JPS6233044A - 粒子状金属を溶解または再溶解する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野： 本発明は粒子状金属を水平方・向に溶解ゾーンへ供給し
、電子ビーム照射によって溶解し、次解または再溶解す
る方法および装置に関する。

従来の技術： 粒子は先行する製造過程から得られる多少によらず微細
な力粒である。出発材料としてチタンを使用する場合、
出発材料としてしばしはいわゆるチタンスポンジが使用
される。

米国特許第２　９６３　５３０号明細書によシ金属力粒
をスクリューコンベアにより水平管を通して輸送し、そ
の真空室にある端部に電子ビーム源を配置することは公
知である。それによって電子ビーム源に面する粒子は表
面が溶解し、溶融金属は滴の落下通路に配置した連続鋳
造鋳型へ滴下し、ここから凝固した金属鋳塊が連続的に
下へ引出される。落下する溶滴は連続鋳造鋳型の上部範
囲に存在する溶湯の著しい飛沫の原因となる。しかしと
（に溶解しなかった金属粒子が湯だまりへ落下し、そこ
で含有ガスおよび真空中で容易に蒸発する不純物を爆発
的に分離しながら溶解し、それてよってさらに激しい溶
湯の飛沫が発生することは避けられない。さらに溶湯お
よびしだがって製造した鋳塊に未溶解の粒子が介在し、
これが後加工工程を妨害し１なおその中に含まれる不純
物のため最終生成物に廃部品が生ずることも同様避けら
れない。この危険はとくに平らな湯だまシで作業するこ
とが必要な場合圧発生する。

この場合真空法の精練効果はできるだけ微細な溶融粒子
の表面ができるだけ長く真空にさらされることに基くこ
とに注意しなげればならない。この要求は現在までの金
属粒子または力粒の直接処理ではまったくまたはごく不
十分にしか充足されなかった。

それゆえこれまでは出発材料からまず真空中で比較的確
実に処理することを要するいわゆる消耗電極を製造し、
この消耗電極を次に電子ビーム照射によって溶解し、滴
の形で自由落下によシ鋳型内の鋳塊の上端にある湯だま
りに供給した。同様本来の鋳造過程を良好に制御するだ
め、本来の連続鋳造鋳型の前に電子ビームによって加熱
する中間槽を配置することも公知である。

しかし前記方法は同様真空中で実施しなければならない
消耗電極の製造工程が比較的費用を要し、さらにこの方
法に溶解熱を２回、すなわち消耗電極製造の際および再
溶解して（精練した）鋳塊にする際供給しなげればなら
ない。

したがってエネルギー消費を低下するため、粒子を表面
的にのみ溶解し、これを次に連続鋳造鋳型へ落下させ、
そこで表面的に互いに結合し、１種の焼結体を形成する
ことによって粒子から消耗電極を製造した。しかし消耗
電極を製造する特殊な前工程の問題は基本的に残され、
さらにこの消耗電極がその不可避の多孔性のため不所望
に強いガス吸収に作用するので、もはや雰囲気にさらし
てはならない問題が加わる。

介在するガスのため真空中でいわゆる脱ガス過程が生ず
ることは避けられず、これが以後の工程進行に著しく障
害となる。

発明が解決しようとする問題点： それゆえ本発明の目的は溶融粒子の飛沫を抑制し、製造
した鋳塊の中の未溶解金属粒子の影響を確実に避ける金
属粒子を直接処理する首記方式の方法を得ることである
。

問題点を解決するための手段： この目的は前記方法において本発明によシａ）金属粒子
を水平に摺動しうる供給装置から溶解槽の水平位置にあ
る底面にほぼ均一な分布で拡げ、 ｂ）電子ビームによる粒子の表面的短時間の溶解によっ
て粒子を板状構造に結合し、次にＣ）溶解槽の底面を水
平から傾斜させ、ｄ）電子ビームを、粒子構造をストリ
ップ状にまず予熱してその直後に溶解するよなエネルギ
ー密度分布をもって下から上へ傾斜位置の板状粒子構造
上へ導き、同時に ｅ）底面の下部から滴下する溶湯を電子ビーム照射によ
り液状に保持し、次に ｆ）溶湯を十分除去しながら電子ビームを上から下へ溶
解槽の傾斜した底面上を導いて戻し、ｇ）溶解槽の底面
を再び水平の出発位置に戻し、前記ａ）の記載によ）再
び金属粒子を供給する ことによって解決される。

作　用： 特徴ａ）または先行する工程によってまず非常に有害な
水蒸気を含む表面に吸収したガスを除去しながら金属粒
子の脱ガスが行われる。さらに金属粒子は比較的薄い層
で槽底の表面に相当する比較的大きい表面にわたって分
配される。

この場合粒子はとくに２層以上に分配される。

たとえば第１粒子層を電子ビーム照射によって溶解し、
槽底に弛く付着するペースト状コンシスチンシーの溶湯
フィルムをつくり、このフィルムへ次に溶湯フィルムと
接着する金属粒子の第２層が支持される。しかしただ１
つの（厚い）粒子層を上から電子ビームで加熱し、それ
によって凝集または接着を誘導することもできる。

さらに先行する方法サイクルで槽底に溶湯の残量を残し
、同時に電子ビーム加熱を使用してまたはせずにもう１
つの粒子層を槽底にもたらすこともできる。

いずれの場合も溶解槽内容物の先行および（または）後
続の加熱によって、同じ真空工程または同じ真空室で直
接続けて処理する際後続の方法工程を可能にする十分な
強度を有する板状粒子構造が形成される。

たとえば先行する方法サイクルから生ずる溶湯フィルム
上へ金属粒子を散布することは金属粒子が塑性的に衝突
するので、反撥されない大きい利点を有する。

□特徴Ｃ）によシ板状粒子構造を１つの短辺から帯域的
に連続的に溶解し、同時に溶解した金属の少なくとも大
部分が次第に大きくなる槽底の自由賢面またはその下縁
から流出しうる利点が得られる。

特徴ｄ）は粒子構造をまず予熱期にさらに脱ガスし、そ
の際残留水分が蒸発し、かつ揮発性元素の留出が始まる
利点を有する。直後の溶解期に有害不純物はほぼ完全に
蒸発する。溶解の間、同時に特徴ｅ）により底面のそれ
ぞれ下部から流出する溶湯を液状に保持し、それによっ
てさらに脱ガスが行われる。

粒子構造の完全な溶落後、無条件に必要ではないけれど
、溶解槽の傾斜をさらにたとえば４５°から６０°に増
大するのが有利である。それによって槽底になお存在す
る残留溶湯の薄い溶湯フィルムまでの流出がさらに容易
になる。

十分な流出のため特徴ｆ）も役立つ：電子ビームは溶湯
の粘度を過熱によって低下するのみならず、溶湯を再び
下向きに移行する加熱ゾーンの前へ押し進める１種の掻
取効果も有する。

特徴ｇ）の方法工程によって溶解槽は再びその始動位置
へ戻されるので、新たな凝固、予備精練および溶解サイ
クルが始まる。

特徴ａ）〜ｇ）による方法サイクルの重要な要素は電子
ビームの使用である。適当なＸ−Ｙ偏向系を有する市販
の電子銃で得られる電子ビームはテレビ画像スクリュか
ら公知のように目標面上のいわゆる衝突パターン内部の
所望のエネルギー密度分布をもって偏向することができ
る。

たとえば種々のゾーンの種々のエネルギー密度は電子ビ
ームが個々のゾーンで異なる長さの滞留時間を有するこ
とによって実現することができる。これは再び電子ぎ一
ムを個々のゾーンを通る密度の異なるジグザグパターン
で偏向することによって実現することができる。個々の
ゾーン内の高い偏向周波数および同時に全偏向パターン
にわたる高い繰返し周波数によって、もちろん電子ビー
ムが衝突する材料の熱慣性も寄与する偽似定常状態が発
生する。このような衝突パターンを製造する詳細は目的
が異なるけれど西独公開特許公報第２　８１２　２８５
号に記載される。

本発明のもう１つの形成によシミ子ビームを方法工程ｄ
）およびｅ）のため異なる密度の３つのストリップ状ゾ
ーンすなわち： 上側ゾーンＩ：板状粒子構造をス）　ＩＪツブ状に予熱
するため中間エネルギ ー密度、 中間ゾーンＩＩ：板状粒子構造をストリップ状に溶解す
るため高いエネルギ ー密度、 下側ゾーンＩＩＩ：それぞれ槽底の下部から流出する溶
湯を液体に保持するた め低いエネルギー密度 に分割するのはとくに有利であり、その際ゾーン■はゾ
ーン■およびＩＩの進行に応じて槽底の全下部にわたっ
て拡がるように上へ拡大される。

本発明の方法のもう−１つの有利な形成は方法工程ｆ）
の電子ビームをエネルギー密度の異なる３つのストリッ
プ状ゾーンに分割することであり、すなわち 下側ゾーンＩＶ：槽底のそれぞれの部分から流出する溶
湯を液体に保持する ため低いエネルギー密度、 中間ゾーンＶ：槽底から残量の材料を掻取るため高いエ
ネルギー密度（と くにゾーンＨの溶解の場合よ り高い）、 上側ゾーンＶＩ：槽底の保温のため非常に低いエネルギ
ー密度、 その際ゾーンＩＶはゾーンＶの進行に応じてその拡がり
が槽底の下部に限定的に留まるように下へ縮小され、ゾ
ーンＶＩはゾーンＶの進行に応じて槽底の全上部にわた
って拡がるように下側へ拡大される。

発明が解決しようとする問題点： 本発明は本発明の方法を実施する装置にも関する。この
装置は常用法によシ粒子の排出端縁を有する水平に送る
供給装置、粒子に溶解エネルギーを照射する電子ビーム
源および連続鋳造鋳型を備える。

問題点を解決するだめの手段： 上記目的を解決するためこの装置は次の特徴を有する： ａ）槽底の水平位置および水平に対し傾斜した少なくと
も１つの位置の間で水平軸を中心に旋回しうる溶解槽を
有し、その水平位置の槽上を供給装置の排出端縁が走行
可能であυ、ｂ）溶解槽に対して配置した少なくとも１
つの電子ビーム源がダイナミックＸ−Ｙ偏向装置を有し
、 Ｃ）方法工程ｄ）、ｅ）およびｆ）の間の強度制御およ
びビーム偏向のため電子ビーム源に対して制御装置が配
置される。

と（に有利て溶解槽底は旋回軸に対しほぼ平行に走るフ
ィンを備える。それによって粒子構造は確実にその与え
られた傾斜位置に保持さ粗フィンを介して流出する溶湯
は付加的に攪乱されるので、その衆面ば非常に有効に精
練のだめの真空にさらされる。

本発明の他の有利な態様は特許請求の範囲第２〜７項お
よび第９．１０項に記載される。

実施例： 次に本発明の実施例を第１〜５図により説明する。

第１図には図示されていない真空ポンプおよび図示され
ていない排気導管を介してこの種の方法に常用の１０−
２〜１０ｍ’　ｍｂａｒの作業真空へ設定しうる真空室
１が示される。

真空室１内には本発明の核心である溶解槽２が存在する
。溶解槽２は垂直の側壁４および同様垂直の後端壁５を
有する細長い水冷中空体３からなる。構造材料としてと
くに銅が使用される。詳細には図示されていないフィン
を有する底面６は再溶解する金属粒子を収容するために
役立ち、同時にその下にある水が通る中空室８の上側仕
切壁を形成する。底面６は同時に溶湯の溢流端縁でもあ
る下縁７を有する。

溶解槽２は下縁７の近（で水平軸９に支持され、端壁５
の近くでピストンロッド１１が中空体３に作用する旋回
駆動装置１０と結合する。

それによって溶解槽２を選択的に水平位置、水平に対し
４５°および６０°傾斜した位置にもたらすことができ
る（位置表示はそれぞれ底面６の空間位置に関する）。

速留糟７雀水平位置にある第１図で槽のヒに排出端縁１
３を有する水平に送る供給装置１２がある。供給装置１
２はたとえば振動コンベアであり、または金属粒子１４
を送る他の機械的装置である。真空室の外側にある真空
気密に閉鎖した貯蔵容器は図示されていない。

下縁または溢流端縁７の下側に水冷した中間槽１５があ
シ、溶解槽２の不連続作業がその貯蔵容積によって連続
鋳造工程だ変換される。この目的のため中間槽１５は連
続鋳造鋳型１７の中心上部に配置した注型口１６を有す
る。連続鋳造鋳型１７にはこの鋳型の下側閉鎖体を形成
する鋳塊１８および鋳塊１８の上端に中間槽１５から連
続的に供給される湯溜シ１９がある。

それによって再溶解過程の全期間の間維持される材料平
衡およびエネルギーまたは熱平衡が発生する。溶解槽２
の側からの供給不足は中間槽１５の僅かな傾斜によって
補償することができる。

全装置を加熱するため２つの電子ビーム源２０および２
１が備えられ、そのうちの電子ビ−ム源２１は溶解槽２
に対応して配置される。

電子ビームは破線で表わされる。しかし電子ビームは集
束され、図示の範囲を同時に照射するのでなく、偏向お
よび繰返し周波数に応じてその目標面上を導かれること
は明らかである。電子ビームの衝突パターンに関する詳
細は他の図によシ詳細に説明する。

溶解槽２の均一な装入は供給装置１２の往復運動によっ
て達成され、その際前記のように装入過程は多層に、場
合によシミ子ビームによる中間加熱を挾んで行うことも
できる。

装入装置１２を外側へ引戻した後、溶解槽２をその水平
軸９を中心に旋回して底面６が水平に対し４５°の角度
を形成する第２図に示す位置へもたらすことができる。

これは精練および溶解過程のためにもつとも有利な位置
であシ、これを第４および５図によシ詳細に説明する。

まず第３図は水平位置にある溶解槽２の平面図である。

供給装置１２は後端壁５から出発して溢流端縁７の方向
に摺動し、その際同時に金属粒子１４が溶解槽２の底へ
排出される。溶湯の後の流出を容易にするため、中空体
３は前端の溢流端縁７の方向に細く形成されるので、ホ
ッパ効果が発生する。第２図では溶解槽は約％がなお金
属粒子１４で充てんされる。底面６の金属粒子で蔽われ
ていない部分は底面６を所要の作業温度に保持するため
非常に小さいエネルギー密度で照射される。

第４図は４５°傾斜した溶解槽２を上から垂直に見た平
面図である（したがって槽は短く見える）。溶解槽２の
後方上部に中間的に粒子構造に凝固した溶解材料があシ
、電子ビームはこの上を長時間に見て徐々に上へ移行す
る。この場合板状粒子構造１４ａをストリップ状に予熱
するため中間エネルギー密度が存在する上側ゾーン■が
形成される。板状粒子構造１４ａをストリップ状に溶解
するため高いエネルギー密度を有するゾーン■がゾーン
Ｉに続く。ゾーンＩとＨの間に第４図に示す間隔が存在
する必要はなく、ゾーンは互いに直接続くこともできる
。

しかし著しく過熱したゾーンが発生する心配のないよう
に、２つのゾーンの間に小さい間隔を保持するのが望ま
しい。それぞれ底面の下部から流出する溶湯を液状に保
持するために十分な非常に小さいエネルギー密度を有す
るゾーンＩＩＩがゾーン■に続く。ゾーン■はハツチに
よって示される。ゾーン■および■はつねに同じ幅を有
しくストリップの縦軸はそれぞれ壁から壁へ水平に走る
）、ゾーンＩだけは上縁または端壁に達した際遮断され
るけれど、ゾーン■はゾーンｌおよびＩＩの進行に応じ
てその溢流端縁７まで粒子のない底面の全下部にわたっ
て拡がるように上へ拡大する。

第５図は電子ビームの移動方向の反転後、すなわち第４
図の全粒子構造１４ａが溶解した後の状態を示す。この
方法過程の間、溶解槽２は水平に対し６０°の角度の急
傾斜位置にあるので、垂直に上から見る観察者には槽が
さらに短く見える。下側ゾーン■内は底面のそれぞれの
部分から流出する溶湯をちょうど液状に保持するために
十分な低いエネルギー密度に支配される。第４図のゾー
ン■とほぼ同じエネルギー密度である。次第に小さくな
るゾーン■にとくに第４図のゾーン■（溶解ゾーン）の
エネルギー密度より高いエネルギー密度のゾーンＶが続
く。

このように高いエネルギー密度の選択はほぼすべての残
留材料を底から掻取るために役立つので、続いて散布す
る金属粒子の付着に作用する溶湯フィルムしか残留しな
い。底面を保温し、溶湯フィルムを液状に保持するため
に十分な非常に低いエネルギー密度が存在する上側ゾー
ン■がゾーンＶに続く。ゾーンＩＶはゾーンＶの進行に
応じてその拡がりが底面の下部へ制限されるように下へ
小さくなることは明らかである。

反対にゾーンＶに続くゾーンＶＩはゾーンＶの進行に応
じて底面の全上部にわたって拡がるように下へ拡大され
る。上側ゾーンＶＩは水子ノ・ソチで示される。

溶解槽を第５図に示す位置から再び第３図の水平位置へ
旋回して戻し、供給装置１２を後方から溶解槽２の上へ
摺動する場合、もちろん溶解槽２の後部の加熱すなわち
シー／■の拡シは第３図に水平線によって示すように相
当して取消されなければならない。ゾーン■の後縁は第
６図に２２で示される。

第１および２図にはそれぞれ２つの電子ビーム源２０お
よび２１が示され、そのうち電子ビーム源２１は溶解槽
２に対して配置される。しかし溶解槽２に交互に補足す
る多数の電子ビーム源を配置することもできる。たとえ
ばゾーンＩ／Ｖｌまたはｎ　／　ｖまだはｍ／ｒｖにそ
れぞれ１つの固有の電子ビーム源を備え、その偏向系を
適尚に同期することができる。電子ビーム源２１はこの
ような手段を含むものである。この電子ビーム源のビー
ム強さおよびビーム運動の制御のため制御ユニット２３
が備えられ、その形成は前記方法の説明から当業者ては
明らかなので、回路図を示す必要はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は装入期の全装置の垂直断面図、第２図は溶解期
の全装置の垂直断面図、第３図は装入期の溶解槽および
供給装置の平面図、第４図は溶解期の溶解槽の平面図、
第５図は溶融金属掻取期の溶解槽の平面図である。 ２・・・溶解槽、６・・・底面、Ｔ・・・溢流端縁、９
・・・水平軸、１２・・・供給装置、１３・・・排出端
縁、１５・・・中間槽、１７・・・連続鋳造鋳型、２０
゜２１・・・電子ビーム源、２３・・・制御装置−ＰＰ
Ｆ　Ｎ　Ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、粒子状金属を溶解ゾーンへ水平方向に供給し、電子
   ビームによつて溶解し、次に溶融金属を連続鋳造鋳型に
   供給し、そこから金属を凝固した鋳塊の形で取出す粒子
   状金属を溶解または再溶解する方法において、 ａ）金属粒子を水平に摺動可能の供給装置から溶解槽の
   水平位置にある底面にほぼ均一な分布で拡げ、 ｂ）電子ビームにより粒子を表面的に短時間溶解して粒
   子を板状構造に結合し、次に ｃ）溶解槽の底面を水平に対し傾斜させ、 ｄ）電子ビームを、傾斜した板状粒子構造上に下から上
   へ、粒子構造をまずストリップ状に予熱してその直後に
   溶解するようなエネルギー密度分布をもつて導き、同時
   に ｅ）それぞれ底面の下部から流出する溶融金属を電子ビ
   ーム照射下に液状に保持し、次にｆ）溶融金属を十分に
   除去しながら電子ビームを上から下へ溶解槽の傾斜した
   底面上を導いて戻し、 ｇ）溶解槽の底面を再び水平の出発位置に戻し、上記ａ
   ）により再び金属粒子を供給することを特徴とする粒子
   状金属を溶解または再溶解する方法。 ２、方法工程ｄ）およびｅ）のため電子ビームをエネル
   ギー密度の異なる３つのストリップ状ゾーン、すなわち
   ： 上側ゾーン I ：板状粒子構造をストリップ状に予熱す
   る中間エネルギー密 度、 中間ゾーンII：板状粒子構造をストリップ状に溶解する
   高エネルギー密度、 下側ゾーンIII：それぞれ底面の下部から流出する溶融
   金属を液状に保持す る低エネルギー密度 に分割し、その際ゾーンIIIがゾーン I およびIIの進行
   に応じて底面の全下側部分にわたつて拡がるように上へ
   拡大する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、ゾーン I が底面の上縁に達した際スイッチを遮断
   する特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４、電子ビームを方法工程ｆ）のためエネルギー密度の
   異なる３つのストリップ状ゾーン、すなわち 下側ゾーンIV：底面のそれぞれの部分から流出する溶融
   金属を液状に保持 する低エネルギー密度、 中間ゾーンＶ：底面から残留材料を掻取る高エネルギー
   密度、 上側ゾーンVI：底面を保温する非常に低いエネルギー密
   度 に分割し、その際ゾーンIVはゾーンＶの進行に応じてそ
   の拡がりが底面の下部へ制限されるように下向きに縮小
   され、かつゾーンVIはゾーンＶの進行に応じて底面の全
   上部にわたつて拡がるように下向きに拡大する特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ５、下側ゾーンIVが底面の下縁へ達した後スイッチを遮
   断する特許請求の範囲第４項記載の方法。 ６、上側ゾーンVIを方法工程ｇ）により底面を水平位置
   へ旋回して戻すまでスイッチを入れたままに留め、その
   供給装置に向く縁が供給装置の送りに応じて前進する特
   許請求の範囲第４項記載の方法。 ７、溶解槽から流出する溶融金属をまず中間槽に捕集し
   、ここから連続鋳造鋳型に連続的に供給する特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ８、粒子の排出端縁を有する水平に作用する供給装置、
   粒子に溶解エネルギーを照射する電子ビーム源および連
   続鋳造鋳型を備える粒子状金属を溶解または再溶解する
   装置において、ａ）底面（６）の水平位置と水平に対し
   傾斜した少なくとも１つの位置の間で水平軸（９）を中
   心に旋回しうる溶解槽（２）を備え、その水平位置の槽
   上を供給装置（１２）の排出端縁（１３）が走行可能で
   あり、 ｂ）溶解槽（２）に対して配置した少なくとも１つの電
   子ビーム源（２０、２１）がダイナミックＸ−Ｙ偏向装
   置を有し、 ｃ）方法工程ｄ）、ｅ）およびｆ）の間の強度制御およ
   びビーム運動のため電子ビーム（２０、２１）に制御装
   置（２３）が配置されていることを特徴とする粒子状金
   属を溶解または再溶解する装置。 ９、溶解槽（２）の底面が旋回軸（９）に対しほぼ平行
   のフィンを備えている特許請求の範囲第８項記載の装置
   。 １０、溶解槽（２）の溢流端縁（Ｔ）と連続鋳造鋳型（
   １７）の間に加熱可能の中間槽（１５）が配置されてい
   る特許請求の範囲第８項記載の装置。