か
らスパイラルフィン（４）に至り、この両者から冷却流
体に吸収されて出口プレナムα時よｐ系外に排出される
。図示していないが系外では抜熱量（−冷却流体流量×
エンタルピ上昇分）は冷却塔あるいは熱交換器によって
大気中あるいは自然水中に放出さｎ１冷却流体は回収さ
れて再び循環ポンプに送られて再利用さ扛る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明による冷却ドラムは、冷却
が極めて効果的に行えるから表面性状の安定した高品質
の非晶質または微結晶質金ＤＡｋ連続的に製造すること
ができるという優ｎた効果を有している。

なお本発明は、溶融金属の種類・冷却ドラム（ｏ−ル）
の数・冷却流体で冷却ドラムの内面を冷却するか外面全
冷却するが・溶融金属が冷却ドラムの外面に接触するの
が内面に接触するか・冷却ドラムの組合せ法・ドラムの
回転軸の方向（重力の方向か水平方向か）・冷却流体の
種類・装置の全部あるいは一部を囲む雰囲気（どんな気
体でどんな圧力か）・重力の有無とその方向等にかかわ
らず適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す一部切欠正面図、第２
図は該実施例の一部切欠側面図、第３図は金属円筒体に
おける流速と周速の位置関係を示す説明図である。 図中（１）は金属円筒体、（２）は冷却流体通路、（３
）は伝達面、（４）はスパイラルフィン、（５）はドラ
ム基底部、（６）拡端部フランジ、（７）は回転主軸、
（８）はベアリング、（９）はスポーツ、００はドラノ
・シール、０ηは固定部、ａ２は管板、０→は孔、α→
は入口ブレナム、（Ｉυ紘出ロプレナム、０Ｑはストレ
ーナを各示す。 特許出願人日本鋼管株式会社 発明者水村裕洋 代理人弁理士吉原省三 同同高橋清

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属円筒体と、こγしを中央に置きその両側から
   挾んで回転自在に支持する固定部と、これらに夫々設け
   られて冷却流体を流通せしめ且つこれらの間でその冷却
   流体を授受する冷却流体通路とから成シ、前記金属円筒
   体の円周外表面を伝熱面とし、又金属円筒体の前記冷却
   流体通路を、伝熱面とその内側に同心に設けられたドラ
   ム基底部とこれの間に連接されたスパイラルフィンとに
   よりスパイラル状に設けたことを特徴とする非晶質又は
   微結晶質金属製造用冷却ドラム。
2. （２）前項において、回転中心軸に垂直な面に対するス
   パイラルフィンの角度を、冷却流体通路内での回転中心
   軸に平行に貫流する冷却流体の流速ベクトルと、これと
   直交し高速回転する金属円筒体の冷却流体通路における
   回転円周接線方向の周速ベクトルとの和のベクトルが回
   転中心軸に垂直な面となす角度に・等しくなる様にした
   こと′ｆｒ、％徴と、する特許請求の範囲第１項記載の
   非晶質又は微結晶質金属製造用冷起ドラム。
3. （３）前記第１項及び第２項において、−の固定部より
   金属円筒体を経て再び他の固定部に入る冷却流体通路が
   全て回転中心軸から等距離の同心同径円上、に位置する
   ようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第り項及び
   第２項記載の非晶質又は微結晶質金属製造用冷却ドラム
   。