(57)【要約】【課題】ノズル１２から溶融金属Ｍを回転ロール１の周面上に吐出し、吐出された溶湯を回転ロール１の周面上で急冷して金属薄帯Ｍｃを製造する金属薄帯製造装置Ａにおいて、回転ロール１の回転に伴って生じる雰囲気ガスの流れがノズル１２から流下する溶湯流Ｍａに影響を与えないようにする。【解決手段】金属薄帯製造装置Ａは、ノズル１２から吐出される溶湯流Ｍａを囲う囲い部材２０を備える。該囲い部材２０は回転ロール１の回転方向Ｓの前方側は開放し、吐出される溶湯流Ｍａの両側方および回転ロール１の回転方向Ｓの後方側を囲う形状であることを特徴とする。この形状の囲い部材２０を備えることで、溶湯流のＭａは回転ロール１の周囲面に垂直上に落下し、ハネが生じることなく、均質な内部組成を備えた金属薄帯（リボン）Ｍｃが製造される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから溶融金属を回転ロールの周面上に吐出し、吐出された溶湯を回転ロールの周面上で急冷して金属薄帯を製造する金属薄帯製造装置であって、
前記装置は、前記ノズルから吐出される溶湯流を囲う囲い部材を備えており、該囲い部材は前記回転ロールの回転方向前方側は開放し吐出される溶湯流の側方および回転ロールの回転方向後方側を囲う形状であることを特徴とする金属薄帯製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属薄帯製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノズルから溶融金属を回転ロールの周面上に吐出し、吐出された溶湯流を回転ロールの周面上で急冷凝固させて金属薄帯(リボン)を製造するようにした金属薄帯製造装置は知られている。この形態の金属薄帯製造装置では、回転ロールの回転に伴い雰囲気ガスに流れが生じるのを避けられない。
【０００３】
このガス流の影響を受け、ノズルから吐出されて回転ロールに到達するまでの溶湯流（溶融金属流）に曲りが生じることがある。溶湯流に曲りが生じると回転ロールとの接触角度に変化が生じ、回転ロールの周面上で、予期しない溶湯のハネが生じる恐れがある。また、ガス流の影響を受け、回転ロールの周面に到達した溶融金属(いわゆるパドル部)と回転ロールの周面との間にガス流が入り込み、冷却速度のバラつきや遅延を生じる恐れもある。このような事態が発生すると、結晶粒の粗大化等による薄帯の内部品質が悪化する。
【０００４】
この不都合を回避した金属薄帯製造装置が、特許文献１および特許文献２に記載されている。特許文献１に記載のものでは、回転ロール周面上に形成される溶湯状の金属からなるパドル部に、回転ロールの回転によって発生したガス流が当たらないように、パドル部の回転ロールの回転方向後方側に風防を設けるようにしている。また、特許文献２に記載のものでは、回転ロール周面上に形成されるパドル部の周囲に、真空ポンプ等の負圧源に接続したシール部を形成し、回転ロールの回転によって発生したガス流を該シール部から吸引することで、ガス流がパドル部へ侵入するのを防止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−６２８１３号公報
【特許文献２】特開平７−２０４７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、上記した形態の金属薄帯製造装置、すなわち、ノズルから溶融金属を回転ロールの周面上に吐出し、吐出された溶湯を回転ロールの周面上で急冷凝固させて金属薄帯(リボン)を製造するようにした金属薄帯製造装置を用いての金属薄帯の製造を継続して行ってきているが、その過程で、特許文献１に記載の装置のように、パドル部の回転ロールの回転方向後方側にのみ風防を設けるようにした金属薄帯製造装置では、雰囲気ガスが吐出された溶湯流の両側方から巻き込まれるようにして流れ込むのを完全には阻止できないことを経験した。そして、側方から巻き込まれたガス流によって、ノズルから回転ロールに到達するまでの溶湯流に予期しない曲りが生じたり、パドル部と回転ロールの周面との間にガス流が入り込むのを経験した。一方、特許文献２に記載されるように、パドル部の周囲に真空ポンプ等の負圧源に接続するシール部を形成し、回転ロールの回転によって発生したガス流をそこから吸引するようにした装置は、発生するガス流の影響を低減できるとしても、真空引きのための特別の構造を備えることが必要であり、装置の製造が複雑となるのを避けられない。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ノズルから溶融金属を回転ロールの周面上に吐出し、吐出された溶湯を回転ロールの周面上で急冷して金属薄帯を製造する金属薄帯製造装置において、ノズルから吐出する溶湯流を囲う囲い部材にわずかな形状変更を加えるのみで、吐出する溶湯流に予期しない曲りが生じてロール周面から溶湯の跳ね返りが生じるのをほぼ完全に抑制することができ、かつ、雰囲気ガスがパドル部と回転ロールの周囲面との間に入り込むのもほぼ完全に抑制することのできる、より改良された金属薄帯製造装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による金属薄帯製造装置は、ノズルから溶融金属を回転ロールの周面上に吐出し、吐出された溶湯を回転ロールの周面上で急冷して金属薄帯を製造する金属薄帯製造装置であって、前記装置は、前記ノズルから吐出される溶湯流を囲う囲い部材を備えており、該囲い部材は前記回転ロールの回転方向前方側は開放し吐出される溶湯流の側方および回転ロールの回転方向後方側を囲う形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による金属薄帯製造装置では、ノズルから吐出される溶湯流を囲う囲い部材の形状を、回転ロールの回転方向後方側のみでなく、両側方と後方側の３方を囲う形状としたことにより、雰囲気ガス流の側方からの巻き込みを防止することができ、品質の高い金属薄帯を製造することが可能となる。また、囲い部材を単に上記のような形状に設計変更するだけであり、製造も容易であって、製造コストの向上も招かない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による金属薄帯製造装置の一実施の形態を示す概略断面図（図１（ａ））と囲い部材の一例を示す斜視図（図１（ｂ））。
【図２】囲い部材とガス流の流れの関係を示す図（図２（ａ））と囲い部材と溶湯流の関係を示す図（図２（ｂ））。
【図３】囲い部材の他の例を示す斜視図
【図４】実施例による金属薄帯（リボン）の製造過程を示す図。
【図５】比較例による金属薄帯（リボン）の製造過程を示す図。
【図６】実施例による金属薄帯（リボン）の組織を示す写真。
【図７】比較例１による金属薄帯（リボン）の組織を示す写真。
【図８】比較例２による金属薄帯（リボン）の組織を示す写真。
【図９】実施例、比較例１、２による金属薄帯（リボン）の酸素濃度を示すグラフ。
【図１０】実施例と比較例１の装置での材料歩留まりを示すグラフ、
【図１１】材料歩留まりを説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係る金属薄帯製造装置の一実施の形態を説明する。
【００１２】
図１（ａ）に示すように、本発明に係る金属薄帯製造装置Ａは、熱伝導率の大きい材料で全体があるいは少なくとも周面が作られた回転ロール１を備える。回転ロール１は回転軸２を備え、図示しない駆動手段から回転軸２を回転中心とする所要の回転が付与される。限定されないが、回転ロール１の直径は３００〜４００ｍｍ程度であってよく、軸方向幅は２００〜３００ｍｍ程度であってよい。また、必須ではないが、回転と同時に、回転軸方向に３〜５ｍｍ／ｓ程度の搖動運動を反復して付与するようにしてもよい。回転ロール１は、一例として、少なくとも周面がＣｕのような材料で作られる。
【００１３】
回転ロール１の直上には、溶融金属Ｍを回転ロール１の周面上に供給するための溶融金属供給装置１０が備えられる。図示の例において、溶融金属供給装置１０は、溶融した金属Ｍを貯留するホッパー１１と、該ホッパー１１の下端部に一体に取り付けられたノズル１２と、ホッパー１１内の溶融金属Ｍを加熱しまた冷却するのを防止するためのヒータ１４を備える。ヒータ１４の具体例は任意であるが、誘電加熱用のコイル等が例示できる。前記ノズル１２は下端に吐出孔１３を有しており、吐出孔１３の直径は、限定されないが、０．５〜２ｍｍ程度であってよい。
【００１４】
ホッパー１１には、収容した溶融金属Ｍをノズル１２から定量的に吐出するために、溶融金属Ｍの上面側に例えば２〜２００ｋＰａ程度の圧力を付与することのできる圧力付与手段が備えられる。圧力付与手段は、加圧された不活性ガスであることが好ましいが、押圧ピストンのような耐熱性を備えた機械的押圧手段等であってもよい。
【００１５】
溶融金属供給装置１０は、回転ロール１の直上に、そのノズル１２の吐出孔１３が回転ロール１の回転軸方向の横幅のほぼ中央部に位置するようにして、図示しない適宜の支持機構によって装着される。
【００１６】
ホッパー１１の下面側には、ノズル１２を外側から囲うようにして、好ましくは、セラミックからなる囲い部材２０が備えられる。囲い部材２０は、上下面と一部の側面部分を開放した形状のものであり、図１（ａ）に示す装置の例では、図１（ｂ）に示すよう、水平断面形状がほぼコ字状をなしており、一つの側面は開放し、他の３面は、後面壁部材２１および左右の側面壁部材２２、２３により囲われている。
【００１７】
囲い部材２０の取り付け位置は、解放した部分の横幅ａ、解放端から後面壁部材２１までの長さをｂとしたときに、前記ノズル１２の吐出孔１３が、横幅ａ方向では横幅ａのほぼ中央に位置し、長さｂ方向では前記解放端から幾分内側に入り込んだ位置となるようにすることが好ましい。また、囲い部材２０の取り付けの方向は、回転ロール１の回転方向を矢印Ｓ（図１（ａ）参照）の方向としたときに、その解放端側が回転ロール１の回転方向Ｓの前方側となるように取り付ける。このように取り付けることにより、囲い部材２０は、回転ロール１の回転方向Ｓの前方側は開放しているとともに、ノズル１２の吐出孔１３から吐出される溶湯流Ｍａの回転ロール１の回転軸２の方向での両側側および回転ロール１の回転方向Ｓの後方側を外側から囲うことができるようになる。
【００１８】
また、囲い部材２０の高さｈは、溶融金属供給装置１０をノズル１２の吐出孔１３と回転ロール１の周面との距離が所要距離（例えば、１０ｍｍ程度）となるように回転ロール１の直上に取り付けたときに、囲い部材２０の下端が回転ロール１の周面と接することなく、わずかな距離（例えば、０．１〜５ｍｍ程度）を保持できる高さとされる。また、図示の例では、囲い部材２０の下端側と上端側とは互いに平行なものとして示したが、囲い部材２０の下端側を回転ロール１の周面に沿うような形状とすることもできる。囲い部材２０の寸法の一例は、横幅ａが６０ｍｍ程度、長さｂが３０ｍｍ程度、３つの壁の厚みが８ｍｍ程度、である。
【００１９】
溶融金属供給装置１０の作動を説明する。従来知られた溶融金属供給装置と同様に、ホッパー１１内に、溶融金属Ｍ、例えば、１４００〜１５００℃程度で溶融したＮｂＦｅＢ材を収容する。回転ロール１に、例えば周速が２０〜４０ｍｍ／ｓとなるような回転を与える。その状態で、圧力付与手段を作動して、ノズル１２の吐出孔１３から溶融金属Ｍを、２〜２００ｋＰａ程度の圧力で吐出する。吐出された溶湯流Ｍａは、ほぼ垂直に流下していき、回転ロール１の周面上に到達する。回転ロール１の周面と接触することで溶湯Ｍは急冷凝固し、金属薄帯(リボン)Ｍｃとなる。
【００２０】
回転ロール１が継続的に回転することで、周囲の雰囲気ガス（空気あるいは不活性ガス）に、回転ロールの回転方向Ｓに沿う流れが生じる。生じたガス流（風）は、図２（ａ）に黒い矢印で示すように、囲い部材２０の外側壁（後面壁部材２１および左右の側面壁部材２２、２３）に沿って流れていき、溶湯流Ｍａには直接には作用しない。そのために、ノズル１２の吐出孔１３から吐出した溶湯流Ｍａは、図２（ｂ）に示すように、そのままの垂直姿勢を保って、所期のとおりに、回転ロール１の周面に到達する。そのために、回転ロール１の周面上で予期しない溶湯Ｍのハネが生じるのを回避でき、また、溶湯Ｍのパドル部Ｍｐ（図２（ｂ）参照）と回転ロール１の周面との間にガス流が入り込むことも回避できる。それにより、所期どおりの内部品質を備えた金属薄帯（リボン）Ｍｃを確実に製造することができる。
【００２１】
また、雰囲気ガスの影響がノズル１２の吐出孔１３から吐出する溶湯流Ｍａに影響を与えないことから、吐出する溶湯流Ｍａは安定化した流れとなり、溶湯流Ｍａの表面が安定的に冷却されることで、溶湯流Ｍａの表面に所要厚みの凝固層もしくは半凝固層Ｍｂが形成され、それが筒形状を形成する。そして、その内側を通過する溶湯Ｍが回転ロール１１の周面に接触するようになる。そのことから、吐出する溶湯Ｍのほとんどは、外気に触れることなく、回転ロール１の周面に到達し、そこで急冷凝固されるため、溶湯Ｍの不要な酸化も抑制される。さらに、凝固層もしくは半凝固層Ｍｂによる筒形状が形成されることで湯流れが安定化し、溶湯Ｍのハネの抑制、急冷リボンの品質向上（結晶粒微細化）および品質の安定性も図られる。
【００２２】
図３は、囲い部材２０の他の形態を示している。この囲い部材２０ａは、水平断面が円弧状または半楕円状をなしている点で、図１（ｂ）に示した囲い部材２０と相違している。ホッパー１１の下面側への取り付け方は、図１に示した囲い部材２０と同じであってよく、説明は省略する。奏する作用効果も、囲い部材２０が奏する作用効果と実質的に同じである。
【実施例】
【００２３】
次に、実施例と比較例とにより、本発明の優位性を説明する。
Ａ．使用した装置
［実施例装置］
図１に基づき説明した形態の金属薄帯製造装置Ａを作成した。回転ロール１をＣｕで製造した。直径は３４０ｍｍとした。ホッパー１１内に、溶融温度が１４００〜１５００℃であるＮｄＦｅＢ材を収容し、ヒータ１４により溶融状態を維持するようにした。ホッパー１１の下端にノズル１２を取り付け、ノズルの下端中央に直径０．８ｍｍの吐出孔１３を形成した。
【００２４】
図１（ｂ）に示した形状の囲い部材２０をセラミックで製造した。寸法と形状は、横幅ａ：６０ｍｍ、長さｂ：３０ｍｍ、壁厚ｃ：８ｍｍのコ字状とした。製造した囲い部材２０をホッパー１１の下端に取り付けた。取り付けに当たり、ノズル１２の吐出孔１３の位置が、囲い部材２０の解放端面側から１５ｍｍ内側に位置するようにした。また、囲い部材２０の下端と回転ロール１の周面との距離が１．５ｍｍとなるようにした。
【００２５】
装置の運転に当たり、装置全体をＡｒガス６．３ｋＰａ以下の雰囲気下にあるチャンバー内に収容した。
【００２６】
［比較例装置１］
囲い部材２０のすべてを取り除いた点を除き、実施例１と同じ装置を用いた。
【００２７】
［比較例装置２］
取り付けた囲い部材２０から、左右の側壁材２２、２３を取り除いた点を除き、実施例１と同じ装置を用いた。
【００２８】
Ｂ．装置の運転
［実施例装置の運転］
回転ロール１に周速度が３０ｍｍ／ｓとなる回転を与えた。また、ノズル内圧力が１２ｋＰａとなるように、ホッパー１１内の不活性ガス圧力を調整した。そして、ノズル１２の吐出孔１３を解放した。図２（ｂ）に示すように、吐出された溶湯Ｍは、垂直姿勢を保った状態で回転ロール１の周面にまで到達した。溶湯流Ｍａの外周に筒状体に凝固層もしくは半凝固層Ｍｂが形成されているのを、目視で確認できた。
【００２９】
上記の金属薄帯製造装置Ａにおいて、囲い部材２０は、溶湯流Ｍａの前方側、すなわち回転ロール１の回転方向Ｓの前方側は開放しているので、側壁に沿って流れるガス流によって囲い部材２０の内部に負圧が生じ、囲い部材２０の開放側から囲い部材２０の内部へのガス流が生じる。この流れがノズル１２から吐出する溶湯流Ｍａに作用して、溶湯流Ｍａの表面での凝固層もしくは半凝固層Ｍｂの形成が一層促進されたものと推測される。
【００３０】
装置の側方斜め上方から金属薄帯Ｍｃが製造される状態を写真撮影した。撮影された写真を図４に模式図化して示した。図４に示すように、溶湯Ｍａは、ノズル１２の吐出孔１３から垂直状態を保って落下しており、回転ロール１の周面に接触した後、急冷されて金属薄帯(リボン)Ｍｃとなり、溶湯のハネがない状態で、回転ロール１の回転方向Ｓに移送されているのがわかる。
【００３１】
［比較例装置１の運転］
比較例装置１について実施例装置と同じ条件で運転を行った。実施例１と同様にして金属薄帯が製造される状態を写真撮影し、撮影された写真を図５に模式図化して示した。図５に示すように、回転ロール１によって引き起こされたガス流（風）によって、溶湯流Ｍａに曲りが生じているのがわかる。また、溶湯流Ｍａの外周に筒状体に凝固層もしくは半凝固層Ｍｂが形成されているのを目視では確認できなかった。そして、溶湯流Ｍａに曲りが生じたことが要因で、溶湯のハネが生じているのも確認できた。
【００３２】
［比較例装置２の運転］
比較例装置２について実施例装置と同じ条件で運転を行った。目視により観察したところ、囲い部材２０の側方から巻き込まれる風によって、溶湯流Ｍａに曲りが生じていた。また、溶湯流Ｍａの外周に筒状体に凝固層もしくは半凝固層Ｍｂが形成されているのを目視では確認できなかった。そして、溶湯流Ｍａに曲りが生じたことが要因で、溶湯のハネが生じているのも確認できた。
【００３３】
Ｃ．製造された金属薄帯(リボン)の比較
［組織の均一性の比較］
［実施例品］
実施例の装置で製造された金属薄帯(リボン)Ｍｃの組織写真を図６に示した。図６に示すように、全面が１００ｎｍ未満の結晶となっており、リボン全面が回転ロール１との接触により急冷されて組織が均一化しているのが確認できた。
【００３４】
［比較例１品］
比較例１の装置で製造された金属薄帯(リボン)Ｍｃの組織写真を図７に示した。図７に示すように、リボンの組成は均一でなく、１００ｎｍ未満の結晶、１００ｎｍ以上１μｍ未満の結晶、１μｍ以上の結晶が混在しているのがわかる。１００ｎｍ未満の結晶領域は回転ロール１との接触で急冷された領域であり、１００ｎｍ以上１μｍ未満の結晶領域の図で上方の領域はハネたことで急冷されず外気で冷却され結晶が粗大化した領域であり、１００ｎｍ以上１μｍ未満の結晶領域の図で下方の領域はハネたことで冷却が効かず結晶が粗大化した領域であり、急冷されず外気で冷却され結晶が粗大化した領域であり、１μｍ以上の結晶領域は内部で最も冷却が遅れ最も結晶が粗大化した領域である。
【００３５】
［比較例２品］
比較例２の装置で製造された金属薄帯(リボン)Ｍｃの組織写真を図８に示した。図８に示すように、全面が１００ｎｍ以上１μｍ未満の結晶粒となっていた。これは、囲い部材を設けたことでガス流の流れが一部緩和されたものの、側方に囲いがないことから、側方からの巻き込み流が生じ、それが原因でハネが生じて冷却が不十分であったことによると考えられる。
【００３６】
［考察］
以上の観察結果から、本発明による金属薄帯製造装置で金属薄帯(リボン)Ｍｃを製造することにより、全体に組織が均一化した金属薄帯(リボン)Ｍｃが得られることがわかる。
【００３７】
［酸素濃度結果の比較］
実施例の急冷リボン、比較例１の急冷リボン、比較例２の急冷リボンについて、リボン中の酸素濃度を測定した。計測には、ＨＯＲＩＢＡ  ＥＭＧＡ−６５０を用いた。その結果を図９に示した。実施例品と比較して、比較例１および比較例２の急冷リボンは含まれる酸素濃度が大きくなっている。これは、比較例品はハネの発生などにより、実施例品と比較して外気に触れる時間が長くなっている結果である。これからも、本発明による装置の優位性が示される。
【００３８】
［材料歩留まりの比較］
実施例の装置と比較例１の装置を用い同じ条件でリボンを製造したときの材料歩留まりを、次式１を用いて算出し、その結果を図１０に示した。
【００３９】
（式１  材料歩留まり＝回収缶に入ったリボン量／ノズルへの材料仕込み量）
【００４０】
なお、式１において、「回収缶に入ったリボン量」とは、図１１に示すように、回転ロール１の周面で所期のとおりに急冷されて送り出されルートＡを経由して回収缶３０内に収容されたリボンの量である。回転ロール１の周面で溶湯のハネが生じると、正規ルートＡではなく、ルートＢ、Ｃのような不規則ルートを取ることとなり、前記したように、このような、不規則ルートＢ、Ｃを通ったリボンは冷却不十分等の関係で不良品となる。
【００４１】
図１０に示すように、本発明による装置、すなわち実施例の装置では、比較例１の装置と比較して３０％程度も歩留まりが向上しており、ここでも本発明に係る装置の優位性が示される。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ…本発明に係る金属薄帯製造装置、
Ｍ…溶融金属、
Ｍａ…ノズルから流下する溶湯流、
Ｍｂ…溶湯流の周囲に形成される筒状体の凝固層もしくは半凝固層、
Ｍｃ…製造された金属薄帯（リボン）、
Ｍｐ…パドル部、
Ｓ…回転ロールの回転方向、
１…回転ロール、
２…回転ロールの回転軸、
１０…溶融金属供給装置、
１１…溶融金属を貯留するホッパー、
１２…ノズル、
１３…ノズルの吐出孔、
１４…ヒータ、
２０…囲い部材、
２１…囲い部材の後壁、
２２、２３…囲い部材の両側壁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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