JP2000263194A - 溶湯噴射用ノズル - Google Patents

溶湯噴射用ノズル

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JP2000263194A
JP2000263194A JP11068541A JP6854199A JP2000263194A JP 2000263194 A JP2000263194 A JP 2000263194A JP 11068541 A JP11068541 A JP 11068541A JP 6854199 A JP6854199 A JP 6854199A JP 2000263194 A JP2000263194 A JP 2000263194A
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quartz
ceramic
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Keiichi Kimura
圭一 木村
Toshio Mukai
俊夫 向井
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、希土類元素を含有する金属溶湯を
液体急冷する装置において長時間の噴射に耐え、溶湯流
出事故を防ぐ構造を有する溶湯噴射用ノズルを提供す
る。 【解決手段】 金属溶湯を液体状態から急冷凝固させる
装置に使用される石英ノズルの石英先端部内面に溶湯噴
出量を制御するオリフィスを設けたセラミックスが密接
され、かつこのオリフィスと連続して石英先端部溶湯出
側にオリフィスより大きな孔が設けられており、金属溶
湯噴射口の金属溶湯と接する側がセラミックス、外側が
石英の2重構造になっている溶湯噴射用ノズル。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、希土類磁石合金、
水素吸蔵合金等の必須構成元素である希土類金属を含有
する合金溶湯を安定的に液体急冷できる装置に使われる
溶湯噴射用ノズルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】金属を液体状態から急冷することによ
り、通常の溶解・鋳造のプロセスでは得られない特性を
工業的規模で発現させることが可能になっている。希土
類金属を含有する合金溶湯の液体急冷の代表的なもの
は、Nd−Fe−B系合金の急冷凝固であり、単ロール
法等による液体急冷により高特性の磁石粉末の提供が可
能になっている(例えば、特開昭60−9852号公
報)。また、液体急冷法はニッケル水素電池の負極材に
用いる水素吸蔵合金にも応用され、希土類金属−Ni系
(特開平8−60265号公報)で急冷凝固された合金
粉末が従来材よりも優れた水素吸蔵特性を示すことが開
示されている。以上のように、希土類金属は多くの機能
性材料で必須の構成元素であるが、それらを含有する合
金溶湯は耐火物セラミックスに対して高還元性であり、
液体急冷装置においてはその最重要部品である溶湯噴射
用ノズルの耐食性が問題になる。
【0003】ここで言うノズルとは、噴射口近傍のみを
さすものではなく、金属溶湯を一時的に保持する機能を
有するリザ−バ−の部分を含めたるつぼ全体を指すもの
とし、金属溶湯の噴射量を制御する噴射用の孔は、特に
オリフィスと呼ぶことにする。
【0004】液体急冷法の代表的なものとしては、合金
溶湯を水冷回転ロールに向かって噴射して冷却するロー
ル冷却法(単ロール法、双ロール法)と、高圧ガスで噴
霧冷却するガスアトマイズ法とがある。いずれの方法で
も、溶湯を噴射するためのノズルが急冷凝固品の品質及
び安定操業の鍵となる部品である。小容量の液体急冷装
置においては、そのノズルの材質としては石英(一般に
は溶融石英ガラス)が用いられている。石英は、透明で
輻射熱を通すので溶湯を外部から加熱することが容易で
あり、また熱膨張係数が小さいために耐熱衝撃性に優れ
る。石英は1000℃を越える高温では軟化して変形す
ることから、大容量の液体急冷には不適と考えられる
が、サポート部材の適用によりNd−Fe−B合金溶湯
の大容量の液体急冷においても適用された例がある(特
開平2−247304号公報)。熱力学的には、石英は
希土類金属に接すると還元され、Siが溶出し、代わり
に希土類金属の酸化物が形成される。このSiの溶出に
よりオリフィス径が拡大する。また、生成された希土類
金属の酸化物が滞留するとオリフィス閉塞を引き起こ
す。オリフィス径が拡大すると溶湯の噴出速度が大きく
なり、急冷速度が低下し、急冷凝固生成物の品質のバラ
ツキの原因になる。また、オリフィスが閉塞するとその
時点で操業の停止となり、歩留まりの低下となる。これ
らの量産上の課題に対しては、オリフィスの材質の検討
が必要である。
【0005】しかしながら、ノズル先端部をセラミック
スとする場合、セラミックスが割れたり、石英とセラミ
ックスの接合部から先端部が脱落した場合、反応性の高
い溶湯が一気に吹き出し、ノズル下部の構成部材である
ロ−ル、真空チャンバ−等の部品を破損させる恐れがあ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、希土類元素
を含有する金属溶湯を液体急冷する装置において、長時
間噴射に耐え、溶湯流出事故を防ぐ溶湯噴射用ノズルを
提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、ノズル先端の
金属溶湯噴射口が、金属溶湯に対して耐食性のあるセラ
ミックスと高温における耐熱衝撃性を有する石英の2重
構造としたノズルを提供するものである。
【0008】即ち、金属溶湯を液体状態から急冷凝固さ
せる装置に使用される石英1とセラミックス4から構成
される溶湯噴射用ノズルであって、石英先端部内面に溶
湯噴出量を制御するオリフィス3を設けたセラミックス
4が密接され、かつ該オリフィス4と連続して石英先端
部溶湯出側に該オリフィスより大きな孔2が設けられて
おり、金属溶湯噴射口の金属溶湯と接する側がセラミッ
クス4、外側が石英1の2重構造になっていることを特
徴とする溶湯噴射用ノズルである。
【0009】
【発明の実施の形態】図1、図2に本発明のノズルの代
表的形態を示す。図はノズルの長手方向の断面図(a)
(b)とノズル噴射孔正面から見た図(c)である。
(a)は1列に並んだ3つのオリフィスの列に沿った面
の断面図であり、(b)はその面と直角の面の断面図を
示している。
【0010】ノズルは石英1を主体とし、その先端部に
溶湯の出口となる孔2が1個以上あけられている。更に
ノズル先端部の内側にセラミックス製オリフィス3を有
するセラミックス4が設置され、石英1とセラミックス
4は面で密接している。以下この面を密接面と呼ぶ。密
接面は、接合されていても、いなくても良いが、内圧が
かかった場合、密接面の少なくとも一部に圧縮力がかか
るような構造になっている必要がある。
【0011】噴射前の金属溶湯5は、石英1で保持され
ており、セラミックス製オリフィス3の径は、圧力が一
定以上にならないと金属溶湯5が通過できない大きさと
する。
【0012】オリフィス3の形状は丸形、スリット形状
のいずれかが選択される。丸形の場合、孔の直径は通常
0.2〜2mmに設定され、孔部の厚さは1〜5mmで
ある。大容量の液体急冷装置においては、大型のノズル
を用い、その下端に設けるオリフィス3の孔の数を増や
すことにより所望の生産性を得ることができる。スリッ
ト形状の場合は、スリットの幅が通常0.2〜2mmに
設定され、スリット部の厚さは同じく1〜5mmであ
る。
【0013】石英1の溶湯出口の孔2は、溶湯噴射中に
金属溶湯と接しないように、少なくともセラミックス製
オリフィス3よりも大きな径である必要がある。しか
し、この石英の孔2は、万が一セラミックス4と石英1
が剥離し、溶湯5がセラミックス4と石英1の間から漏
洩したり、セラミックス4が破損して直接溶湯5が侵入
した場合でも、一度に大量に溶湯が噴出しないような径
をとる必要がある。この大きさは溶湯の粘度と操業圧力
にもよるが、孔2の形状が円の場合、半径2.5mm以
下程度、面積にして20mm2以下であることが望まし
い。
【0014】セラミックス4は、一般的に金属溶湯に対
して耐食性に優れるため、オリフィスを形成する材料と
して望ましい。
【0015】
【実施例】図3に、実験に用いた単ロール型液体急冷装
置とノズルの配置を示した。
【0016】金属溶解用ルツボ6から、溶湯5がノズル
内部に注湯され、それと同時に溶湯にガス圧力が加えら
れ、ノズル下端に設けられたセラクックス製オリフィス
3より溶湯が噴射される。噴射された溶湯は、回転して
いる水冷ロール7の表面にてパドルを形成し、順次急冷
凝固される。凝固生成物8は薄帯状もしくはフレーク状
であり、ロールの回転方向に飛散する。この系全体は、
真空チャンバ−9で閉じられており、不活性ガス中で処
理される。
【0017】溶湯噴射用ノズルとしてセラミックス部分
4をサイアロンとした図1で示す噴射用ノズルを作製
し、単ロール型の液体急冷装置に取り付け、Nd−Fe
−B系磁石合金溶湯の鋳造実験を行った。
【0018】図1はノズル先端部の拡大図である。ノズ
ル先端部の石英とセラミックスは接合されていないが面
で密接されており、内圧をかけた場合、この面に圧縮力
がかかり、溶湯が密接面に侵入しない構造とした。石英
部分は、サイアロンと密接する寸法精度が要求される先
端部とそれ以外の部分に分けて製造し、この2つをサイ
アロンを挟むように溶着して製造した。石英の熱収縮
は、サイアロンのそれより小さいため、室温ではサイア
ロンと石英の間には若干の隙間が生じるが、昇温し、内
圧をかけることによって、サイアロンと石英は密接す
る。
【0019】サイアロンに設けたオリフィスの直径は
1.0mmとした。
【0020】実験では、ノズルを100℃/minで1
400℃まで加熱し、そこに合金溶湯を注入し、オリフ
ィスから溶湯の噴射を行った。比較のために、石英だけ
で、孔数とオリフィス径の同じノズルを石英のみで作製
し、同様の実験を行った。
【0021】その結果、いずれのノズルにても噴射可能
であり、20分の噴射を完遂した。サイアロンを具備し
たノズルでは孔径の変化は観察されなかった。一方、石
英のみで製造されたノズルのオリフィス径は1.3mm
まで孔が広がっていた。得られた急冷凝固品はいずれも
フレーク状であり、その厚さは20〜30μmであっ
た。
【0022】上記2種の急冷凝固品を粉砕して適度の粒
度の粉末となし、エポキシ樹脂で結合して樹脂ボンド磁
石を作製した。その結果、石英のみで作製されたノズル
で製造したフレ−クを用いた磁石について、磁石特性を
表す最大エネルギー積が噴射前期の粉末では9〜10M
GOeであったが、噴射後期の粉末では6〜7MGOe
まで落ちていた。一方、サイアロンを具備したノズルで
製造した磁石では、全噴射時間に渡ってその特性に差が
無く、最大エネルギー積で9〜10MGOeの値が得ら
れた。この結果は、石英製ノズルでは噴射時間が長くな
るにしたがい、オリフィスの孔径が大きくなり、緩冷却
になったことと対応している。サイアロン製オリフィス
を具備したノズルではこの問題がなく、全噴射品につい
て均一に高い特性の磁石粉末が得られることがわかっ
た。
【0023】次に、サイアロンセラミックスが破損した
ことを想定して、サイアロンセラミックスの中央縦方向
に予備き裂を入れ、同様な実験をおこなった。
【0024】Nd−Fe−B系合金溶湯をノズルに移送
すると、き裂が進展し合金溶湯がサイアロン製オリフィ
ス3を経由せず、き裂を通り直接石英ノズル孔より噴出
した。しかし、銅ロ−ルを始めとする、急冷凝固装置自
体には支障がなかった。これは、石英孔によって噴射量
が制限されたためである。
【0025】石英るつぼの先にセラミックス製ノズルが
接合された図4のような構造であった場合や図1の構造
であっても石英孔が大きい場合、想定実験のようにセラ
ミックスが破損した場合、金属溶湯が大量に噴出し、銅
ロ−ルやチャンバ−等の急冷凝固装置部材自体に損害を
与える可能性が大きいと考えられる。
【0026】
【発明の効果】ノズル先端の金属溶湯噴射口を、金属溶
湯に対して耐食性のあるセラミックスと高温で耐熱衝撃
性を有する石英の2重構造とすることによって、希土類
金属を含有する合金溶湯を長時間に渡って安定して噴射
でき、溶湯流出事故の可能性を小さくすることが出来
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における噴射用ノズルの一形態を示す図
であり、実施例に使用したものである。(a)はA−A
断面図であって1列に並んだ3つのオリフィスの列に沿
った面、(b)はB−B断面図であって(a)と直角の
面を示している。(c)はノズル噴射孔正面から見た図
である。
【図2】本発明における噴射用ノズルの別な一形態を示
す図であり、図の構成は図1と同様である。
【図3】単ロール型液体急冷装置における噴射用ノズル
の位置及びその機能を示す模式図である。
【図4】石英を主体とし、先端部をセラミックスとした
噴射用坩堝の最も単純な構造であり、本発明の範囲外の
構造である。図の構成は図1と同様である。
【符号の説明】
1 石英 2 石英にあけられた孔 3 セラミックス製オリフィス 4 セラミックス 5 金属溶湯 6 金属溶解用るつぼ 7 水冷回転ロ−ル 8 凝固生成物 9 真空チャンバ− 10 ヒ−タ− 11 圧力隔壁

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属溶湯を液体状態から急冷凝固させる
    装置に使用される石英とセラミックスから構成される溶
    湯噴射用ノズルであって、石英先端部内面に溶湯噴出量
    を制御するオリフィスを設けたセラミックスが密接さ
    れ、かつ該オリフィスと連続して石英先端部溶湯出側に
    該オリフィスより大きな孔が設けられており、金属溶湯
    噴射口の金属溶湯と接する側がセラミックス、外側が石
    英の2重構造になっていることを特徴とする溶湯噴射用
    ノズル。
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