從專利角度分析非晶材料成型中的單輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的發(fā)展

萬鋒+張潔

摘 要：從20世紀(jì)60年代開始，非晶材料的研究開始成為國內(nèi)外材料學(xué)界的開發(fā)重點(diǎn)。而超急冷作為非晶材料成型的關(guān)鍵所在，輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)也成為了非晶材料研究的熱點(diǎn)。本文針對非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的專利申請進(jìn)行了統(tǒng)計，對國內(nèi)外專利申請量、申請人分布等多方面進(jìn)行了分析，并闡述了非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的專利申請發(fā)展趨勢，給出了其技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，并重點(diǎn)針對各技術(shù)分支進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：非晶；輥式；結(jié)晶器；冷卻；專利；技術(shù)路線

中圖分類號：T-18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、非晶材料成型中的單輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的概述

非晶材料是通過超急冷凝固合金熔液獲得的，合金熔液凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在。非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，特別是鐵基非晶合金，其磁性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于變壓器、開關(guān)電源、磁放大器等領(lǐng)域。從20世紀(jì)60年代開始，非晶材料的研究開始成為國內(nèi)外材料學(xué)界的開發(fā)重點(diǎn)。而超急冷作為非晶材料成型的關(guān)鍵所在，輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)也成了非晶材料研究的熱點(diǎn)。非晶材料的制備方法有水淬法、吸鑄法、噴注法、球磨法、單輥急冷法等，其中，單輥急冷法是將合金熔液注射到高速旋轉(zhuǎn)、具有冷卻功能的非晶結(jié)晶器的表面，經(jīng)結(jié)晶器的快速冷凝（冷凝速度高達(dá)105℃/s以上），形成非晶帶材。單輥急冷法相對其他非晶材料的制備方法，具有工藝簡單、材料性能優(yōu)異的特點(diǎn)，因而，其已成為當(dāng)今最主要的生產(chǎn)非晶材料的方法之一。非晶結(jié)晶器是非晶帶材生產(chǎn)過程中的核心部件，非晶帶材的質(zhì)量取決于非晶結(jié)晶器的冷卻速度，所以如何改進(jìn)結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)，成為當(dāng)今非晶制造行業(yè)的重要課題。隨著非晶材料的發(fā)展，相關(guān)專利申請量也跟著增長，尤其是近幾年在中國的申請量增長迅猛。本文主要是針對上述結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)，對國內(nèi)外非晶材料成型中的單輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的專利技術(shù)進(jìn)行檢索和分析。

二、專利申請的趨勢分析

為了研究非晶結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)專利技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，筆者以IPC分類號為主，關(guān)鍵詞為輔的方式，對所需主題的專利進(jìn)行了檢索，得到的有效樣本專利申請在280篇左右，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，對獲取的樣本數(shù)據(jù)的專利申請狀況進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.專利歷年分布

可知，對非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的專利申請最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末，從20世紀(jì)80初開始，隨著非晶材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，關(guān)于非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的申請量開始大幅上漲，這主要是因為在變壓器領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對非晶材料性能、加工要求也越來越高，對非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的研究呈現(xiàn)爆發(fā)式增長；20世紀(jì)80年代末至90年代，國外非晶材料領(lǐng)域?qū)ζ漭伿浇Y(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的專利申請量較為穩(wěn)定；21世紀(jì)以來，因其核心專利已經(jīng)確立，對輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新已顯得較為困難，其專利申請量較少。

通過與國外專利申請狀況的比較可知，我國在的研究上起步較晚，在1995年之前申請量極少，而從1995年之后，申請量呈逐步增長趨勢；2008年后，申請量呈現(xiàn)快速增長趨勢，這一方面是由于我國經(jīng)濟(jì)總量不斷增長，在半非晶材料制造領(lǐng)域中占的比重越來越大；另一方面是為了克服金融危機(jī)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)增長，全面推進(jìn)國家知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，切實提高推進(jìn)知識產(chǎn)權(quán)事業(yè)科學(xué)發(fā)展，2008年6月5日，國務(wù)院頒布了《國家知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略綱要》，在此大環(huán)境下，國內(nèi)申請量逐年攀升，并且隨著專利法律體系逐步完善，全民專利意識普遍提高、專利申請人創(chuàng)新能力大幅增強(qiáng)。近年來，國內(nèi)專利申請量呈迅猛攀升趨勢，上升勢頭強(qiáng)勁。

2.專利申請量國別分布

申請量占總申請量的比例高達(dá)43.8%，而歐盟、美國、韓國等國申請量相對比例較少，這也充分表明了日本在非晶材料行業(yè)，特別是結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。而中國因2008年以來在該領(lǐng)域?qū)＠母咚僭鲩L，一舉位列第二，占比31.0%，可以說，在該領(lǐng)域，我國的技術(shù)正在快速追趕，甚至大有超越日本之勢。

3.國內(nèi)外申請人排名分析

中國占了兩席，其中新日本制鐵株式會社的申請量高居榜首，表明該公司在該技術(shù)領(lǐng)域中的主導(dǎo)地位。而青島云路新能源科技有限公司在該領(lǐng)域也有較好的技術(shù)積累，通過分析其專利申請，發(fā)現(xiàn)其多涉及非晶結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)內(nèi)部水道的改進(jìn)，以提高其冷卻強(qiáng)度，同時提高其冷卻的均勻性。

三、技術(shù)發(fā)展路線

目前，非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)根據(jù)冷卻液供給方式主要分為外部冷卻以及內(nèi)部冷卻兩大類型；根據(jù)冷卻液類型分為氣體冷卻以及液體（主要是冷卻水）冷卻兩種；通過梳理其技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)歷了外部冷卻至內(nèi)部冷卻的轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷了從高強(qiáng)度冷卻能力的需求到高冷卻均勻性的需求的轉(zhuǎn)變。

1.外部冷卻方式

外部冷卻方式是將冷卻介質(zhì)（冷卻液體或氣體）或直接供給至結(jié)晶器表面以降低結(jié)晶器表面的溫度，或供給至已部分凝固的非晶帶材表面以增大其冷卻強(qiáng)度。在上述兩種基本類型的外部冷卻類型的基礎(chǔ)上，后來又發(fā)展了多噴嘴式、結(jié)晶器下端浸入冷卻水槽式、同時外部冷卻結(jié)晶器以及非晶帶材式等，其原理相通，結(jié)構(gòu)上大體相似，涉及的專利主要有JP54-46134A、CN1751825A、US4142571A、US4077462A、WO9005603A1等。

外部冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)有：冷卻系統(tǒng)與結(jié)晶器彼此分離，其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備制造、維修成本低，水量控制方便，冷卻強(qiáng)度易于調(diào)整等。而其缺點(diǎn)也較為明顯，對于冷卻結(jié)晶器類型的，因結(jié)晶器輥面交替受冷卻介質(zhì)的急冷以及高溫熔液激熱，結(jié)晶器輥面易出現(xiàn)裂紋、麻點(diǎn)、掉肉等缺陷，進(jìn)而造成非晶帶材的表面質(zhì)量不佳、結(jié)晶器使用壽命有限的問題；其次，僅處于外置冷卻噴嘴位置的結(jié)晶器輥面處于冷卻狀態(tài)，其他位置的結(jié)晶器輥面或空載或被高溫熔液、合金帶材披覆，其冷卻能力有限。

圖4為外部冷卻方式的全球歷年專利申請量的分布圖。由圖可以看出，外部冷卻方式的專利申請量呈歷年減少的趨勢。在全球競爭越來越激烈的市場環(huán)境下，提高非晶帶材的質(zhì)量變得尤為重要，從上述分析其缺點(diǎn)也可以看出，外部冷卻因其生產(chǎn)的成本、質(zhì)量等問題，其優(yōu)勢已變得不明顯，全球范圍內(nèi)對非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的研究逐漸集中于后文將要介紹的內(nèi)部冷卻方式。

2.內(nèi)部冷卻方式

2.1 直通型水道

直通型水道內(nèi)部冷卻方式是將冷卻水通往結(jié)晶器內(nèi)部，通過循環(huán)的冷卻水將結(jié)晶器輥面的熱量傳遞出去，從而可持續(xù)地對結(jié)晶器進(jìn)行冷卻。較為典型的，結(jié)晶器具有中空部，旋轉(zhuǎn)軸一端有進(jìn)水管往上述中空部供給冷卻水，通過高速旋轉(zhuǎn)使得結(jié)晶器輥面內(nèi)部的冷卻水保持一定高度，持續(xù)對輥面進(jìn)行冷卻，過熱的冷卻水以蒸汽的方式從旋轉(zhuǎn)軸的蒸汽排出口排出；或者，在內(nèi)芯與輥面之間形成冷卻水道，通過冷卻水道的持續(xù)流動對輥面持續(xù)冷卻。上述第一種冷卻方式中的冷卻水不能夠及時排出，導(dǎo)致冷卻能力有限；而第二種則通過通以持續(xù)流動的冷卻水持續(xù)地對結(jié)晶器冷卻，達(dá)到增強(qiáng)冷卻能力的技術(shù)效果。類似的專利有許多，可參見JP57-171547A、JP57-159244A、JP57-171548A、JP59-42160A、CN202263908U、CN103406509A等。

2.2 螺旋型水道

上述“直通型水道”，其可以有效解決冷卻強(qiáng)度的問題，然而，又帶來了新的技術(shù)問題：冷卻強(qiáng)度的不均。例如，上述冷卻水道是從結(jié)晶器的一端進(jìn)入、另一端流出的，冷卻水進(jìn)入端冷卻水溫度低冷卻強(qiáng)度大，而流出端因冷卻水的溫度升高使得冷卻強(qiáng)度降低，從而結(jié)晶器輥面徑向上冷卻強(qiáng)度出現(xiàn)較大的梯度，進(jìn)而使得非晶帶材的質(zhì)量不佳；此外，其水道橫截面積大，冷卻水在水道里流量大，但流速低，冷卻效果差。20世紀(jì)80年代早期又發(fā)展了環(huán)向螺旋水道，冷卻水經(jīng)由結(jié)晶器一端進(jìn)入，經(jīng)過環(huán)向螺旋形水道，從結(jié)晶器另一端流出，其增大了冷卻水流速，提高了結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度，但其冷卻水仍是單一方向流動，整體上還是存在冷卻水進(jìn)入端冷卻強(qiáng)度高于流出端，冷卻強(qiáng)度不均的問題。類似的具有螺旋水道的結(jié)晶器可以參見JP59-66954A、JP60-255240A、CN203944807U、CN203900420U、CN1552543A、CN201161286Y等。

2.3 中間進(jìn)入型水道

為了避免結(jié)晶器兩端面冷卻強(qiáng)度的差異，20世紀(jì)80年代中期又發(fā)展了冷卻水從結(jié)晶器輥面中間進(jìn)入、分別從兩端流出的冷卻方式。冷卻水從結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)軸一端進(jìn)入，經(jīng)過內(nèi)芯中的水道，由結(jié)晶器輥面下面中部水道進(jìn)入，從輥面下面水道兩端處流出，進(jìn)而一定程度上達(dá)到均勻化冷卻強(qiáng)度的技術(shù)效果。類似的中部進(jìn)入式水道的結(jié)晶器冷卻方式可以參見JP60-158964A、JP59-30455A、CN102133619A、CN103586429A、CN103406508A、CN202174227U等。

2.4 交叉型水道

上述中間進(jìn)入型水道一定程度上改善了結(jié)晶器輥面冷卻強(qiáng)度上的差異，但是還是存在結(jié)晶器輥面中部與兩端的冷卻不均的問題，為了解決上述技術(shù)問題，后來出現(xiàn)了冷卻水交叉進(jìn)出式冷卻水道，結(jié)晶器輥面下均勻分布有冷卻水道，然而，相鄰冷卻水道內(nèi)的冷卻水流動方向均相反（即相鄰冷水道內(nèi)的冷水為一進(jìn)一出式的），由此帶來的技術(shù)效果是整個結(jié)晶器輥面在軸向上的均勻冷卻。類似的專利還可以參見CN102728796A、CN103639378A等。

圖5為各種類型的內(nèi)部冷卻方式的全球?qū)＠l(fā)展歷程圖，由圖可以看出21世紀(jì)以前主要是直通型、螺旋型水道蓬勃發(fā)展，其主要是解決提高結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度的技術(shù)問題；21世紀(jì)以來，中間進(jìn)入型、交叉型水道得以發(fā)展，其主要是解決提高結(jié)晶器冷卻均勻性的技術(shù)問題。由上述分析可以看出，結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了追求高的冷卻強(qiáng)度到追求高的冷卻均勻性。

結(jié)論

通過上述專利分析可以看出，非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)根據(jù)冷卻液供給方式主要分為外部冷卻以及內(nèi)部冷卻兩大類型；根據(jù)冷卻液類型分為氣體冷卻以及液體（主要是冷卻水）冷卻兩種；根據(jù)其技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，非晶材料成型中的輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)歷了外部冷卻至內(nèi)部冷卻的轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷了從高強(qiáng)度冷卻能力的需求到高冷卻均勻性的需求的轉(zhuǎn)變。單輥式結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的專利申請量主要集中在日本，而隨著我國經(jīng)濟(jì)總量不斷增長以及知識產(chǎn)權(quán)的不斷完善，近年來，國內(nèi)專利申請量也以較快的速度在增長。

參考文獻(xiàn)

[1] E.Kubel Jr.薄帶直接鑄造技術(shù)的進(jìn)展——近成形帶材鑄造是未來取代當(dāng)今先進(jìn)薄板生產(chǎn)方法的新工藝[J].有色礦冶，1990（5）：44-49.

[2] Yuichi Sato， Juzo Shibata. Factors controlling the thinkness of Fe-B-Si-C amorphous ribbon in single roller process[J]. The Japan society of mechanical engineers， 1995， 61（588）： 260-265.

[3] 菅成志.新型Fe基非晶合金軟磁性能的研究[D].鄭州大學(xué)， 6-8.

[4] 張偉堂.單輥法制備非晶合金中冷卻速率的數(shù)值計算[J]. 金屬功能材料，2002（1）：12-18.

[5] 馬長松.非晶薄帶厚度控制研究進(jìn)展[J].寶鋼技術(shù)，2014（4）：47-52.

[6] Majumdar B， Sowjanya M， Srinivas M， et al. Issues on Puddle Formation During Rapid Solidification of Fe-Si-B-Nb-Cu Alloy Using Planar Flow Melt Spinning Process[J]. TransIndian Inst Met， 2012， 65（6）： 841- 847.