專利名稱：冷卻裝置和薄帶連鑄裝置以及鑄造薄帶的冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷卻高溫物體的冷卻裝置和冷卻方法，特別涉及可以改變高溫區(qū)的冷卻能力的冷卻裝置和冷卻方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明是涉及作為NdFeB系磁性合金的制造方法而逐漸普及的薄帶連鑄裝置的冷卻裝置和冷卻方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著個(gè)人電腦及其外部設(shè)備等電子裝置的高性能化和小型化，對(duì)于高性能的Nd系燒結(jié)磁體的需求日益增加。另外，為了減小空調(diào)機(jī)和電冰箱等家用電器的耗電量，或者包括雜化物型的電動(dòng)車輛在內(nèi)為了尋求更高效率的電動(dòng)機(jī)，在這些技術(shù)領(lǐng)域中對(duì)于Nd系燒結(jié)磁體的需求也大大增加了。
另一方面，提高Nd系燒結(jié)磁體性能的工作也在不斷進(jìn)行。用于提高其性能的技術(shù)大體上可分為二類，一類涉及原料合金的組織控制，另一類涉及磁體的制造技術(shù)的改進(jìn)。
為了提高磁體的性能，不僅僅需要改進(jìn)磁體的制造工藝，作為原料的磁性合金的制造技術(shù)的改進(jìn)也非常重要。
例如，由于性能和經(jīng)濟(jì)性方面的原因在稀土類磁體中生產(chǎn)量最大的NdFeB系燒結(jié)磁體，承擔(dān)磁性的Nd2Fe14B相是在Nd-Fe-B三元平衡相圖中由液相經(jīng)過(guò)包晶反應(yīng)生成的。因此，化學(xué)計(jì)量組成越是接近于高性能的Nd2Fe14B相的磁體用合金，熔煉鑄造時(shí)越容易產(chǎn)生初晶的γFe。而且，這種γFe相形成枝晶狀，立體地相互連接，大大損害了鑄錠的粉碎性，導(dǎo)致磁體制造過(guò)程中粉碎時(shí)得到的粉末的粒徑分布紊亂或者組成不均一。
為了避免這些問(wèn)題，最近人們開(kāi)始采用鑄造時(shí)加快凝固速度的薄帶連鑄法(以下簡(jiǎn)稱SC法)(例如參見(jiàn)專利文獻(xiàn)1)。所謂SC法，是通過(guò)中間包將金屬熔液澆注到水冷輥上、得到厚約0.3mm的鑄造薄帶(以下簡(jiǎn)稱SC材料)的方法。由于SC材料很薄，在凝固點(diǎn)附近的冷卻速度達(dá)到1000℃/秒或更高，不生成初晶的γFe，作為磁性相的Nd2Fe14B相直接由液相生成，可以得到不存在γFe相的鑄錠(γFe相隨著溫度降低而轉(zhuǎn)變成αFe)。另外，比合金中所含有的Nd2Fe14B相過(guò)剩的Nd以富Nd相的形式存在。
SC材料中所含的富Nd相，與以往的用模具鑄造的方式得到的厚30mm的鑄錠相比凝固速度快，因而呈微細(xì)分布。這種富Nd相在磁體的制造過(guò)程中進(jìn)行燒結(jié)時(shí)變成液相，通過(guò)所謂的液相燒結(jié)促進(jìn)密度增大。另外，在燒結(jié)后的磁體中，將Nd2Fe14B磁性相磁截?cái)?，有助于提高矯頑力。因此，如果富Nd相在原料合金中更細(xì)微、均一地分離，在磁體制造過(guò)程中即使為粉碎的微粉末狀態(tài)，分散分布狀態(tài)也得到改善，起到提高磁性能的作用。
一般地說(shuō)，對(duì)于NdFeB系燒結(jié)磁體，從提高耐熱性和改善經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，作為稀土元素，除了Nd之外還添加Dy和Pr來(lái)替代一部分Nd。另外，在很多情況下，使用具有提高居里點(diǎn)和改善耐腐蝕性效果的Co或其它過(guò)渡金屬元素來(lái)替代一部分Fe。因此，在下文中使用R代替Nd，用T代替Fe，將Nd2Fe14B相表述為R2T14B相，將富Nd相表述為富R相。
下面進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明富R相在鑄造時(shí)的SC材料中的行為。富R相在水冷輥上冷卻時(shí)，與主相R2T14B相生長(zhǎng)的同時(shí)從凝固界面上被排出，在R2T14B相的晶粒內(nèi)形成薄層狀(lamellar)，還有一部分在晶界上生成。
例如在Nd-Fe-B三元平衡相圖中，富R相的熔點(diǎn)是660℃，比磁體組成合金的液相面溫度低得多。另一方面，在通常的SC法的鑄造條件下，SC材料離開(kāi)水冷輥時(shí)的平均溫度在700℃以上，富R相還是液相狀態(tài)。
一般地說(shuō)，在液相中或者通過(guò)液相的原子擴(kuò)散與固相中的擴(kuò)散現(xiàn)象要快得多。因此，取決于SC材料離開(kāi)水冷輥后的冷卻速度，SC材料中的富R相的形態(tài)變化很大。
在冷卻速度較慢的場(chǎng)合，富R相與母相的界面能要降低，薄層收縮，變得趨近圓形。另外，隨著溫度降低，富R相中的R濃度增大，富R相的體積比減小。另一方面，在冷卻速度較快的場(chǎng)合，比剛離開(kāi)水冷輥的呈高溫狀態(tài)原封不動(dòng)地被凍結(jié)保留下來(lái)。即，剛凝固后的薄層狀態(tài)原封不動(dòng)地保留下來(lái)，在SC材料的斷面組織中，除了1次薄層外還可以清楚地觀察到2次薄層。在這樣的場(chǎng)合，富R相的體積比增大，富R相中的R濃度降低。
這種狀態(tài)可以采用下面所述的方法(線段法)定量地進(jìn)行評(píng)價(jià)，即，例如使用掃描電子顯微鏡通過(guò)反射電子射線圖像觀察SC材料的斷面組織，在所得到的顯微照片(組成圖像)上畫(huà)出長(zhǎng)度為L(zhǎng)的線段，數(shù)出該線段與富Nd相交叉的交點(diǎn)數(shù)N，用線段的長(zhǎng)度L除以N，求出富R相的平均間距L/N。SC材料離開(kāi)水冷輥后的冷卻速度越快，這一數(shù)值越小。
如果象這樣改變富R相的存在狀態(tài)，如下所述，可以對(duì)磁體制造過(guò)程中的氫化、微粉碎工序產(chǎn)生影響，還可以影響所得到的磁體的性能。
在制造燒結(jié)磁體時(shí)，通常使用噴射式粉碎機(jī)等粉碎機(jī)進(jìn)行微粉碎之前，要進(jìn)行氫裂處理(HD處理)。R2T14B系磁體用合金吸收氫，特別是富R相容易吸收氫，生成氫化物，體積膨脹，此時(shí)，由于楔子效應(yīng)以及因氫化而引起的脆化的共同作用，合金內(nèi)產(chǎn)生微小的裂紋。如果離開(kāi)水冷輥后的冷卻速度很高，在富R相的間距較小的情況下，往往容易非常細(xì)小地碎裂。而且，當(dāng)粉碎的粉末粒子的平均粒徑過(guò)小時(shí)，粉末的活性增大，在大氣中容易燃燒，或者對(duì)于所得到的磁體的磁性能有害的氧濃度容易升高。另外，越是微小的粉末，磁場(chǎng)成形時(shí)的取向度越容易降低，容易引起磁體性能特別是磁化降低等問(wèn)題。
因此，SC材料離開(kāi)水冷輥后立即快速冷卻的合金，一般不適合作為磁體用的原料合金。特別是冷卻速度過(guò)快的場(chǎng)合，富R相中的R濃度過(guò)低，氫化反應(yīng)難以進(jìn)行或者過(guò)于緩慢，在生產(chǎn)工藝過(guò)程中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。
可是，使用粒徑分布非常狹窄的粉末，在磁場(chǎng)成形以及真空燒結(jié)的場(chǎng)合，可以得到粒徑分布很窄的磁體，容易制造矯頑力很大的磁體。因此，例如作為電動(dòng)機(jī)等使用的高矯頑力的磁體用原料合金，富R相的間距較小的SC材料比較適宜。但是，在這種場(chǎng)合，如前面所述，冷卻速度過(guò)快是不適宜的，在離開(kāi)水冷輥后的高溫區(qū)以適度緩慢的冷卻速度進(jìn)行冷卻，使富R相的二次薄層適度消失的組織的SC材料比較適宜。
反之，在離開(kāi)水冷輥后的SC材料的冷卻速度緩慢的場(chǎng)合，富R相的間距擴(kuò)大，微粉碎處理后的粉碎粒子平均粒徑往往也會(huì)增大。在這種場(chǎng)合，磁場(chǎng)取向時(shí)取向度容易升高，例如在制造硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)用的磁頭驅(qū)動(dòng)器的音圈電機(jī)(VCM)等使用的磁化大的磁體時(shí)，這樣的組織的合金往往比較好。
綜上所述，在SC法中，必須控制對(duì)于磁體性能產(chǎn)生重要影響的富R相的分布狀態(tài)，為此，控制SC材料離開(kāi)水冷輥后的冷卻條件非常重要，特別是在富R相的熔點(diǎn)以上的高溫區(qū)的溫度控制至關(guān)重要。
作為SC材料離開(kāi)水冷輥后的冷卻條件控制的例子，以往曾經(jīng)公開(kāi)了一種方法，將SC材料的冷卻過(guò)程分為二個(gè)部分，以水冷輥上的冷卻作為一次冷卻，以離開(kāi)水冷輥后的冷卻作為二次冷卻，為了控制后者的二次冷卻速度，在合金的固相線溫度(凝固結(jié)束溫度＝三元共晶溫度)以下按照50℃/分～2×103℃/分的冷卻速度進(jìn)行冷卻(例如參見(jiàn)專利文獻(xiàn)2)。
上述現(xiàn)有技術(shù)中的二次冷卻被規(guī)定為“在急冷輥與鑄造薄帶存放箱之間進(jìn)行Ar氣體等惰性氣體冷卻，或者在用傳送機(jī)或傳送帶輸送過(guò)程中進(jìn)行冷卻，進(jìn)而在鑄造薄帶存放箱內(nèi)惰性氣體冷卻進(jìn)行調(diào)節(jié)，另外還有用2對(duì)旋轉(zhuǎn)的帶夾著鑄造薄帶冷卻，或者直接投入液體Ar中冷卻的方法，也可以是這些方法的組合”。但是，在控制高溫區(qū)的冷卻速度的場(chǎng)合，如果用同一種方法冷卻至低溫區(qū)，隨著溫差減小，冷卻速度減慢，從操作室中取出SC材料到溫度降低到不會(huì)發(fā)生氧化的溫度時(shí)需要很長(zhǎng)時(shí)間。迄今為止還沒(méi)有解決這一問(wèn)題的具體技術(shù)方案尚未公開(kāi)。
另外，還曾公開(kāi)了一種將800～600℃之間的平均冷卻速度規(guī)定為1.0℃/秒以下，使富R相的間距擴(kuò)大至3～15μm的方法(例如參見(jiàn)專利文獻(xiàn)3)。
為了這一目的，曾經(jīng)公開(kāi)了“一種含有稀土元素的合金的組織控制方法，其特征在于，在真空或隋性氣體氣氛的室內(nèi)，使含稀土元素的合金的熔液流到被冷卻的旋轉(zhuǎn)滾筒上，使之冷卻，凝固成薄帶狀，然后立即將該凝固薄帶破碎成片狀，破碎的合金片被收入放置在上述室內(nèi)的存放容器中，利用冷卻介質(zhì)控制上述破碎合金片的冷卻速度”，作為具體的方法，有人提出了一種含稀土元素的合金的組織控制方法，在存放容器的內(nèi)部設(shè)置冷卻用隔板，使作為冷卻介質(zhì)的氣體或液體流過(guò)其中，控制破碎合金片的冷卻速度(例如參見(jiàn)專利文獻(xiàn)4)。
但是，在該方法中使用氣體作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，由于氣體的每當(dāng)量體積的熱容量極小，必須流過(guò)大量的氣體。在使用惰性氣體的場(chǎng)合，可以在堆積的SC材料之間直接流動(dòng)，但需要圍繞大口徑配管、回收、冷卻被加熱的氣體的具有很大傳熱面積的熱交換器，導(dǎo)致設(shè)備增大。另外，冷卻所需要的時(shí)間也延長(zhǎng)了。
此外還公開(kāi)了使用空氣的例子，但在這種情況下必須設(shè)置密閉結(jié)構(gòu)的隔板?？墒牵諝獾拿慨?dāng)量體積的熱容量很小，為了增加冷卻速度，必須流過(guò)大量的空氣并且需要傳熱面積非常大的隔板，將SC材料容納在其間隙中。因此，在大批量生產(chǎn)規(guī)模的裝置中，存放容器變得相當(dāng)大。而且，為了使進(jìn)出鑄造腔室或從水冷輥上落下的SC材料均勻地散落到容器中，必須制成可以移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，而在這樣的存放容器中配置大直徑的配管，送入大量的空氣，難以保證設(shè)備的可靠性。特別是，含有稀土元素的合金化學(xué)性質(zhì)極其活潑，作為處理這樣的高活性的合金并且在高溫下具有大的比表面積的SC材料的裝置，其安全性也存在很大的問(wèn)題。
另外，在使用水作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，是在鑄造之后流動(dòng)，由于在高溫狀態(tài)的隔板內(nèi)直接流動(dòng)水，會(huì)招至急劇的沸騰現(xiàn)象，安全性存在問(wèn)題。此外，對(duì)于折擋板的熱沖擊過(guò)大，由于熱應(yīng)變而引起開(kāi)裂或變形，隔板的耐久性也成問(wèn)題。特別是，萬(wàn)一發(fā)生破損，漏出的水與高溫的SC材料反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，會(huì)引起重大的安全隱患。如果為了避免發(fā)生這些問(wèn)題，從鑄造開(kāi)始前流過(guò)水，則冷卻能力過(guò)大，難以實(shí)現(xiàn)在高溫區(qū)所要達(dá)到的緩慢冷卻條件。
另外，還曾公開(kāi)了一種將放入SC材料的存放容器轉(zhuǎn)移到相鄰的另一室中，在那里用惰性氣體等進(jìn)行冷卻的方法(例如參見(jiàn)專利文獻(xiàn)5)。在該方法中，高溫區(qū)的冷卻一般減慢。但是，這種冷卻方法的目的不是為了控制合金的組織，因而不可能調(diào)整冷卻速度。此外，低溫區(qū)的冷卻也減慢了，要使溫度降低到能在大氣中敝開(kāi)的溫度需要很長(zhǎng)時(shí)間，因而需要很多存放容器。
專利文獻(xiàn)1日本第317643/1988號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)(第1頁(yè)、(摘要))專利文獻(xiàn)2日本第269643/1996號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)(第1頁(yè)、(摘要))專利文獻(xiàn)3日本第36949/1998號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)(第1頁(yè)、(摘要))專利文獻(xiàn)4日本第2002-266006號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)(第1頁(yè)、(摘要))專利文獻(xiàn)5日本第155507/1997號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)公報(bào)(第1頁(yè)、(摘要))發(fā)明內(nèi)容如上所述，在稀土類磁性合金的SC法中，除了在水冷輥上的冷卻速度外，在SC材料離開(kāi)水冷輥后、特別是剛離開(kāi)水冷輥后的富R相處于熔化狀態(tài)的溫度區(qū)中的冷卻速度的控制也很重要。為了將該溫度區(qū)的冷卻速度適度減慢并根據(jù)磁體所需要的性能控制合金的組織，同時(shí)也為了能自由地調(diào)整冷卻速度并且隨后提高生產(chǎn)率，必須要有在短時(shí)間內(nèi)冷卻的裝置和方法。而且，操作和處理活性極高且比表面積很大的稀土類合金的裝置，從組織控制以及安全性的角度考慮，必須是充分考慮熱應(yīng)力、應(yīng)變、腐蝕等因素的設(shè)備。
迄今為止，還沒(méi)有關(guān)于這樣的可靠性很高的裝置的公開(kāi)。
本發(fā)明的目的是，提出在作為高性能的R2T14B系燒結(jié)磁體的原料合金進(jìn)行最佳組織控制時(shí)，能夠自由控制冷卻條件并且裝置十分緊湊、安全性很高的冷卻裝置和冷卻方法的技術(shù)方案。
在本發(fā)明中，作為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)的基本要素，使用由大直徑的外管、中直徑的中管和小直徑的內(nèi)管的三重管方式的冷卻管組件構(gòu)成的冷卻裝置。該冷卻裝置的特征是，各冷卻管組件的外管的一端封閉，中管的一端也在外管的內(nèi)側(cè)封閉，外管與中管之間的環(huán)形間隙可以抽成真空和進(jìn)行氣體置換，內(nèi)管的一端在中管內(nèi)開(kāi)口，通過(guò)使冷卻介質(zhì)在由內(nèi)管的內(nèi)部和與之連通的內(nèi)管與中管之間的環(huán)形空間構(gòu)成的路徑中流動(dòng)，對(duì)外管的外側(cè)的被冷卻材料進(jìn)行冷卻。
將外管與中管之間的環(huán)形間隙抽成真空，可以降低冷卻能力。另一方面，在抽成真空后，導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體，通過(guò)選擇氣體的種類和調(diào)整氣體壓力，可以提高并控制冷卻能力。
或者，在外管與中管之間的環(huán)形間隙中設(shè)置1層或2層以上的絕熱材料，形成特別是在高溫區(qū)抑制輻射傳熱、減小冷卻能力的冷卻裝置。
另外，在這樣的冷卻裝置中，將三重管方式的冷卻管組件排列成一列或者排列成矩陣狀，形成傳熱面積增大的冷卻裝置。
此外，本發(fā)明還提供一種SC裝置，該裝置是將稀土類合金熔化、使用水冷輥得到薄片狀的合金即SC材料的裝置，其特征在于，設(shè)置了將離開(kāi)水冷輥后的SC材料破碎的裝置，以及在存放破碎的SC材料的容器中設(shè)置了將上述三重管方式的冷卻管組件排成一列狀或矩陣狀的冷卻裝置。
根據(jù)熔煉、鑄造的規(guī)模增大傳熱面積，可以實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行冷卻控制的、從小型到大型(大批量生產(chǎn))的所有SC裝置。
此外，本發(fā)明還提供了SC材料的冷卻方法，該方法是，將離開(kāi)水冷輥后的高溫SC材料收入存放容器中進(jìn)行冷卻時(shí)，使用該存放容器中設(shè)置的由大直徑的外管、中直徑的中管和小直徑的內(nèi)管的三重管方式的冷卻管組件構(gòu)成的冷卻裝置進(jìn)行冷卻的方法，其特征在于，上述外管的一端封閉，上述中管的一端也在外管的內(nèi)側(cè)封閉，上述內(nèi)管的一端在中管內(nèi)開(kāi)口，通過(guò)使冷卻介質(zhì)在由內(nèi)管的內(nèi)部和與之連通的內(nèi)管與中管之間的環(huán)形空間構(gòu)成的路徑中流動(dòng)，以及將外管與中管之間的環(huán)形間隙抽真空或者進(jìn)行氣體置換，在改變冷卻能力并控制冷卻能力的同時(shí)進(jìn)行冷卻。
特別是用于稀土類磁性合金的場(chǎng)合，可以改變對(duì)于組織變化影響很大的高溫區(qū)的冷卻速度，從而得到最適宜的組織。
特別是，本發(fā)明提供了一種SC材料的冷卻方法，其特征在于，在上述SC法的鑄造方法中，從鑄造開(kāi)始前在由內(nèi)管的內(nèi)部和與之相連通的內(nèi)管與中管之間的環(huán)形空間構(gòu)成的路徑中流過(guò)冷卻介質(zhì)，同時(shí)，將外管與中管之間的環(huán)形間隙抽真空或者抽真空后導(dǎo)入稀薄的氣體，降低冷卻能力，鑄造結(jié)束后經(jīng)過(guò)適當(dāng)時(shí)間，向外管與中管之間的環(huán)形間隙中導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體，提高冷卻能力進(jìn)行冷卻。
特別是，本發(fā)明是SC材料的冷卻方法，在用于稀土類磁性合金場(chǎng)合，高溫區(qū)的冷卻遲緩，因而富R相的間距擴(kuò)大，形成最適合于作為高磁化型磁體的原料合金的組織?？梢酝ㄟ^(guò)導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體的簡(jiǎn)便操作加快低溫區(qū)的冷卻，從而縮短冷卻時(shí)間。
或者，本發(fā)明提供了一種SC材料的冷卻方法，其特征在于，在上述SC法的鑄造方法中，從鑄造開(kāi)始前在由內(nèi)管的內(nèi)部和與之相連通的內(nèi)管與中管之間的環(huán)形空間構(gòu)成的路徑中流過(guò)冷卻介質(zhì)，同時(shí)，將外管與中管之間的環(huán)形間隙抽真空，然后導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體，提高冷卻能力，進(jìn)行鑄造。
特別是，本發(fā)明是一種鑄造方法，其特征在于，在用于稀土類磁性合金場(chǎng)合，高溫區(qū)的冷卻速度適度加快，故可以得到富R相的間距狹窄、最適合作為高矯頑力型磁體的原料合金的SC材料。
另外，本發(fā)明是一種SC材料的冷卻方法，其特征在于，使用水作為冷卻介質(zhì)，使用氦作為導(dǎo)入外管與中管之間的環(huán)形間隙的氣體。水的比熱大，另外，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，水也是最適宜的冷卻介質(zhì)。氦的導(dǎo)熱系數(shù)大，與真空排氣狀態(tài)相比，相比于其它的氣體，其冷卻能力最大，通過(guò)改變導(dǎo)入外管與中管之間的環(huán)形間隙的氣體壓力，可以容易地調(diào)整冷卻能力。而且，氦是惰性氣體，萬(wàn)一外管破損，氣體泄漏后與化學(xué)活性極高的高溫SC材料接觸，也不會(huì)發(fā)生安全上的問(wèn)題。
或者，本發(fā)明是SC法中的SC材料的冷卻方法，其特征在于，所述的冷卻介質(zhì)使用空氣或噴霧混合水的空氣，導(dǎo)入外管與中管之間的環(huán)形間隙的促進(jìn)冷卻用的氣體使用氦。
使用空氣作為冷卻介質(zhì)，可以減小冷卻裝置本身的熱容量，與使用水作為冷卻介質(zhì)相比，可以減小高溫區(qū)的冷卻速度。另外，開(kāi)始時(shí)只使用氣體，隨后換成噴霧混合水的空氣，對(duì)于冷卻裝置不產(chǎn)生熱沖擊，可以提高冷卻能力，縮短冷卻時(shí)間。
此外，本發(fā)明是SC材料的冷卻方法，其特征在于，作為處理對(duì)象的合金是R2T14B系磁體合金。本發(fā)明的冷卻方法用于R2T14B系磁體合金時(shí)效果最好。
本發(fā)明的構(gòu)成如上面所述，本發(fā)明具有以下所述的效果。
冷卻裝置本身沒(méi)有容易引起故障的驅(qū)動(dòng)部，可以減緩高溫區(qū)的冷卻速度，加快低溫區(qū)的冷卻速度。特別是在R2T14B系稀土類磁體原料合金制造方法的SC裝置中，將其用來(lái)作為冷卻離開(kāi)水冷輥后的SC材料的裝置時(shí)，可以制造相應(yīng)磁體的用途最適宜的組織的合金，并且還可以縮短冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。
另外，使用同樣的裝置，只需改變導(dǎo)入氦的時(shí)間，就可以改變SC材料在高溫區(qū)的冷卻速度，控制SC材料的組織。因此，可以制造作為從高磁化型到高矯頑力型磁體的各種磁體的原料最適宜的組織的合金。
在使用冷卻能力大的水或比較經(jīng)濟(jì)的空氣作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，即使這些冷卻介質(zhì)流過(guò)的中管2上產(chǎn)生裂紋等缺陷，由于中管2被外管1所包圍，化學(xué)性質(zhì)活潑的SC材料與這些冷卻介質(zhì)接觸的危險(xiǎn)性極小，可以形成安全的裝置。
即使熔煉鑄造量增大，只要將冷卻管組件排列成矩陣狀，增加總的傳熱面積，就可以在同樣的冷卻條件下進(jìn)行SC材料的組織控制，可以適應(yīng)從小型到大型的各種裝置。


圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的冷卻裝置的剖面圖。
圖2是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的冷卻裝置的剖面圖。
圖3是本發(fā)明的第3實(shí)施方式的冷卻裝置的局部剖示外觀圖。
圖4是本發(fā)明的第4實(shí)施方式的冷卻裝置的局部剖示外觀圖。
圖5是沿圖4所示冷卻裝置的A-A’線的剖面圖。
圖6是圖5所示剖面圖的管板附近的放大圖。
圖7是本發(fā)明的第5實(shí)施方式的冷卻裝置的立體外觀圖。
圖8是表示將圖7的冷卻裝置設(shè)置在薄帶連鑄材料存入容器中的狀態(tài)的剖面圖。
圖9是本發(fā)明的第5實(shí)施方式的冷卻裝置的立體外觀圖。
圖10是說(shuō)明本發(fā)明的薄帶連鑄裝置簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)的圖。
圖11是表示實(shí)施例1、實(shí)施例2、比較例1和比較例2中的SC材料的溫度隨時(shí)間變化的圖。
具體實(shí)施例方式
下面舉出具體的例子詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。首先說(shuō)明本發(fā)明的SC材料的冷卻裝置。
第1實(shí)施方式圖1中示出本發(fā)明的第1實(shí)施方式的冷卻裝置的剖面圖。該實(shí)施方式是最簡(jiǎn)單的例子，冷卻裝置由一組三重管方式的冷卻管組件構(gòu)成。
在本發(fā)明中，為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，如圖1中所示，使用由大直徑的外管1、中直徑的中管2和小直徑的內(nèi)管3的三重管構(gòu)成的冷卻裝置24。該冷卻裝置的外管1的一端封閉，而且，中管2的一端也在外管1的內(nèi)側(cè)封閉。外管1的另一端直徑縮小，焊接到中管2上。
內(nèi)管3的一端在中管2的內(nèi)側(cè)開(kāi)口，中管2與外管1同樣，另一端的直徑縮小，焊接到內(nèi)管3上，設(shè)置冷卻介質(zhì)出口用的集管10，在其頂端安裝法蘭盤40。由設(shè)置在內(nèi)管3的另一端的冷卻介質(zhì)入口用的集管9導(dǎo)入冷卻介質(zhì)，經(jīng)由內(nèi)管3的內(nèi)側(cè)13a的路徑，通過(guò)內(nèi)管3與中管2之間的環(huán)形空間13b，從冷卻介質(zhì)出口用的集管10排出，或者，按照相反方向的路徑流動(dòng)，冷卻外管1外側(cè)的高溫被冷卻材料(圖中省略)。外管1與中管2之間的環(huán)形間隙12，通過(guò)真空排氣和氣體導(dǎo)入用的集管8與真空排氣系統(tǒng)(圖中省略)相連接，通過(guò)抽真空可以降低冷卻能力。因此，例如在流過(guò)冷卻介質(zhì)的同時(shí)使用的話，可以降低冷卻能力，減小外管1外側(cè)的被冷卻材料的冷卻速度。另外，還可以形成使用閥門等停止真空排氣，導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體的結(jié)構(gòu)，這樣可以提高冷卻能力。
在將外管1與中管2之間的環(huán)形間隙12真空排氣的狀態(tài)下，由于冷卻能力低下，外管1曝露于高溫下。但是，外管1是對(duì)于熱應(yīng)力最強(qiáng)的管狀，在熱膨脹最大的長(zhǎng)度方向上，其頂端是自由的，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，對(duì)于反復(fù)加熱和冷卻的熱負(fù)荷也能充分保證耐久性。
第2實(shí)施方式圖2中示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式的冷卻裝置25的剖面圖。該實(shí)施方式的冷卻裝置25與上述第1實(shí)施方式的不同之處在于，外管1、中管2和內(nèi)管3分別焊接固定在外管用管板4、中管用管板5和內(nèi)管用管板6上。包括包圍各管板4、5、6的側(cè)板11a、11b、11c與管板4、5、6的連接在內(nèi)，所有的連接都是焊接連接，這樣構(gòu)成集管41、42和43，可以保證氣密性。其它的功能與實(shí)施例1相同。
第3實(shí)施方式圖3中示出表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式的冷卻裝置的局部剖面的正視圖。本實(shí)施方式是將第1實(shí)施方式中的三重管方式的冷卻管組件排列成一列的例子。將鄰接的冷卻管彼此對(duì)應(yīng)的冷卻介質(zhì)出口用的集管和入口用的集管(9a-10a、9b-10b)連接，冷卻介質(zhì)直列地流過(guò)這些冷卻管的路徑。同時(shí)，鄰接的冷卻管組件的外管1彼此用集管8a、8b連接，將所有冷卻管組件的外管與中管之間的環(huán)形間隙同時(shí)真空排氣并導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體。
圖3示出了3個(gè)冷卻管組件排成一列的例子，但本發(fā)明不限于3個(gè)冷卻管組件，可以增加其數(shù)量，而且，也可以將這樣構(gòu)成的冷卻管組件列并列排列或者排列成矩陣狀。
第4實(shí)施方式圖4中示出表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式的冷卻裝置的局部剖面的正視圖。圖5中示出沿著圖4中A-A’線的剖面圖，圖6中示出圖5上部的管板附近的放大圖。
如這些圖中所示，第4實(shí)施方式的冷卻裝置27，是將外管用管板4、中管用管板5和內(nèi)管用管板6制成細(xì)長(zhǎng)形，將多個(gè)三重管方式的冷卻管組件7排成一列的方式。在增大傳熱面積的場(chǎng)合，與第3實(shí)施方式同樣，必須將多個(gè)冷卻管組件7并列排列。這樣，使用細(xì)長(zhǎng)的管板形成集管41、42和43，不再需要冷卻管組件7彼此間的配管，可以并列地向各冷卻管組件中送入冷卻介質(zhì)和氣體。因此，采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以同時(shí)向許多冷卻管組件7中導(dǎo)入、排出冷卻介質(zhì)。
在本實(shí)施方式中，如圖6的放大圖所示，在外管1與中管2之間的環(huán)形間隙中插入兩層絕熱材料14，不過(guò)，絕熱材料也可以是一層，根據(jù)需要也可以插入兩層以上。通過(guò)插入絕熱材料，可以形成由其抑制高溫區(qū)的輻射傳熱、降低冷卻能力的冷卻裝置。另外，側(cè)板11a、11b和11c的外側(cè)用蓋子16罩住。
另外，為了減小管板的最大寬度，將外管1的安裝在外管用管板4上的部位附近和中管2的安裝在中管用管板5上的部位附近的直徑減小。
第5實(shí)施方式圖7中示出本發(fā)明的第5實(shí)施方式的冷卻裝置28的立體圖。本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)是，在裝入SC法的SC材料存放容器中時(shí)，為了增大傳熱面積，將第4實(shí)施方式的冷卻裝置27以一定間隔橫向并列，用框架15a和15b固定，作為一個(gè)整體將三重管方式的冷卻管組件7配置成矩陣狀。集管8、9和10的端部通過(guò)法蘭盤38、39和40與排氣裝置或氣體供給裝置(圖中省略)連接。
與第4實(shí)施方式同樣，將外管1的安裝在外管用管板4上的部位附近和中管2的安裝在中管用管板5上的部位附近的直徑縮小，減小管板的最大寬度。因此，在適度保持三重管彼此間距的狀態(tài)下，可以確保鄰接的管板之間的間隔。
即，圖8中用通過(guò)冷卻管的中心軸的剖面圖表示將冷卻裝置28安放在SC材料存放容器17中的狀態(tài)。由于在鄰接的管板之間可以設(shè)置足夠的間隙，即使將冷卻裝置28從上方設(shè)置在SC材料19的存放容器17中，也可以使SC材料19通過(guò)這些管板的間隙落入SC材料存放容器17中。18是用于使破碎的SC材料19落入SC材料存放容器17中的SC材料下落導(dǎo)板。
在這種場(chǎng)合，冷卻裝置28只能從上方安放到SC材料存放容器17中。因此，待SC結(jié)束，將SC材料冷卻后，把存放容器17取出操作室外，再用吊車等將冷卻裝置28向上提升，就可以簡(jiǎn)便地將冷卻裝置28從存放容器17中取出。取出冷卻裝置28后，放入存放容器17內(nèi)的SC材料曝露出來(lái)，可以使用簡(jiǎn)單的裝置容易地將其轉(zhuǎn)移到鋼桶中。
將冷卻裝置28設(shè)置在SC材料存放容器17中時(shí)，三重管方式的冷卻管組件7的頂端(即外管1的頂端)，設(shè)置成上浮幾mm至幾cm。這樣，即使外管1的溫度升高，發(fā)生熱膨脹，也不會(huì)接觸SC材料存放容器的底部，外管1不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
冷卻管組件7是從管板上吊掛的狀態(tài)，其自重只加在重力方向上。即使SC材料落下，它也不會(huì)承受載荷，強(qiáng)度上不容易發(fā)生問(wèn)題。
第6實(shí)施方式圖9中示出本發(fā)明的第6實(shí)施方式的冷卻裝置29的立體圖。該實(shí)施方式的冷卻裝置29是在大面積的管板4、5和6上安裝多個(gè)三重管方式的冷卻管組件7形成矩陣狀的例子。外管1、中管2和內(nèi)管3分別固定在外管用管板4、中管用管板5和內(nèi)管用管板6上。這些管板形成法蘭盤結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行拆卸。這樣的法蘭盤結(jié)構(gòu)，還可以拆卸后進(jìn)行檢查，具有便于維修的優(yōu)點(diǎn)。另外，還可以將外管用管板5制成法蘭盤結(jié)構(gòu)，由SC裝置的操作室外側(cè)固定在該法蘭盤部分上，在操作室內(nèi)的SC材料存放容器中只插入冷卻管組件7的一部分。
將本實(shí)施方式的冷卻裝置29裝入SC材料存放容器中時(shí)，三重管方式的冷卻管組件呈水平方向裝入，或者也可以從斜上方插入。SC材料通過(guò)從水平方向或斜上方插入的冷卻管組件7之間落下。因此，從上方看，冷卻管組件7排列成一列，SC材料容易落下。
下面，說(shuō)明本發(fā)明的SC材料的冷卻方法所使用的冷卻介質(zhì)以及導(dǎo)入外管與中管2之間的環(huán)形間隙的促進(jìn)冷卻用的氣體。
水的比熱大，最適合作為冷卻介質(zhì)。在各種水中，優(yōu)先選用鈣等溶解離子的濃度較低的軟水。另外，包括自來(lái)水在內(nèi)，工業(yè)用水等冷卻水中有時(shí)會(huì)含有較高濃度的氯離子，在冷卻裝置的結(jié)構(gòu)材料使用奧氏體不銹鋼的場(chǎng)合，常常引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，因此，對(duì)于其含量必須格外注意。為了避免這樣的問(wèn)題，冷卻水中的氯離子濃度應(yīng)在100ppm以下，最好是在50ppm以下。
除了水之外，考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，還可以使用空氣作為冷卻介質(zhì)。就本發(fā)明而言，在將外管1與中管2之間的環(huán)形間隙真空排氣的狀態(tài)下，外管1與中管2之間的傳熱不易進(jìn)行，輸入到冷卻管組件中的熱量較少。因此，即使在流過(guò)空氣等每當(dāng)量體積的熱容量較小的冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，也可以使用中管2的壁面溫度充分降低。隨后，將冷卻介質(zhì)換成噴霧混合水的空氣，在避免了對(duì)中管2產(chǎn)生急劇的熱沖擊的同時(shí)還提高了冷卻能力。然后，向外管1與中管2之間的環(huán)形間隙12中導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體，特別是如下面所述導(dǎo)入氦，可以加快冷卻速度。
在單純使用空氣作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，與水相比，空氣的每當(dāng)量體積的熱容量較小，要想獲得與水同等的冷卻能力，必須增大流量。為此，冷卻管必須設(shè)計(jì)成能流過(guò)大量的空氣，外管1、中管2和內(nèi)管3等構(gòu)成冷卻器的所有的管子的直徑都必須增大。因此，在SC材料存放容器中冷卻器的體積所占的容積增大。
在本發(fā)明中，冷卻剛開(kāi)始后使用空氣主要是為了降低中管2的溫度，由于其熱容量不大，不必噴入大流量的空氣。在中管2的溫度降低后，換成噴霧混合水的空氣，因而，與單純使用空氣相比，冷卻能力增大，可以使用直徑較小的管子。另外，空氣通過(guò)的中管2被外管1所包圍，它們之間是真空或者充滿惰性氣體，萬(wàn)一中管2上產(chǎn)生裂紋等損傷，空氣也不會(huì)泄漏。另外，即減輕了熱負(fù)荷，也不容易產(chǎn)生損傷。這樣，實(shí)現(xiàn)了在安全方面可靠性很高的設(shè)計(jì)。
在使用空氣和在空氣中噴霧混合水的冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，冷卻器本身的熱容量不大，而且外管1與中管2之間的環(huán)形間隙是真空排氣的狀態(tài)，冷卻能力非常小，與選擇水作為冷卻介質(zhì)相比，可以進(jìn)一步減小被冷卻材料的高溫區(qū)的冷卻速度。
導(dǎo)入外管1與中管2之間的環(huán)形間隙中的氣體使用導(dǎo)熱系數(shù)大的氦，與真空排氣狀態(tài)相比可以大大提高冷卻能力。這樣，可以加快與SC材料的組織控制無(wú)關(guān)的低溫區(qū)的冷卻速度，縮短冷卻時(shí)間。另外，氦是惰性氣體，萬(wàn)一外管1損傷，氣體泄漏，也不會(huì)發(fā)生問(wèn)題。
本發(fā)明中使用的外管1的外徑，例如在25.4mm以上、76.2mm以下為宜。這是因?yàn)?，本發(fā)明的冷卻器是三重管結(jié)構(gòu)，中管2的外徑必須小于外管1的內(nèi)徑，在兩者之間形成適當(dāng)?shù)沫h(huán)形間隙。另外，在內(nèi)管3與中管2之間要確保冷卻介質(zhì)的流路，內(nèi)管3的內(nèi)側(cè)也要形成流路。如果外管1的直徑小于25.4mm，中管2和內(nèi)管3的直徑就會(huì)過(guò)于小，難以確保流動(dòng)路徑，而且壓損也會(huì)增大。此外，冷卻器的冷卻能力與冷卻管的總表面積特別是中管2的表面積成正比，如果減小管的直徑，就必須增加管的數(shù)量，加工費(fèi)用增大，冷卻器的整體制造成本增加。
另一方面，如果外管1的外徑超過(guò)76.2mm，將外管1與中管2之間的環(huán)形間隙真空排氣時(shí)，特別是用來(lái)作為SC法的冷卻器的場(chǎng)合，外管1曝露于高溫之下，由于蠕變現(xiàn)象很容易毀壞。為了防止這種現(xiàn)象而增大壁厚時(shí)，熱容量增加，延緩了高溫區(qū)的冷卻速度，因而不可取。另外，外管1反復(fù)地受到加熱和冷卻，必須形成具有高的熱疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，因此，希望其外徑不超過(guò)76.2mm。
內(nèi)管3的外徑例如在5mm以上為宜。這是因?yàn)椋绻∮?mm，在組裝成冷卻器時(shí)難以焊接固定到管板上。
另外，在確定管的直徑時(shí)，特別需要考慮由原管并列成各冷卻器后流動(dòng)冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合能夠整體均一地流動(dòng)。
內(nèi)管3的內(nèi)、外表面和中管2的內(nèi)表面，由于流過(guò)水或噴霧混合水的空氣，因而應(yīng)選擇對(duì)于水具有足夠耐腐蝕性的材料。另外，考慮到機(jī)械加工性能和焊接加工性能以及易于獲得和經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇SUS304、SUS316、SUS316L等奧氏體不銹鋼。特別優(yōu)先選用對(duì)于冷卻水中所含的氯離子引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂具有良好的抗腐蝕性的、含有Mo的SUS316和SUS316L。
外管1的材料要求良好的高溫強(qiáng)度以及對(duì)于反復(fù)加熱冷卻的良好熱疲勞強(qiáng)度，此外考慮到加工性能和焊接性能等因素，選擇使用SUH310、SUH330等耐熱奧氏體鋼，特別優(yōu)先選用因科內(nèi)爾合金等Ni系耐熱材料。
此外，在本發(fā)明的冷卻器中，由于管徑較小，另外，在用來(lái)作為SC裝置的冷卻器的場(chǎng)合，被冷卻材料即SC材料的最高溫度為800℃左右，外管1的溫度在該溫度以下，考慮到易于獲得和經(jīng)濟(jì)性因素，還可以使用SUS310S、SUS304等通用的耐腐蝕材料。
構(gòu)成三重管方式的冷卻管組件7的外管1，還可以原封不動(dòng)地使用直管。通過(guò)加工成在長(zhǎng)度方向上設(shè)置波形凹凸的管，可以提高高溫強(qiáng)度。即使外管1毀壞或者外管1和中管2發(fā)生彎曲，二者也不容易面接觸，可以防止絕熱性局部受到阻礙。另外，對(duì)于中管2，也可以同樣進(jìn)行波形成形，這樣，冷卻介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，預(yù)期可以提高導(dǎo)熱系數(shù)。
波形可以設(shè)計(jì)成螺旋型，或者也可以設(shè)計(jì)成環(huán)狀，即相對(duì)于管的中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。
在使用水作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，由于水的比熱大，水量不需要很大。但是，必須設(shè)計(jì)成從總管向多個(gè)三重管方式的冷卻管組件7并列地供給冷卻水時(shí)，冷卻水在各冷卻管組件7中均一地流動(dòng)，對(duì)此，設(shè)置集管是十分有效的。
為此，例如在設(shè)計(jì)時(shí)，將內(nèi)管3的內(nèi)徑減小，同時(shí)增大供給冷卻水的總管的內(nèi)徑，使總管內(nèi)的水流動(dòng)不均速。另外，內(nèi)管3內(nèi)的冷卻水的流速希望在0.5米/秒以上。
另一方面，如上所述，中管2和外管1的表面積會(huì)影響冷卻能力，因此必須適度增大該表面積。在這種場(chǎng)合，特別是用水作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，安裝在管板上的部分可以通過(guò)模鍛加工減小直徑。或者也可以使用異徑接頭，焊接連接小直徑的管子。這樣，例如在將三重管方式的冷卻管組件7直線上安裝在管板上時(shí)，可以減小管板的最大寬度。
如上所述，特別是在使用水作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，即使在將外管1與中管2之間的環(huán)形間隙真空排氣的狀態(tài)，當(dāng)高溫區(qū)的冷卻速度過(guò)快時(shí)，在外管1與中管2之間的環(huán)形間隙中插入1層或2層以上的絕熱材料，由此也可以進(jìn)一步降低高溫區(qū)的冷卻能力。在高溫區(qū)中，輻射傳熱的貢獻(xiàn)最大，插入絕熱材料對(duì)于降低這種輻射傳熱十分有效。絕熱材料例如可以使用不銹鋼薄板。但是，為了既抑制對(duì)流傳熱，又抑制高溫區(qū)的冷卻能力和低溫區(qū)的冷卻能力，作為特別優(yōu)選用1層可以在絕熱材料的表面方向流動(dòng)氣體、因而低溫區(qū)的對(duì)流傳熱降低程度較小的沖孔金屬篩板或網(wǎng)孔狀材料，根據(jù)需要也可以兩層以上重疊使用。
下面詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的SC法的冷卻裝置。圖10中示出本發(fā)明的SC裝置的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的SC裝置50主要由下列部分構(gòu)成熔化稀土類磁性合金的坩堝22；將金屬熔液倒入水冷輥20上的中間包23；使金屬熔液急冷凝固的水冷輥20；破碎凝固的SC材料的破碎機(jī)21以及設(shè)置本發(fā)明的冷卻裝置28的SC材料存放容器17。
在使用圖7所示的第5實(shí)施方式或圖9所示的第6實(shí)施方式的本發(fā)明的冷卻裝置作為SC材料存放容器的冷卻裝置的場(chǎng)合，在SC材料離開(kāi)水冷輥之后、落入SC材料存放容器17中之前的位置，必須設(shè)置破碎機(jī)21。該破碎機(jī)例如可以使用兩個(gè)破碎輥彼此咬合、向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)的所謂二轉(zhuǎn)子式的破碎機(jī)。在選擇機(jī)種時(shí)，應(yīng)使通過(guò)破碎機(jī)21后的SC材料的最大尺寸達(dá)到50mm以下，最好是30mm以下。
在大批量生產(chǎn)規(guī)模的SC裝置中，SC材料存放容器17也相應(yīng)增大，為了使SC材料均勻地落入存放容器內(nèi)，在鑄造過(guò)程中必須使SC材料存放容器17往復(fù)運(yùn)動(dòng)，或者在SC材料存放容器17的上部設(shè)置用于使SC材料分散的裝置。在采用前一種方法的場(chǎng)合，由于本發(fā)明的冷卻裝置中水量不大，使用電纜軸承30等已有的工序，可以將水供給移動(dòng)的裝置而不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。另外，還需要同時(shí)真空排氣、導(dǎo)入氦的配管，它們也不需要大直徑的配管，可以使用電纜軸承29供給。
此外，在使用空氣和噴霧混合水的空氣作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，與用水作為冷卻介質(zhì)相比，必須增大流量。在這種情況下，希望使用圖9的第6實(shí)施方式所示的寬面積的管板，選擇冷卻管從SC材料存放容器的一側(cè)水平方向插入的結(jié)構(gòu)，或者也可以從斜上方插入。
在這種場(chǎng)合，與單純使用空氣作為冷卻介質(zhì)相比，流量可以減小，還可以減小總管的直徑。
但是，管板必須增厚，裝置的總重量增大，因此，裝入冷卻裝置的SC材料存放容器最好是固定不動(dòng)，在破碎機(jī)21與SC材料存放容器17之間安裝用于使SC材料分散落下的擋板或其它裝置。
在本發(fā)明的冷卻裝置中，只有外管1曝露于高溫下以及加熱冷卻的嚴(yán)酷環(huán)境中。特別是流過(guò)冷卻介質(zhì)的中管2與高溫的SC材料不直接接觸，被外管1所包圍。外管1與中管2之間的環(huán)形間隙使用真空或者置換成氦，因此，萬(wàn)一包括安裝在管板上的焊接部分在內(nèi)的中管2破損，水或空氣泄漏出來(lái)，也會(huì)被外管1阻止，不會(huì)泄漏到SC材料存放容器內(nèi)。
外管1與中管2之間的環(huán)形間隙，在每一批次熔煉時(shí)都要抽真空，因此，萬(wàn)一中管2破損，冷卻介質(zhì)泄漏到外管1與中管2之間的環(huán)形間隙中，在抽真空時(shí)真空度上不去，就可以確定發(fā)生了故障。
稀土類磁性合金含有大量的活性稀土元素，尤其是在高溫狀態(tài)下，容易與空氣和水反應(yīng)，不僅產(chǎn)品的品質(zhì)惡化，安全上也成問(wèn)題。尤其是與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，如果毫無(wú)覺(jué)察而打開(kāi)操作室，就有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的冷卻裝置，如上所述，在使用水或空氣作為冷卻介質(zhì)的場(chǎng)合，與這些冷卻介質(zhì)不直接接觸，充分考慮到安全性，具有極高的可靠性。
根據(jù)被冷卻材料的重量增大冷卻管特別是中管2的總的傳熱面積，減小三重管方式的冷卻管組件7彼此之間的間距，可以增大冷卻裝置的冷卻能力。這些值根據(jù)需要在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)冷卻SC材料而有所不同。
例如，為了減緩高溫區(qū)的冷卻速度，在2小時(shí)以內(nèi)降溫到150℃以下從而可以取出到操作室外，傳熱面積應(yīng)為每100kgSC材料0.6m2以上，優(yōu)選的是0.8m2以上。而且，冷卻管組件7彼此間距(鄰接的外管1的表面之間的間距)應(yīng)在100mm以下，優(yōu)選的是70mm以下。另一方面，當(dāng)傳熱面積過(guò)大，冷卻管組件7彼此間距過(guò)小時(shí)，難以減小高溫區(qū)的冷卻速度。這些設(shè)計(jì)值取決于將由水冷輥落下的SC材料破碎的破碎機(jī)的性能而有所不同，因而最好是通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)來(lái)確定最適宜的數(shù)值。
外管1與中管2之間的環(huán)形間隙，在鑄造開(kāi)始之前進(jìn)行抽真空。鑄造結(jié)束后，放置適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，導(dǎo)入氣體，促進(jìn)外管1與中管2的傳熱。如上所述，氣體的種類最好是選擇導(dǎo)熱好并且是惰性氣體的氦。雖然氦的價(jià)格比較高，但是，在本發(fā)明的冷卻器中，包括圖中的配管在內(nèi)，外管1與中管2之間的環(huán)形間隙所占的體積極小，空氣的用量非常少，經(jīng)濟(jì)上不存在問(wèn)題。為了增大冷卻速度，必要時(shí)可以將導(dǎo)入的氦的壓力例如提高到1大氣壓以上。
導(dǎo)入氦的時(shí)間最好是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。在用于制造稀土類磁性合金的SC裝置中，通常，輥的圓周速度越大、SC材料的板厚越厚，SC材料離開(kāi)水冷輥后下落時(shí)的溫度越高。另外，SC材料中含有的稀土元素的含量越少，上述溫度往往越高。SC材料離開(kāi)水冷輥落下時(shí)的溫度越高，富R相保持液相狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，組織變化也越容易發(fā)生。因此，取決于這些條件，導(dǎo)入氦的最適宜的時(shí)間是不一樣的。
另外，取決于磁體的制造裝置和制造條件，對(duì)于磁體合金所要求的最適宜的組織也不一樣，導(dǎo)入氦的時(shí)間必須綜合考慮這些因素來(lái)確定。
特別是在制造高矯頑力型的磁體用原料合金時(shí)，在需要富R相的間距狹窄的急冷型組織的合金的場(chǎng)合，也可以從鑄造開(kāi)始前向外管1與中管2之間的環(huán)形間隙中導(dǎo)入氦，從一開(kāi)始就增大冷卻速度。
在本發(fā)明的冷卻裝置中，冷卻介質(zhì)所通過(guò)的中管2被外管1所包圍，與冷卻介質(zhì)不直接接觸，即使從一開(kāi)始就導(dǎo)入氦，冷卻速度也會(huì)減緩。因此，與使用水冷的冷卻裝置進(jìn)行冷卻相比，高溫區(qū)的冷卻速度減慢，觀察到細(xì)的二次薄層狀富R相消失的傾向，可以得到富R相的間距適度增大的組織。
下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的冷卻裝置和SC裝置以及SC法。
實(shí)施例實(shí)施例1制備圖7中所示的、將5個(gè)三重管方式的冷卻管排成一列并將三列組合起來(lái)的冷卻裝置28。所使用的外管1、中管2和內(nèi)管3的外徑和壁厚以及安裝了外管1的管板下面的各管的長(zhǎng)度如下所述。
外管1φ48.6mm×t2.8mm×L600mm中管2φ34mm×t2.0mm×L580mm內(nèi)管3φ9.5mm×1.5t×L560mm外管1使用耐熱性良好的SUH310制造，中管2和內(nèi)管3使用耐蝕性良好的SUS316L的無(wú)縫鋼管制造。固定外管1、中管2和內(nèi)管3的管板和側(cè)板全部使用SUS304，所有連接部分都采用TIG焊接連接。另外，外管1和中管2的安裝在管板上的部分采用旋鍛加工減徑。因此，管板的寬度可以達(dá)到46mm。在外管1與中管2之間的環(huán)形間隙中插入兩層圖5所示的60目、線徑0.19mm、空隙率約30％的不銹鋼制成的金屬網(wǎng)。此外，管板的部分使用1.0mm厚的SUS304板制成的蓋子16(見(jiàn)圖6)罩住，防止管板部分受到熱負(fù)荷，同時(shí)還防止SC材料通過(guò)管板附近時(shí)受到冷卻。
各列之間的間距，以冷卻管的中心軸之間的距離計(jì)算為90mm。SC材料存放容器的形狀，按內(nèi)部尺寸計(jì)算是320mm寬×800mm長(zhǎng)×620mm高，在冷卻管的下部留出20mm的間隙。
如圖10所示，將放置了這樣的冷卻裝置28的存放容器設(shè)置在裝備有100kg真空高頻感應(yīng)熔煉爐的SC裝置50中。
熔化重量為80kg，按配比組成配入金屬釹和硼鐵，使釹含量為31.5重量％，硼含量為1.0重量％，采用常規(guī)的熔煉方法在0.3大氣壓的氬氣氛中進(jìn)行熔煉，按照鑄造寬度300mm、水冷輥圓周速度1.0米/秒的條件進(jìn)行鑄造。
從鑄造開(kāi)始前由集管9導(dǎo)入冷卻水，流向集管10，流量為30L/分。內(nèi)管3內(nèi)的流速約為1.0米/秒。從鑄造開(kāi)始前將外管1與中管2之間的環(huán)形間隙抽真空，鑄造結(jié)束10分鐘后，導(dǎo)入氦氣達(dá)到1個(gè)大氣壓。導(dǎo)入后，由于氣體的溫度上升，壓力暫時(shí)升高，然后隨著冷卻進(jìn)行壓力降低。當(dāng)壓力低于1大氣壓時(shí)，適當(dāng)追加導(dǎo)入氦，保持1大氣壓的壓力。
另外，在SC材料存放容器中預(yù)先設(shè)置熱電偶，使其測(cè)定端子的位置處于在被4個(gè)冷卻管組件包圍的中央部距底部約100mm的位置。圖11中的曲線a表示鑄造開(kāi)始后2小時(shí)內(nèi)的SC材料的溫度變化。由該圖可以看出在高溫區(qū)冷卻速度減緩，導(dǎo)入氦之后冷卻加快。
鑄造結(jié)束2小時(shí)后打開(kāi)操作室，將鎧裝熱電偶的測(cè)定端子插入SC材料中，測(cè)定溫度。結(jié)果，即使在顯示最高溫度的部分也只有120℃以下，溫度很低，完全沒(méi)有發(fā)生由于氧化而產(chǎn)生的變色。
SC材料的平均厚度是0.31mm。為了觀察與SC材料的平面垂直方向的斷面，將其埋入樹(shù)脂中，進(jìn)行拋光，使用掃描電子顯微鏡利用反射電子射線圖像進(jìn)行組織觀察。使用所得到的顯微組織照片，在斷面上的10個(gè)位置，對(duì)于SC材料厚度方向大致中央部位，用線段法測(cè)定富R相的間距。結(jié)果，富R相的間距是5.2μm，二次薄層狀的富R相基本上消失，顯示出高溫區(qū)的冷卻速度十分緩慢的情況下形成的組織，確定是最適合作為高磁化型磁體用原料的組織。
將冷卻裝置從SC材料存放容器中向上提升，使SC材料曝露出來(lái)，將存放容器翻轉(zhuǎn)，可以極其簡(jiǎn)便地將SC材料轉(zhuǎn)移到鋼桶中。
實(shí)施例2使用與實(shí)施例1同樣的冷卻裝置和SC裝置，熔化重量為80kg，按配比組成配入金屬釹和硼鐵，使釹含量為27.0重量％，鏑含量為5重量％，硼含量為1.0重量％，進(jìn)行熔煉鑄。不過(guò)，從鑄造開(kāi)始前向外管1與中管2之間的環(huán)形間隙中導(dǎo)入氦，除此之外與實(shí)施例1同樣操作。
圖11中的曲線b表示鑄造開(kāi)始后2小時(shí)內(nèi)的SC材料溫度變化。由于從鑄造開(kāi)始前就導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氦，因而高溫區(qū)的冷卻速度比實(shí)施例1加快。
鑄造結(jié)束2小時(shí)后打開(kāi)操作室，將鎧裝熱電偶的測(cè)定端子插入SC材料中，測(cè)定溫度。結(jié)果，即使在顯示最高溫度的部分也只有110℃以下，溫度十分低，完全沒(méi)有發(fā)生由于氧化而產(chǎn)生的變色。
SC材料的平均厚度是0.29mm。與實(shí)施例1同樣進(jìn)行SC材料的斷面組織觀察，結(jié)果，富R相的間距是3.5μm，顯示出最適合于作為高矯頑力型磁體的制造原料的合金組織。
比較例1使用與實(shí)施例1相同的SC裝置，按照相同的熔化量熔煉鑄造與實(shí)施例1相同配比組成的合金。不過(guò)，在SC材料存放容器中沒(méi)有設(shè)置冷卻裝置。
圖11的曲線c表示鑄造開(kāi)始后2小時(shí)內(nèi)的SC材料溫度變化。可以看出，與實(shí)施例1和實(shí)施例2相比，冷卻速度極其緩慢。
鑄造結(jié)束24小時(shí)后，打開(kāi)操作室，將鎧裝熱電偶的測(cè)定端子插入SC材料中，測(cè)定溫度。結(jié)果，殘留有顯示250℃以上溫度的部分，由存放容器中轉(zhuǎn)移至鋼桶內(nèi)時(shí)，SC材料發(fā)生氧化，有相當(dāng)部分改變顏色。
SC材料的平均厚度是0.30mm。與實(shí)施例1同樣進(jìn)行SC材料的斷面組織觀察，結(jié)果，富R相的間距是7.3μm，顯示出比實(shí)施例1更寬的富R相的間距。這種組織是可以用來(lái)作為高磁化型磁體用原料的組織。但是，為了防止氧化，必須在操作室內(nèi)保持24小時(shí)以上，生產(chǎn)率低下，不能用來(lái)作為大批量生產(chǎn)的設(shè)備。
比較例2在與實(shí)施例1相同的SC材料存放容器中以50mm的間距安放3列寬50mm×長(zhǎng)780mm×高600mm的矩形水冷箱，制成冷卻裝置。
然后，使用與實(shí)施例1相同的SC裝置，熔煉鑄造與實(shí)施例1相同成分配比的合金。熔化重量也與實(shí)施例1相同，是80kg。
圖11的曲線d表示鑄造開(kāi)始后2小時(shí)內(nèi)的SC材料溫度變化?？梢钥闯?，與實(shí)施例1和實(shí)施例2相比，冷卻速度相當(dāng)快。鑄造結(jié)束2小時(shí)后，打開(kāi)操作室，將鎧裝熱電偶的測(cè)定端子插入SC材料中，測(cè)定溫度。結(jié)果，在顯示最高溫度的部分溫度也很低，只有90℃以下，完全沒(méi)有發(fā)生由于氧化而引起的變色。
SC材料的平均厚度是0.31mm。與實(shí)施例1同樣進(jìn)行SC材料的斷面組織觀察，結(jié)果，觀察到富R相的間距是3μm以上的部分，但也觀察到很多小于3μm的部分，一般地說(shuō)，富R相的間距窄小并且偏差很大，顯示出不適合于作為稀土類磁體用合金原料的組織。
實(shí)施例3將圖9中所示的三重管方式的冷卻管按照7根/列×3列＝總計(jì)21根、間距90mm排列在管板上，制成冷卻裝置29。所使用的外管1、中管2和內(nèi)管3的外徑和壁厚以及從外管用管板4的端面的各管的長(zhǎng)度如下面所述。
外管1φ48.6mm×t2.8mm×L700mm中管2φ38.1mm×t2.0mm×L680mm內(nèi)管3φ25.4mm×1.6t×L660mm外管1、中管2和內(nèi)管3所使用的材料以及管板所使用的材料與實(shí)施例1相同。
將上述冷卻裝置安裝在內(nèi)部尺寸為寬320mm×長(zhǎng)720mm×高800mm的SC材料存放容器中，使三重管方式的冷卻管組件呈水平方向。在SC材料存放容器與破碎機(jī)之間安裝用于使SC材料分散的擋板。
將這樣的安裝了冷卻裝置的存放容器設(shè)置在具有100kg感應(yīng)熔煉爐的SC裝置中。
采用常規(guī)的熔煉方法，按照與實(shí)施例1相同的條件鑄造與實(shí)施例1相同成分配比的NdFeB合金。熔化重量與實(shí)施例1相同，是80kg。從鑄造開(kāi)始前，由內(nèi)管3經(jīng)過(guò)內(nèi)管3與中管2之間的環(huán)形空間流過(guò)空氣，風(fēng)量為2Nm3/分。內(nèi)管3內(nèi)的流速約為4.1米/秒。另外，從鑄造開(kāi)始前將外管1與中管2之間的環(huán)形間隙抽真空，鑄造結(jié)束10分鐘后導(dǎo)入氦至1大氣壓。然后，以每單位體積空氣約2g/L的量向冷卻用空氣中噴霧水。
鑄造結(jié)束2小時(shí)后，打開(kāi)操作室，將鎧裝熱電偶的測(cè)定端子插入SC材料中，測(cè)定溫度。結(jié)果，即使在顯示最高溫度的部分也只有150℃以下，溫度很低，完全沒(méi)有發(fā)生由于氧化而引起的變色。
SC材料的平均厚度是0.31mm。為了觀察與SC材料的平面垂直方向的斷面，將其埋入樹(shù)脂中，進(jìn)行拋光，使用掃描電子顯微鏡利用反射電子射線圖像進(jìn)行組織觀察。使用所得到的顯微組織照片，在斷面上的10個(gè)位置，對(duì)于SC材料厚度方向大致中央部位，用線段法測(cè)定富R相的間距。結(jié)果，富R相的間距是5.6μm，二次富R相基本上消失，顯示出高溫區(qū)的冷卻速度十分緩慢的情況下形成的組織。
實(shí)施例4使用與實(shí)施例3同樣的冷卻裝置和SC裝置，按照與實(shí)施例2相同的成分配比熔煉、鑄造(NdDy)FeB合金。不過(guò)，從鑄造開(kāi)始前向中管2與外管1之間的環(huán)形間隙中導(dǎo)入氦，冷卻用的空氣從一開(kāi)始就噴霧混合水。除此之外與實(shí)施例3同樣操作。
鑄造結(jié)束2小時(shí)后，打開(kāi)操作室，將鎧裝熱電偶的測(cè)定端子插入SC材料中，測(cè)定溫度。結(jié)果，即使在顯示最高溫度的部分也只有135℃以下，溫度十分低，完全沒(méi)有發(fā)生由于氧化而產(chǎn)生的變色。
SC材料的平均厚度是0.31mm。與實(shí)施例1同樣進(jìn)行SC材料的斷面組織觀察，結(jié)果，富R相的間距是3.7μm，顯示出最適合于作為高矯頑力型磁體的制造原料的合金組織。
權(quán)利要求
1.冷卻裝置，該冷卻裝置是由大直徑的外管、中直徑的中管和小直徑的內(nèi)管的三重管方式的冷卻管組件構(gòu)成，其特征在于，各個(gè)冷卻管組件的外管的一端封閉，中管的一端也在外管的內(nèi)側(cè)封閉，外管與中管之間的環(huán)形間隙可以抽成真空和進(jìn)行氣體置換，內(nèi)管的一端在中管內(nèi)開(kāi)口，通過(guò)使冷卻介質(zhì)在由內(nèi)管的內(nèi)部和與之連通的內(nèi)管與中管之間的環(huán)形空間構(gòu)成的路徑中流動(dòng)，對(duì)外管的外側(cè)的被冷卻材料進(jìn)行冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，在外管與中管之間的環(huán)形間隙中設(shè)置1層或2層以上的絕熱材料。
3.如權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，將多個(gè)三重管方式的冷卻管組件排列成一列或者排列成矩陣狀進(jìn)行配置。
4.薄帶連鑄裝置，其特征在于，該裝置具有將離開(kāi)水冷輥后的鑄造薄帶破碎的裝置和鑄造薄帶的存放容器，在該存放容器中設(shè)置了權(quán)利要求1中所述的由三重管方式的冷卻管組件構(gòu)成的冷卻裝置。
5.鑄造薄帶的冷卻方法，該方法是，在薄帶連鑄法中將離開(kāi)水冷輥后的高溫鑄造薄帶收入存放容器中進(jìn)行冷卻時(shí)，使用在該存放容器中設(shè)置的由大直徑的外管、中直徑的中管和小直徑的內(nèi)管的三重管方式的冷卻管組件構(gòu)成的冷卻裝置進(jìn)行冷卻的方法，其特征在于，各個(gè)冷卻管組件的外管的一端封閉，中管的一端也在外管的內(nèi)側(cè)封閉，內(nèi)管的一端在中管內(nèi)開(kāi)口，通過(guò)使冷卻介質(zhì)在由內(nèi)管的內(nèi)部和與之連通的內(nèi)管與中管之間的環(huán)形空間構(gòu)成的路徑中流動(dòng)，以及將外管與中管之間的環(huán)形間隙抽真空或者進(jìn)行氣體置換，在改變冷卻能力并控制冷卻能力的同時(shí)進(jìn)行冷卻。
6.如權(quán)利要求5所述的鑄造薄帶的冷卻方法，其特征在于，從鑄造開(kāi)始前在由內(nèi)管的內(nèi)部和與之相連通的內(nèi)管與中管之間的環(huán)形空間構(gòu)成的路徑中流過(guò)冷卻介質(zhì)，同時(shí)，將外管與中管之間的環(huán)形間隙抽真空或者抽真空后導(dǎo)入稀薄的氣體，降低冷卻能力，鑄造結(jié)束后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，向外管與中管之間的環(huán)形間隙中導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體，提高冷卻能力進(jìn)行冷卻。
7.如權(quán)利要求5所述的鑄造薄帶的冷卻方法，其特征在于，從鑄造開(kāi)始前在由內(nèi)管的內(nèi)部和與之相連通的內(nèi)管與中管之間的環(huán)形空間構(gòu)成的路徑中流過(guò)冷卻介質(zhì)，同時(shí)，將外管與中管之間的環(huán)形間隙抽真空，然后導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氣體，提高冷卻能力，開(kāi)始進(jìn)行鑄造。
8.如權(quán)利要求5所述的鑄造薄帶的冷卻方法，其特征在于，所述的冷卻介質(zhì)使用水，導(dǎo)入外管與中管之間的環(huán)形間隙的氣體使用氦。
9.如權(quán)利要求5所述的鑄造薄帶的冷卻方法，其特征在于，所述的冷卻介質(zhì)使用空氣或噴霧混合水的空氣，導(dǎo)入外管與中管之間的環(huán)形間隙的促進(jìn)冷卻用的氣體使用氦。
10.如權(quán)利要求5所述的鑄造薄帶的冷卻方法，其特征在于，所述的鑄造薄帶是NdFeB系磁體合金。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可以改變冷卻能力、特別是在不降低影響冷卻時(shí)間的低溫區(qū)的冷卻能力的情況下降低高溫區(qū)的冷卻能力的冷卻裝置以及配備有這樣的冷卻裝置的稀土類磁體合金的薄帶連鑄裝置以及冷卻方法。在本發(fā)明的冷卻裝置中，使用由外管、中管和內(nèi)管構(gòu)成的三重管方式的冷卻管組件，在由內(nèi)管和中管構(gòu)成的流路中流過(guò)冷卻介質(zhì)，通過(guò)將外管與中管之間的環(huán)形間隙真空排氣或者導(dǎo)入促進(jìn)冷卻用的氦，改變并控制冷卻能力。
文檔編號(hào)B22D11/124GK1576768SQ20041005948
公開(kāi)日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者廣瀨洋一 申請(qǐng)人:廣瀨洋一