JPH0778263B2 - 中圧電子ビーム炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、金属および合金の真空精製用電子ビーム炉に
関するものである。

発明の背景技術 チタン合金などの合金を真空精製する場合、スクラップ
材等からなる原料を低温炉（cold hearthe）へ供給す
る。炉内は真空状態に保たれており、プラズマトーチや
電子ビーム銃のエネルギーを照射して金属を溶融した
り、また気化、分解、重力などを利用して不純物を分離
する。原材料には合金成分が所望の割合で含有されてい
るため、溶融金属を炉から鋳型へと注入してインゴット
を製造すると、所望の合金組成を有したインゴットがで
きる。

しかしながら、従来の炉の構造ではこのような合金を精
製するのは極めて困難であった。電子ビームエネルギー
源を使用した低温炉では、電子ビーム銃のカソードおよ
びフィラメントが急激に劣化するのを防ぐため、銃を設
置している領域は約0.1−１ミクロンHgの高真空状態に
する必要がある。しかしながら、溶融金属混合物をこの
ような高真空状態に置いておくと、必要な金属成分が必
要以上に気化されるため、炉に供給する原料成分の含有
量を調整しなくてはならない。さらに、このような高真
空状態とするために、低温状態から炉を立ち上げるのに
約５時間以上の脱気時間が必要である。また、このよう
な高真空状態では、気化された成分あるいは不純物が炉
の内壁面上に皮膜または硬皮を粗に形成し、該皮膜の比
較的大きな塊が壁面から溶融材の中に剥がれ落ちて溶融
金属を汚染し、所望値とは異なった組成となり、不要な
成分を含有したインゴットが鋳造されてしまう。

一方、プラズマ銃を備えた炉は、通常、100ミクロンHg
以上の高圧状態で運転されており、低圧状態では操業効
率が低下する。プラズマ銃をエネルギー源として使用
し、炉内を高圧状態に保っているため、揮発性が比較的
低い不純物質を気化させなくてはならないような精製は
不可能である。しかしながら、プラズマ炉内は高圧状態
であるため所望合金成分の揮発は抑制され、揮発した成
分を補うため行っていた原材料混合物の調整は不要にな
る。

さらにまた、100ミクロンHg以上の圧力では、例えばSch
elleret al.特許No.3、211、548に開示されているよう
に気化した物質は炉の壁面上に細粉状に凝集する。この
ように堆積した細粉は、バイブレータを用いるなどして
物理的振動を加えると壁面から容易に剥離し、炉内の溶
融金属内に落ちた場合は再度溶融されてしまい、溶融さ
れなかった含有物を分離することができなくなる。

Hunt特許No.4、027、722では、各々異なる真空レベルで
溶融、精製、鋳造を連続して行うことによりこれら電子
ビーム炉およびプラズマ炉双方の利点の利用を図ってい
る。このため、Hunt特許では独立した複数の区画を必要
としており、また比較的高い圧力部用プラズマ銃や高圧
部用電子ビーム銃など異なる複数のエネルギー源を提供
している。他方、Tarasescu et al.特許では、特別に設
計されたプラズマ銃を用い、また10−100ミクロンHgの
範囲で動作させることにより、電子ビーム炉内で作り出
された比較的高い真空状態を利用したプラズマ銃炉を提
供している。

発明の開示 このため、本発明は上記従来技術の問題点を解決する新
規改良型金属混合物溶融および精製方法を提供すること
を目的とする。

本発明の第２の目的としては、精製および鋳造中の混合
物中の必要成分の気化を防ぐ電子ビーム精製方法を提供
することにある。

本発明の第３の目的は、混合物中の成分を不必要に気化
することなく金属混合物を溶融し、精製することが可能
な電子ビーム炉を提供することにある。

本発明の第４の目的は、立ち上げ時間が短い電子ビーム
炉を提供することにある。

本発明の第５の目的は、気化された金属成分が炉内の壁
面上に粉末あるいは粒子状に凝集する電子ビーム炉を提
供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、少なくとも50ミ
クロンHg、望ましくは、50−300ミクロンHgの範囲、ま
た好ましくは100−200ミクロンHgの範囲といった比較的
高い圧力で動作することが可能な電子ビーム炉を使用し
ている。このように、原料中の所望な成分を揮発させる
ことなく、また気化した原料が、比較的大きな塊として
壁面から剥離して溶融金属を汚染するような形で、炉内
の壁面に堆積するのを防ぎながら原材料の電子ビーム精
製を実施することが可能である。

例えば、50−300ミクロンHgの範囲の加圧状態で運転さ
れている炉内で電子ビーム銃を適正に動作させるため、
高圧での動作が原因で生じていたフィラメントやカソー
ドの劣化を防ぐよう電子ビーム銃は設計されている。第
一の実施例では、電子銃は、電子ビームを透過させる連
続したコンパートメントから構成されており、炉の内部
と電子ビーム銃のカソードおよびフィラメトの位置との
間の圧力を所定値に減圧維持するよう各コンパートメン
トはそれぞれ個別に脱気されている。

添付図面を参照のもと以下の説明から本発明の他の目的
および効果が明白となる。

図面の簡単な説明 第１図は、加圧状態で動作するよう構成された本発明に
係わる電子ビーム炉の例を示した概略図である。

第２図は、加圧状態で動作している炉に使用する本発明
に係わる電子ビーム銃の構成例を示した断面図である。

発明の好適実施例の説明 第１図に概略的に示した本発明の実施例において、炉10
には内部水循環ダクト13により通常の方法で冷却を行
い、精製中の原料の固体スカル14を形成する炉床12を内
設したハウジング11を備えている。供給用シュートを介
し精製を行う固体原料片15を炉床へと通常の方法で供給
する。炉床に堆積した原料15は電子ビーム銃17から射出
された電子ビームにより溶融される。該電子ビーム銃
は、従来の方法で炉床の所望領域を走査し、炉床内に溶
融原料池18ができる。

あるいは、炉に供給する原材料を固体バーもしくは電極
（不図示）の形状、すなわち、一端が銃17からのビーム
で溶融され、前記端部が溶融するにつれ通常の方法でビ
ーム方法に搬送されるよう形成してもよい。

同様に第二の電子ビーム銃19で炉体の他の領域を走査
し、溶融金属池にエネルギーを与えて粒子材を全て完全
に溶融し、この後溶融された原料は炉床の流出端の鋳造
リップ20から垂直鋳型21へと流出する。当該鋳型におい
て溶融原料はインゴット22として固められ、従来の方法
により前記鋳型から下の方へと取り出される。第３の電
子ビーム銃23で鋳型の中の溶融金属24の表面を走査し、
原料にエネルギーを十分与えて適切に固化が行われるよ
うにする。

本発明によれば、前記ハウジング11内部の圧力は、第一
真空装置25を用いて電子ビーム炉の通常圧力範囲を越え
る圧力、すなわち少なくとも50ミクロンHg、望ましくは
100−300ミクロンHg,好ましくは100−200ミクロンHgに
保たれている。前記第一真空装置25には、炉内圧力を所
望の値に維持するために必要な場合に不活性ガスを炉内
部へと抽気するため高真空ポンプ装置と制御ガス抽気装
置（a controlled gas−bleed arrangement）が設けら
れている。

このような構成で、圧力が比較的高いため溶融原料18中
の所望成分の揮発が抑制され、また処理中は揮発しない
金属が微粉末状に凝集する。

揮発性成分の損失を防ぐため、前記炉10には炉床の上に
水平凝集スクリーン26を載置している。前記凝縮スクリ
ーンは、電子ビームに適した開口部を有しており、気化
した原料は炉内の壁面に付着する前に粉末26aの形で凝
集、捕獲される。前記スクリーン26の粉末26aおよび炉
内の壁面上に堆積した粉末を連続して除去するためバイ
ブレータ27がスクリーンおよびハウジング壁面に振動を
与え、堆積した粉末を剥離させ炉体12へと落とす。微粉
状に堆積しているため、炉床に落ちる原料は即溶融され
るためインゴット22の品質を劣化させる固体の包含物
（solid inclusions）を形成することはない。あるい
は、周期的にスクリーン表面をかき取るようスクレーパ
ー（不図示）を設けても良い。

また、炉床内の圧力は電子ビーム炉内の通常圧力に比べ
一桁から二桁ほど高いため低温状態から最初の立ち上げ
までの炉内の脱気に要する時間は大幅に短縮される。従
来、操業中の炉内の圧力を例えば0.1−１ミクロンHgに
保つ必要がある場合は炉が使用可能となるまでに５−10
時間の脱気時間を要する。これに対し、本発明の炉は、
例えば50−300ミクロンHgの範囲といった極めて高圧で
運転しているため、低温状態から立ち上げまでに脱気に
要する時間は例えば１時間以下といった短時間であり、
停止した炉の再操業が従来よりも早く行える。

炉をこのように高い圧力で運転した場合に電子ビーム銃
17、19、23のカソードが劣化しないよう、電子銃には各
々独立して真空排気装置28が設けられており、ダクト2
9、30、31を介して銃ハウジング（gun housing）の異な
る場所に各々接続されている。第２図の電子ビーム銃14
の拡大断面図に示されているように、銃には互いに略隔
離された三つのコンパートメント32、33、34が設けられ
ており、コンパートメント32内のカソード37から射出さ
れた電子ビーム36が電子ビーム銃の外部へと通過するに
十分な最小限の径を有した直線開口部35を介してこれら
のコンパートメントは互いに連結されている。前記カソ
ード37は、フィラメント39で熱せられた隣接電子発生源
38から射出された電子により従来の方法で加熱され、高
密度の電子ビームがカソード37から射出される。しかし
ながら、１−10ミクロンHg以上の圧力では、空中イオン
（atmospheric ions）との衝突によりカソード37とフィ
ラメント39は劣化および破壊されてしまう。

このため、ポンプ28を作動させて、ダクト29からの真空
排気により電子ビーム銃の区画32の圧力を例えば0.1−
１ミクロンHgの範囲内に維持し、炉内の高い圧力のため
各開口部35から銃チャンバー（gun chambers）33および
34に入ってきた空中分子（atmospheric molecules）
は、ダクト30および31から各々排気さる。ここで、前記
ダクト30および31は、これらチャンバーの圧力を中間
圧、例えば１−10ミクロンHgおよび10−100ミクロンHg
に各々維持するよう設計されている。あるいは、前記電
子ビーム銃14を従来の構成とし、不図示である通常の加
速、集束、偏向装置を備えていてもよい。第２、第３の
電子ビーム銃19および23用のポンプ装置28も各々類似の
構成の真空排気装置とすることができる。

この結果、高圧下で発生していた電子ビーム銃の部品の
劣化といった問題を解決しながらも、電子ビーム炉動作
における利点を活かし、また比較的高い圧力、すなわち
50−300ミクロンHgの範囲で精製炉を操業することがで
きるという利点がある。

以上、本発明を特定の実施例に基づいて説明してきた
が、本発明はそれら実施例に限定されるものではないこ
とは理解されよう。

本発明の実施態様を以下に項分け記載する。

1.ハウジング手段と、溶融および精製用金属原料を供給
するための供給手段と、溶融金属を流し込むための鋳型
手段と、前記金属原料に向けて電子を照射する前記ハウ
ジング手段に内設された電子ビーム銃手段と、炉が操業
中は前記ハウジング手段内の圧力を少なくとも50ミクロ
ンHgに維持する圧力制御手段とから構成されることを特
徴とする電子ビーム炉。

2.前記圧力制御手段は、前記ハウジング手段内の圧力を
50−300ミクロンHgの範囲に維持するよう構成されてい
ることを特徴とする実施態様１記載の電子ビーム炉。

3.前記圧力制御手段は、前記ハウジング手段内の圧力を
100−200ミクロンHgの範囲に維持するよう構成されてい
ることを特徴とする実施態様１記載の電子ビーム炉。

4.前記電子ビーム銃手段は、金属原料を溶融し精製する
ための電子ビーム銃を少なくとも二つ有しており、また
前記鋳型手段へ電子を誘導する電子ビーム銃を少なくと
も一つ有していることを特徴とする実施態様１記載の電
子ビーム炉。

5.気化した金属原料が凝縮する面を有した凝縮スクリー
ンを備えていることを特徴とする実施態様１記載の電子
ビーム炉。

6.凝縮した金属原料を前記電子ビーム炉の内表面から除
去する手段を備えていることを特徴とする実施態様１記
載の電子ビーム炉。

7.前記凝縮した金属原料を除去する手段が、バイブレー
タ手段を備えていることを特徴とする実施態様６記載の
電子ビーム炉。

8.前記凝縮した金属原料を除去する手段が、スクレーパ
ー手段を備えていることを特徴とする実施態様６記載の
電子ビーム炉。

9.前記圧力制御手段が、前記電子ビーム炉の内部へとガ
スを抽気する抽気手段を備えていることを特徴とする実
施態様１記載の電子ビーム炉。

10.前記電子ビーム銃手段に接続され、前記電子ビーム
銃手段内部に排気するポンプ手段を前記圧力制御手段が
備えていることを特徴とする実施態様９記載の電子ビー
ム炉。

11.少なくとも50ミクロンHgとなるよう炉内の圧力を制
御するステップと、10ミクロンHg以下のレベルに電子ビ
ームのカソード領域内の圧力を個別に制御するステップ
とからなることを特徴とするカソード領域を有した電子
ビーム銃を備えた電子ビーム炉作動方法。

12.100ミクロンHg−200ミクロンHgの範囲となるよう前
記電子ビーム炉内の圧力を制御するステップと、１ミク
ロンHg以下となるよう前記電子ビーム銃のカソード領域
の圧力を制御するステップを有することを特徴とする実
施態様11記載の電子ビーム炉作動方法。

13.前記電子ビーム炉内の圧力を制御するため前記電子
ビーム炉内へとガスを抽気するステップを有することを
特徴とする実施態様12記載の電子ビーム炉作動方法。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジング手段と、溶融および精製用金属
   原料を供給するための供給手段と、溶融金属を流し込む
   ための鋳型手段と、前記金属原料に向けて電子を照射す
   る前記ハウジング手段に内設された電子ビーム銃手段
   と、炉が操業中は前記ハウジング手段内の圧力を少なく
   とも50ミクロンHgに維持する圧力制御手段とから構成さ
   れることを特徴とする電子ビーム炉。
2. 【請求項２】少なくとも50ミクロンHgとなるよう炉内の
   圧力を制御するステップと、10ミクロンHg以下のレベル
   に電子ビームのカソード領域内の圧力を個別に制御する
   ステップとからなることを特徴とするカソード領域を有
   した電子ビーム銃を備えた電子ビーム炉作動方法。