从专利角度分析非晶材料成型中的单辊式结晶器冷却系统的发展

万锋+张洁

摘 要：从20世纪60年代开始，非晶材料的研究开始成为国内外材料学界的开发重点。而超急冷作为非晶材料成型的关键所在，辊式结晶器冷却系统也成为了非晶材料研究的热点。本文针对非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统的专利申请进行了统计，对国内外专利申请量、申请人分布等多方面进行了分析，并阐述了非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统的专利申请发展趋势，给出了其技术领域的发展脉络，并重点针对各技术分支进行了研究。

关键词：非晶；辊式；结晶器；冷却；专利；技术路线

中图分类号：T-18 文献标识码：A

一、非晶材料成型中的单辊式结晶器冷却系统的概述

非晶材料是通过超急冷凝固合金熔液获得的，合金熔液凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在。非晶合金具有许多独特的性能，特别是铁基非晶合金，其磁性能优异，广泛应用于变压器、开关电源、磁放大器等领域。从20世纪60年代开始，非晶材料的研究开始成为国内外材料学界的开发重点。而超急冷作为非晶材料成型的关键所在，辊式结晶器冷却系统也成了非晶材料研究的热点。非晶材料的制备方法有水淬法、吸铸法、喷注法、球磨法、单辊急冷法等，其中，单辊急冷法是将合金熔液注射到高速旋转、具有冷却功能的非晶结晶器的表面，经结晶器的快速冷凝（冷凝速度高达105℃/s以上），形成非晶带材。单辊急冷法相对其他非晶材料的制备方法，具有工艺简单、材料性能优异的特点，因而，其已成为当今最主要的生产非晶材料的方法之一。非晶结晶器是非晶带材生产过程中的核心部件，非晶带材的质量取决于非晶结晶器的冷却速度，所以如何改进结晶器冷却系统，成为当今非晶制造行业的重要课题。随着非晶材料的发展，相关专利申请量也跟着增长，尤其是近几年在中国的申请量增长迅猛。本文主要是针对上述结晶器冷却系统，对国内外非晶材料成型中的单辊式结晶器冷却系统的专利技术进行检索和分析。

二、专利申请的趋势分析

为了研究非晶结晶器冷却系统专利技术的发展状况，笔者以IPC分类号为主，关键词为辅的方式，对所需主题的专利进行了检索，得到的有效样本专利申请在280篇左右，经过数据整理，对获取的样本数据的专利申请状况进行统计分析。

1.专利历年分布

可知，对非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统的专利申请最早出现在20世纪70年代末，从20世纪80初开始，随着非晶材料产业的快速发展，关于非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统的申请量开始大幅上涨，这主要是因为在变压器领域的应用日益广泛，对非晶材料性能、加工要求也越来越高，对非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统的研究呈现爆发式增长；20世纪80年代末至90年代，国外非晶材料领域对其辊式结晶器冷却系统的专利申请量较为稳定；21世纪以来，因其核心专利已经确立，对辊式结晶器冷却系统的创新已显得较为困难，其专利申请量较少。

通过与国外专利申请状况的比较可知，我国在的研究上起步较晚，在1995年之前申请量极少，而从1995年之后，申请量呈逐步增长趋势；2008年后，申请量呈现快速增长趋势，这一方面是由于我国经济总量不断增长，在半非晶材料制造领域中占的比重越来越大；另一方面是为了克服金融危机，促进经济平稳增长，全面推进国家知识产权战略，切实提高推进知识产权事业科学发展，2008年6月5日，国务院颁布了《国家知识产权战略纲要》，在此大环境下，国内申请量逐年攀升，并且随着专利法律体系逐步完善，全民專利意识普遍提高、专利申请人创新能力大幅增强。近年来，国内专利申请量呈迅猛攀升趋势，上升势头强劲。

2.专利申请量国别分布

申请量占总申请量的比例高达43.8%，而欧盟、美国、韩国等国申请量相对比例较少，这也充分表明了日本在非晶材料行业，特别是结晶器冷却系统领域的领先地位。而中国因2008年以来在该领域专利的高速增长，一举位列第二，占比31.0%，可以说，在该领域，我国的技术正在快速追赶，甚至大有超越日本之势。

3.国内外申请人排名分析

中国占了两席，其中新日本制铁株式会社的申请量高居榜首，表明该公司在该技术领域中的主导地位。而青岛云路新能源科技有限公司在该领域也有较好的技术积累，通过分析其专利申请，发现其多涉及非晶结晶器冷却系统内部水道的改进，以提高其冷却强度，同时提高其冷却的均匀性。

三、技术发展路线

目前，非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统根据冷却液供给方式主要分为外部冷却以及内部冷却两大类型；根据冷却液类型分为气体冷却以及液体（主要是冷却水）冷却两种；通过梳理其技术发展脉络，非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统的研发经历了外部冷却至内部冷却的转变，经历了从高强度冷却能力的需求到高冷却均匀性的需求的转变。

1.外部冷却方式

外部冷却方式是将冷却介质（冷却液体或气体）或直接供给至结晶器表面以降低结晶器表面的温度，或供给至已部分凝固的非晶带材表面以增大其冷却强度。在上述两种基本类型的外部冷却类型的基础上，后来又发展了多喷嘴式、结晶器下端浸入冷却水槽式、同时外部冷却结晶器以及非晶带材式等，其原理相通，结构上大体相似，涉及的专利主要有JP54-46134A、CN1751825A、US4142571A、US4077462A、WO9005603A1等。

外部冷却方式的优点有：冷却系统与结晶器彼此分离，其结构简单，设备制造、维修成本低，水量控制方便，冷却强度易于调整等。而其缺点也较为明显，对于冷却结晶器类型的，因结晶器辊面交替受冷却介质的急冷以及高温熔液激热，结晶器辊面易出现裂纹、麻点、掉肉等缺陷，进而造成非晶带材的表面质量不佳、结晶器使用寿命有限的问题；其次，仅处于外置冷却喷嘴位置的结晶器辊面处于冷却状态，其他位置的结晶器辊面或空载或被高温熔液、合金带材披覆，其冷却能力有限。

图4为外部冷却方式的全球历年专利申请量的分布图。由图可以看出，外部冷却方式的专利申请量呈历年减少的趋势。在全球竞争越来越激烈的市场环境下，提高非晶带材的质量变得尤为重要，从上述分析其缺点也可以看出，外部冷却因其生产的成本、质量等问题，其优势已变得不明显，全球范围内对非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统的研究逐渐集中于后文将要介绍的内部冷却方式。

2.内部冷却方式

2.1 直通型水道

直通型水道内部冷却方式是将冷却水通往结晶器内部，通过循环的冷却水将结晶器辊面的热量传递出去，从而可持续地对结晶器进行冷却。较为典型的，结晶器具有中空部，旋转轴一端有进水管往上述中空部供给冷却水，通过高速旋转使得结晶器辊面内部的冷却水保持一定高度，持续对辊面进行冷却，过热的冷却水以蒸汽的方式从旋转轴的蒸汽排出口排出；或者，在内芯与辊面之间形成冷却水道，通过冷却水道的持续流动对辊面持续冷却。上述第一种冷却方式中的冷却水不能够及时排出，导致冷却能力有限；而第二种则通过通以持续流动的冷却水持续地对结晶器冷却，达到增强冷却能力的技术效果。类似的专利有许多，可参见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”，其可以有效解决冷却强度的问题，然而，又带来了新的技术问题：冷却强度的不均。例如，上述冷却水道是从结晶器的一端进入、另一端流出的，冷却水进入端冷却水温度低冷却强度大，而流出端因冷却水的温度升高使得冷却强度降低，从而结晶器辊面径向上冷却强度出现较大的梯度，进而使得非晶带材的质量不佳；此外，其水道横截面积大，冷却水在水道里流量大，但流速低，冷却效果差。20世纪80年代早期又发展了环向螺旋水道，冷却水经由结晶器一端进入，经过环向螺旋形水道，从结晶器另一端流出，其增大了冷却水流速，提高了结晶器的冷却强度，但其冷却水仍是单一方向流动，整体上还是存在冷却水进入端冷却强度高于流出端，冷却强度不均的问题。类似的具有螺旋水道的结晶器可以参见JP59-66954A、JP60-255240A、CN203944807U、CN203900420U、CN1552543A、CN201161286Y等。

2.3 中间进入型水道

为了避免结晶器两端面冷却强度的差异，20世纪80年代中期又发展了冷却水从结晶器辊面中间进入、分别从两端流出的冷却方式。冷却水从结晶器旋转轴一端进入，经过内芯中的水道，由结晶器辊面下面中部水道进入，从辊面下面水道两端处流出，进而一定程度上达到均匀化冷却强度的技术效果。类似的中部进入式水道的结晶器冷却方式可以参见JP60-158964A、JP59-30455A、CN102133619A、CN103586429A、CN103406508A、CN202174227U等。

2.4 交叉型水道

上述中间进入型水道一定程度上改善了结晶器辊面冷却强度上的差异，但是还是存在结晶器辊面中部与两端的冷却不均的问题，为了解决上述技术问题，后来出现了冷却水交叉进出式冷却水道，结晶器辊面下均匀分布有冷却水道，然而，相邻冷却水道内的冷却水流动方向均相反（即相邻冷水道内的冷水为一进一出式的），由此带来的技术效果是整个结晶器辊面在轴向上的均匀冷却。类似的专利还可以参见CN102728796A、CN103639378A等。

图5为各种类型的内部冷却方式的全球专利发展历程图，由图可以看出21世纪以前主要是直通型、螺旋型水道蓬勃發展，其主要是解决提高结晶器冷却强度的技术问题；21世纪以来，中间进入型、交叉型水道得以发展，其主要是解决提高结晶器冷却均匀性的技术问题。由上述分析可以看出，结晶器冷却系统的发展历程经历了追求高的冷却强度到追求高的冷却均匀性。

结论

通过上述专利分析可以看出，非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统根据冷却液供给方式主要分为外部冷却以及内部冷却两大类型；根据冷却液类型分为气体冷却以及液体（主要是冷却水）冷却两种；根据其技术发展脉络，非晶材料成型中的辊式结晶器冷却系统的研发经历了外部冷却至内部冷却的转变，经历了从高强度冷却能力的需求到高冷却均匀性的需求的转变。单辊式结晶器冷却系统的专利申请量主要集中在日本，而随着我国经济总量不断增长以及知识产权的不断完善，近年来，国内专利申请量也以较快的速度在增长。

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