CN104023877B - 电弧熔化炉装置以及被熔化物的电弧熔化方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种不用使作业者花费巨大的劳力就能有效地对熔化后的被熔化物进行搅拌的电弧熔化炉装置以及电弧放电的控制方法。具备：铸型3，设置在熔化室2的内部，具有凹部3a；非消耗放电电极5，将收容于所述凹部3a的被熔化物加热熔化；电源部10，向所述非消耗放电电极5供给电力；以及控制装置11，通过控制所述电源部，从而控制来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度，所述控制装置11通过控制来自所述电源部10的输出电流和该电流频率，从而使来自所述非消耗放电电极5的电弧放电的输出强度可变，对所述被熔化物加热熔化后的熔融金属进行搅拌。

Description

电弧熔化炉装置以及被熔化物的电弧熔化方法

技术领域

本发明涉及电弧熔化炉装置以及被熔化物的电弧熔化方法，例如涉及能在合金材料等被熔化物中优选应用的电弧熔化炉装置以及被熔化物的电弧熔化方法。

背景技术

使用电弧放电的热能将在铸型内收容的金属材料、特别是合金材料以及陶瓷材料等被熔化物熔化的电弧熔化历来被广泛知晓。

在该电弧熔化中有消耗型电弧熔化和非消耗型电弧熔化。其中，非消耗型电弧熔化在减压氩的环境内使用直流电弧电源，以钨电极为阴极，在该阴极与放置于水冷铸型上的被熔化物（阳极）之间通过由固定强度的直流电弧放电产生的热能来将被熔化物熔化。

图10示出了现有技术的非消耗型电弧熔化炉的结构例。

在图示的电弧熔化炉200中，铜铸型201紧贴于熔化室210的下表面，使熔化室210成为密闭容器。此外，在铜铸型201的下方设置有冷却水循环的水槽202，使铜铸型201成为水冷铸型。此外，如图示那样棒状的水冷电极203从熔化室210的上方插入设置于室内，作为阴极的钨制的顶端通过手柄部204的操作能够在熔化室210中上下、前后、左右移动。

在该电弧熔化炉200中，例如在金属熔化而生成合金的情况下，首先在铜铸型201上放置称量后的多个不同的金属材料。然后，使用真空泵（省略图示）对熔化室210内的空气进行排气，之后，导入惰性气体，成为惰性气体环境（通常为氩气环境），在水冷电极203的钨电极（阴极）和铜铸型201上的金属材料（阳极）之间产生电弧放电，利用该热能来将多个不同的金属材料熔化、合金化。在专利文献1中公开了这样的电弧熔化炉。

可是，在使用了这样的电弧熔化炉的合金生成方法中，由于比重大的金属容易积存在被合金化的材料的底部，所以，为了生成均匀的内部组织的合金，需要在合金为熔融金属状态时充分地进行搅拌。此外，即使是单一组成物，为了获得固化后的微小组织的均匀性，也需要在熔融金属状态时充分地进行搅拌。

可是，由于在水冷铸型上将被熔化物熔化，所以与铸型相接的熔融金属底面被冷却。因此，位于底部的熔化物立刻从液相变化为固相，不能进行充分的搅拌。

因此，使用如下方法：在熔化后的被熔化物M冷却后，如图11所示，利用从熔化室210外进行操作的翻转棒205在铜铸型201上使材料（被熔化物）M翻转、再次熔化，之后继续反复进行多次冷却、翻转、熔化的工艺，由此，进行搅拌，使材料（被熔化物）M的微小组织、成分的内部分布均匀化。

此外，在专利文献2所示的电弧熔化炉中，相对于基台以在左右前后方向自由倾斜摆动的方式装配有架台，进而相对于该架台装配有熔化炉。

而且，构成为，在上述架台设置有使该架台倾斜摆动的手柄部，通过操作手柄部，从而使熔化炉倾斜摆动，对熔化后的被熔化物进行摇动、搅拌。

根据这样的电弧熔化炉，由于能够通过手柄部的操作来使熔化炉倾斜摆动，所以能够使在铸型上熔化后的被熔化物（熔融金属）摇动，抑制其固相化，进而使摇动的倾斜变大，由此，能有效地对被熔化物进行搅拌。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000–317621号公报；

专利文献2：日本特开2007–160385号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在如上述那样使用翻转棒来对熔化后的被熔化物进行摇动搅拌的情况下，必须进行多次从熔化室外操作翻转棒使材料挂在翻转棒的顶端部进行翻转的麻烦作业，具有作业性差并且花费作业时间的技术课题。

此外，在通过操作设置于架台的手柄部使熔化炉倾斜摆动而对熔化后的被熔化物进行摇动搅拌的情况下，具有使作业者花费巨大的劳力的技术课题。

为了解决上述技术课题，本发明者们专心研究了不基于以往那样的机械性作用来进行被熔化物的摇动、搅拌，而基于全新的构思来进行被熔化物的摇动、搅拌。其结果是，认识到利用由电弧放电产生的外力能对熔化后的被熔化物进行摇动搅拌，而想到了本发明。

此外，发现了通过使熔融金属的摇动变大而进一步进行搅拌，并且该熔融金属的摇动的振幅较大地依赖于放电电流的频率，而想到了本发明。

本发明的目的在于，提供一种不用使作业者花费巨大的劳力就能有效地对熔化后的被熔化物进行搅拌的电弧熔化炉装置以及电弧放电的控制方法。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题而完成的本发明的电弧熔化炉装置的特征在于，具备：铸型，设置在熔化室的内部，具有凹部；非消耗放电电极，将收容于所述凹部的被熔化物加热熔化；电源部，向所述非消耗放电电极供给电力；以及控制装置，通过控制所述电源部，从而控制来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度，所述控制装置通过控制来自所述电源部的输出电流和电流频率，从而使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变，对所述被熔化物加热熔化后的熔融金属进行搅拌。

此处所说的输出强度的变化波形为正弦波、矩形波、三角波、脉冲波形等，频率是该输出强度的强弱变化周期的倒数。

像这样本发明的电弧熔化炉装置通过对来自电源部的输出强度、即输出电流和该电流频率进行控制，从而对来自所述放电电极的电弧放电的输出施加强弱。

即，通过使电弧放电的输出增强或减弱，从而对由电弧放电产生的力施加强弱，对熔化后的被熔化物进行摇动、搅拌，通过该摇动、搅拌，能获得均匀的组织的材料、均匀的组成分布的合金等。

在此，优选的是，所述控制装置控制来自所述电源部的所述输出电流和所述电流频率，以使所述熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度变为最大。

通过像这样控制来自电源部的输出电流和该电流频率，从而能够以熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的方式对来自所述放电电极的电弧放电的输出施加强弱，能对熔化后的被熔化物进一步进行摇动、搅拌，通过该摇动、搅拌，能获得更加均匀的组织的材料、更加均匀的组成分布的合金等。

此外，优选的是，在所述控制装置中设置有存储部，在所述存储部中存储有预先求取的使熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度最大的所述输出电流和所述电流频率，所述控制装置读出在所述存储部中存储的使熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度最大的所述输出电流和所述电流频率，基于所述读出的所述输出电流和所述电流频率，控制所述电源部。

像这样预先通过实验等求取使熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的所述输出电流和所述电流频率，基于该输出电流和所述电流频率，控制电源部，由此，能对来自放电电极的电弧放电的输出自动地施加强弱。

此外，优选的是，具备：熔融金属测量单元，测量所述熔融金属的形状变化，将与所测量的熔融金属的形状对应的检测信号输出至所述控制装置，通过从所述熔融金属测量单元输入的检测信号，所述控制装置根据所述熔融金属的形状来控制来自电源部的输出电流和该电流频率，使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变。

像这样，通过从所述熔融金属测量单元输入的检测信号，所述控制装置根据所述熔融金属的形状来控制来自电源部的输出电流和该电流频率，使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变，由此，能使熔融金属的摇动变大，能进一步进行搅拌。

特别地，优选的是，以熔融金属的形状变化变为最大（摇动振幅最大）的方式控制来自电源部的输出电流和该电流频率，使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变。此外，通过具备测量熔融金属的形状变化并将与所测量的熔融金属的形状对应的检测信号输出至所述控制装置的熔融金属测量单元，从而能省力化，并且能在更短的时间内进行熔化作业。

此外，优选的是，具备：熔融金属测量单元，测量所述熔融金属的光量变化，将与所测量的熔融金属的光量对应的检测信号输出至所述控制装置，通过从所述熔融金属测量单元输入的检测信号，所述控制装置根据所述熔融金属的光量来控制来自电源部的输出电流和该电流频率，使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变。

像这样，也能代替测量所述熔融金属形状变化的熔融金属测量单元而使用测量熔融金属的光量变化并将与所测量的熔融金属的光量对应的检测信号输出至所述控制装置的熔融金属测量单元。

在此，熔融金属的光量变化是电弧放电的光被熔融金属反射而返回来的光量的变化、来自高温的被熔化物的辐射光等的变化。这样的光量测量虽然对熔融金属的摇动振幅的评价欠缺正确性，但比熔融金属形状的测量（例如，使用了图像解析单元的形状测量）便宜并能容易且高速地测量，因此更加优选。

再有，所述控制装置构成为，控制来自所述电源部的输出电流和该电流频率，以使所述熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度变为大致最大。

进而，优选的是，所述控制装置进行控制，以使来自电源部的电流成为脉动反复电流（pulsating repetition current）。

此外，优选的是，在所述铸型形成有多个凹部，并且设置有以能移动的方式形成并且将所述铸型的凹部内的被熔化物翻转的翻转环。像这样，通过使用翻转环，从而能容易地翻转被熔化物，并且能获得更加均匀的组织的材料、更加均匀的组成分布的合金等，进而，也能应对使用动力来使翻转环工作的自动化。

此外，为了解决上述课题而完成的本发明的被熔化物的熔化方法通过来自非消耗放电电极的电弧放电来将被熔化物熔化，其特征在于，通过使从电源部向所述非消耗放电电极供给的输出电流和该电流频率变化，从而使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变，将所述被熔化物加热熔化。

像这样本发明的被熔化物的熔化方法是通过用所供给的输出电流和该电流频率使来自非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变而进行的。

即，使电弧放电的输出强度变化，对由电弧放电产生的力施加强弱，对熔化后的被熔化物进行摇动、搅拌，通过该摇动、搅拌，能获得均匀的组织的材料、均匀的组成分布的合金等。

在此，优选的是，所述电弧放电的输出强度的可变是通过向非消耗放电电极供给脉动反复电流而完成的。脉动反复电流是其波形为正弦波、矩形波、三角波、脉冲波形等，最大电流和最小电流均为负值、即电流值不跨越零点而偏向负侧的电流波形。

此外，优选的是，一种电弧熔化炉装置的被熔化物的熔化方法，所述电弧熔化炉装置具备：铸型，设置在熔化室的内部，具有凹部；非消耗放电电极，将收容于所述凹部的被熔化物加热熔化；电源部，向所述非消耗放电电极供给电力；以及控制装置，通过控制所述电源部，从而控制来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度，其中，通过所述控制装置使从电源部向所述非消耗放电电极供给的输出电流和该电流频率变化，使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变，将所述被熔化物加热熔化。

在此，优选的是，通过所述控制装置，使所述电流频率以规定的频率宽度变化多次，用熔融金属测量单元测定该每个频率的熔融金属的形状的振幅或熔融金属的光量的变化幅度，求取所述熔融金属的形状变化的振幅为最大或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的电流频率，从电源部向非消耗放电电极供给相对于所述求取出的电流频率而处于固定范围的电流频率和输出电流达规定时间，将被熔化物熔化。

像这样，一边用熔融金属测量单元进行测定，一边求取熔融金属的形状变化的振幅为最大或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的电流频率，从电源部向非消耗放电电极供给相对于求取出的电流频率而处于固定范围的电流频率的输出电流达规定时间，将被熔化物熔化，因此，对熔化后的被熔化物进一步进行摇动、搅拌，通过该摇动、搅拌，能获得更加均匀的组织的材料、更加均匀的组成分布的合金等。

此外，优选的是，在进行多次将所述被熔化物熔化的工序时，在将所述被熔化物熔化的工序后，进行在所述铸型的凹部内使被熔化物翻转的翻转工序，之后，再次进行将所述被熔化物熔化的工序。通过该翻转工序，能获得更加均匀的组织的材料、更加均匀的组成分布的合金等。

进而，优选的是，相对于所述求取出的电流频率而处于固定范围的电流频率是处于从熔融金属的形状变化的振幅为最大或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的电流频率起小1.5Hz的范围内的电流频率。

在用于熔化的电流频率的决定中，使电流频率以规定的频率宽度从小的频率依次变化成大的频率，求取熔融金属的摇晃变为最大的频率，但是当超过熔融金属的形状变化的振幅为最大或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的电流频率时，熔融金属的摇晃急剧地减少。因此，为了不会由于误差等而超过最大电流频率，优选将处于从电流频率起小1.5Hz的范围内的电流频率作为最大频率（最适合频率）。

发明效果

根据本发明，通过使电弧放电的输出强度可变，从而能对由电弧放电产生的力施加强弱，能对熔化后的被熔化物进行摇动、搅拌。其结果是，能获得均匀的组织的材料、均匀的组成分布的合金等，也不用像现有的电弧熔化炉装置那样使作业者花费巨大的劳力就能有效地进行熔化作业。

进而，在本发明中通过添加使用了动力的被熔化物的翻转工序，从而不经由人手而自动地制造更加高品质的合金等变得容易。

附图说明

图1是示出本发明第一实施方式的电弧熔化炉装置的示意图。

图2是示出本发明第二实施方式的电弧熔化炉装置的示意图。

图3是图2的A–A剖面图。

图4是用于说明本发明的一个实施方式的电弧放电的原理的示意图。

图5是示出本发明的电弧放电的放电电流的优选的一个例子的图，并且是示出对恒定电流加上正弦波电流后的波形的图。

图6是示出本发明的电弧放电的放电电流的另一个例子的图，并且是示出波形为大致矩形波的情况的图。

图7是示出本发明第一、第二实施方式的电弧熔化炉装置中的控制装置的概略结构的图。

图8是示出比较例1中的EPMA观察结果的图，（a）是示出翻转次数为1次的情况的图，（b）是示出翻转次数为2次的情况的图，（c）是示出翻转次数为3次的情况的图，（d）是示出翻转次数为4次的情况的图。

图9是示出实施例1中的EPMA观察结果的图，（a）是示出熔化时间为10分钟的情况的图，（b）是示出熔化时间为15分钟的情况的图。

图10是现有技术的熔化炉的剖面图。

图11是示出在图10的熔化炉中使被熔化物翻转的情况的图。

具体实施方式

以下，基于图1对本发明第一实施方式的电弧熔化炉装置1进行说明。

首先，使用图1对本发明的实施方式的电弧熔化炉装置1的整体结构进行说明。

如图1所示，在电弧熔化炉装置1中，铜铸型3紧贴于熔化室2的下表面，使熔化室2成为密闭容器。此外，在铜铸型3的下方设置有冷却水循环的水槽4，使铜铸型3成为水冷铸型。

此外，图中的附图标记5是棒状的水冷电极（非消耗放电电极），水冷电极5具备作为阴极的钨制的顶端部，并且从熔化室2的上方插入设置于室内。

该水冷电极5的钨制的顶端部配置在与铜铸型3的上表面（凹部3a）相向的位置。此外，该水冷电极5的顶端通过手柄部（未图示）的操作能在熔化室2中上下、前后、左右移动。

此外，上述水冷电极5与电源部10的阴极电连接，向上述水冷电极5供给电力。此外，上述电源部10的阳极侧与熔化室2、铜铸型3一起被接地（earth）。

此外，在上述熔化室2装配有真空泵（未图示），能够利用该真空泵来将熔化室2排气为真空。

再有，设置有惰性气体供给部（未图示），在将熔化室2排气为真空之后，从该惰性气体供给部向熔化室2的内部供给、封入惰性气体，使熔化室2内变为惰性气体环境。

此外，在上述电源部10连接有控制装置（计算机）11，利用上述控制装置11来控制来自电源部10的输出电流（电流强度）和该电流频率。

即，通过对来自电源部10的电流的强度和频率进行控制，从而使电弧放电的输出强度可变，对由电弧放电产生的力施加强弱。利用由该电弧放电产生的力的强弱，对熔化后的被熔化物进行摇动、搅拌，使其成为均匀的组织材料、均匀的组成分布的合金等。

此外，在该电弧熔化炉装置1中设置有熔融金属测量单元12，该熔融金属测量单元12测量被熔化物的熔融金属的形状变化，将与所测量的熔融金属的形状对应的检测信号输出至上述控制装置11。

具体来说，利用CCD摄像机等对熔融金属的形状进行图像解析，向控制装置送出与该图像变化（形状变化）对应的检测信号。而且，构成为，通过上述控制装置11对来自电源部10的输出电流（电流强度）和该电流频率进行控制，对来自上述放电电极5的电弧放电的输出强度施加强弱。

再有，作为熔融金属测量单元12，除CCD摄像机等以外，也能使用光量传感器。在该情况下，也可以构成为，用光量传感器测量熔融金属的光量变化，向控制装置送出与所测量的熔融金属的光量对应的检测信号，对来自电源部10的电流的强度和频率进行控制。

在使用该光量传感器的情况下，与使用CCD摄像机的情况相比较，价格便宜并能抑制装置的成本。此外，与使用CCD摄像机的情况相比较，能容易且高速地进行测量。

此外，设置有从熔化室2外操作的翻转棒6，在将熔化后的被熔化物冷却后，能从熔化室2外利用翻转棒6在铜铸型3（凹部3a）上翻转材料（被熔化物）M。

再有，在图1中，附图标记7是操作熔化室2的下表面部分的控制杆，通过操作该控制杆7，从而能从熔化室2卸下下表面部的铜铸型3，能在上述铜铸型3上（凹部3a内）收容被熔化物，此外能从凹部3a内取出被熔化物。

在像这样构成的在电弧熔化炉1中对被熔化物进行熔化的情况下，首先将称量后的被熔化物载置于铜铸型3上（收容于凹部3a）。

然后，在使熔化室2内成为惰性气体、通常为氩气环境之后，在水冷电极5的钨电极（阴极）和铜铸型3上的被熔化物（阳极）之间产生电弧放电，将被熔化物熔化。

在合金的制作方面，对多个金属材料进行称量并载置于铜铸型3上（收容于凹部3a）。然后，与上述情况同样地，在使熔化室2内成为惰性气体、通常为氩气环境之后，在水冷电极5的钨电极（阴极）和铜铸型3上的合金材料（阳极）之间产生电弧放电，利用该热能将多个不同的合金材料熔化、合金化。

此时的电弧放电并不是以恒定电流进行，而是对输出电流（电流强度）和该电流频率进行控制，使来自上述水冷电极5的电弧放电的输出强度可变，在输出强度上产生变化。通过该变化的电弧放电的输出，熔融金属受到所谓的外力，熔化后的金属材料被搅拌。

接着，基于图2、图3对本发明第二实施方式的电弧熔化炉装置进行说明。再有，在为与第一实施方式的电弧熔化炉装置1同样的结构的情况下，标注同一附图标记并省略其说明。

该第二实施方式的电弧熔化炉装置50与第一实施方式相比不同之处在于，在铜铸型52的上表面形成有多个凹部52a（在图中形成有6个凹部52a），并且，以能旋转的方式形成。

即，在上述铜铸型52设置有电动机54，以旋转轴54a为中心以能旋转的方式进行设置。此外，在铜铸型52的下方设置有冷却水循环的水槽53，经由旋转连接器55能导入、排出水。

此外，该第二实施方式的电弧熔化炉装置50在代替第一实施方式的翻转棒6而设置有自动翻转装置的方面不同。

该自动翻转装置在将熔化后的被熔化物冷却之后，从熔化室2外用电动机57使翻转环56旋转，由此能使材料（被熔化物）在铜铸型52（凹部52a）上翻转。

再有，附图标记57a是旋转轴，附图标记57b是轴承，附图标记58是在翻转被熔化物时防止被熔化物从凹部52a向外部飞出的半球状的飞散防止用具。

此外，作为熔融金属测量单元51，使用光量传感器（照度计）51A和CCD摄像机51B。向控制装置送出光量传感器（照度计）51A的检测信号和CCD摄像机51B的检测信号的任一个，对来自电源部10的电流的强度和频率进行控制。在本实施例中使用光量传感器（照度计）来测量熔融金属的摇晃情况，CCD摄像机51B用于目视观察熔融金属的摇晃情况的目的。能够使用CCD摄像机51以图像解析求取熔融金属的形状是另外确认的。

在该电弧熔化炉装置50中，首先，将称量后的被熔化物收容于铜铸型52的凹部52a。

之后，关闭电弧熔化炉装置50的前门59，封闭熔化室2，在利用未图示的真空泵使熔化室2内成为真空状态之后，供给惰性气体、通常为氩气，使熔化室2内成为氩气环境。

然后，在图3所示的位置（放电位置）P1处，利用来自水冷电极5的电弧放电将被熔化物熔化。在熔化后，使铜铸型52旋转，向位置P2送出。然后，将新的被熔化物搬入到位置P1进行熔化。然后，在熔化后，再次向位置P2送出。

像这样，通过使铜铸型52旋转，从而使其向位置P1、位置P2、位置P3、位置P4、位置P5、位置P6依次移动。

上述位置P6是利用翻转环56使冷却后的被熔化物翻转的位置，被翻转后的被熔化物再次回到位置P1，被再次熔化。

被再次熔化的被熔化物从位置P1起向位置P2、位置P3、位置P4、位置P5、位置P6依次移动，再次回到位置P1，被再次熔化。通过反复进行多次该熔化和翻转工作，从而获得更加均匀化的被熔化物。

再有，上述电弧放电与第一实施方式的电弧熔化炉装置1同样地，并不是以恒定电流进行的，而是对输出电流（电流强度）和该电流频率进行控制，使来自上述水冷电极5的电弧放电的输出强度可变，在输出强度上产生变化。通过该变化的电弧放电的输出，熔融金属受到所谓的外力，熔化后的金属材料被搅拌。

接着，针对在上述第一实施方式的电弧熔化炉装置1、上述第二实施方式的电弧熔化炉装置50中，根据该电弧放电的输出强度的变化来对熔化后的被熔化物进行摇动搅拌的情况，基于图4来进行说明。

首先，电源部10以送出恒定电流Ic的方式构成，上述控制装置11以控制来自上述电源部10的输出电流（电流强度）和该电流频率的方式构成。即，控制装置11控制为，对恒定电流Ic加上振幅为I₀的正弦波，对从电源部10进行电弧放电的水冷电极5供给成为

的电流I。

再有，由于水冷电极为阴极，所以用负值图示电流I。此外，在本发明中，如后述那样，将作为必要条件。即，Ic为负值，并且，为（负值），为电流绝对值（电流强度）的最小值。同样地，为电流强度的最大值。

当向水冷电极5供给这样的电流时，与电流大小对应的力作用于被熔化物的熔融金属M，被熔化物的熔融金属M在站立状态A和蹲坐状态B之间变化。该熔融金属形状的变化能用以下的公式表示。

Y是熔融金属的位移（形状变化），Y₀是未对熔融金属施加力时的位移（形状），A是熔融金属的形状变化（摇动）的振幅，f是相位差。该相位差f是由熔融金属的粘弹性特性、熔融金属和铜铸型的摩擦等产生的。

即，根据由该电弧放电产生的力的强弱，对熔化后的被熔化物进行摇动、搅拌，使其成为均匀的合金等。再有，在图中，C表示电流的值为平均值的情况的形状。

进而，基于图5对向水冷电极5供给的电流I进行说明。

横轴为时间，纵轴为放电电流。由于非消耗放电电极为阴极，在图5中为负的电流值。

该放电电流的波形的特征是，如图5所示那样偏向一侧（负侧）且被施加强弱变化，进而，在其调制频率与该熔融金属的谐振频率一致或者与该谐振频率接近的情况下，能高效地摇动熔融金属。

该调制频率按照合金等的材料、质量等进行变化，例如，在合金（金属玻璃）为2g的情况下，约为40Hz。优选将该调制频率设定为比通常的交流频率（50Hz或60Hz的频率）小的值、不足50Hz。

通过像这样将放电电流设为比通常的交流频率（50Hz或60Hz的频率）小的值的频率，从而能高效地摇动熔融金属。

此外，图5中的电流值和电流值均为相同的附图标记（在图5中为负值），其绝对值（电流强度）为值 大、值 小。即，被调制成强弱。

在本发明中，将这样的放电电流称作“脉动反复电流”。

此外，如图6所示，也可以使该放电电流的波形为矩形波。在该情况下，也与图5所示的放电电流同样地，偏向一侧（负侧）且被施加强弱变化，进而，优选将其调制频率设定为比通常的交流频率（50Hz或60Hz的频率）小的值、不足50Hz。

当将该放电电流的波形为矩形波的情况和该放电电流的波形为正弦波的情况相比较时，在与金属玻璃等铜铸型的润湿性不好的材料的情况下，正弦波的情况更能增大熔融金属的摇动振幅，此外，根据放电电流的相位和来自熔融金属测量单元的检测信号的相位的差（偏离）也能判断熔融金属的摇动状态的好坏。

此外，存在熔融金属M摇动的振幅为最大的特定频率（谐振频率），该熔融金属M的最大摇动振幅是通过熔融金属的粘弹性举动和电弧放电的频率谐振而产生的。

因此，在“脉动反复电流”的特定频率处，熔融金属M为最大摇动振幅，熔融金属的摇动为接近于简谐振动的模式。此外，在“脉动反复电流”的特定频率（电弧放电的放电周期）和熔融金属的摇动周期的相位差约为90度时，熔融金属的摇动振幅大致为最大。

像这样，因为在熔融金属的摇动振幅为最大时，熔融金属的搅拌效果强，所以优选根据熔融金属（被熔化物）的种类或熔化目的来适当地选择“脉动反复电流”的频率。

在此，如图7所示，控制装置11具备：电源控制部11a，控制电源部10；存储部11c，存储有熔融金属（被熔化物）的种类、按照被熔化物的各材料的每个重量且按照熔化的重复次数的每一次的“脉动反复电流”的电流值的最大值、最小值、“脉动反复电流”的频率、熔化时间等熔化信息以及熔化炉的工作程序；以及运算处理部11b，基于上述存储部11c中所存储的熔化炉的工作程序来控制熔化炉的工作，并且，读出上述熔化情报，并向电源控制部11a提供上述熔化情报。

此外，具备输入单元60，该输入单元60用于将通过所进行的实验等而预先获得的熔融金属（被熔化物）的种类、按照被熔化物的各材料的每个重量且按照熔化的重复次数的每一次的“脉动反复电流”的电流值的最大值、最小值、“脉动反复电流”的频率、熔化时间等熔化信息输入至存储部11c。此外，从该输入单元60输入熔化的对象物的信息。

而且，当通过该输入单元60输入熔化的被熔化物的种类、被熔化物的各材料的重量，并且由输入单元60输入工作开始信号时，运算处理部11b基于熔化炉的工作程序从存储部11c获得最适合第一次熔化的“脉动反复电流”的电流值的最大值、最小值、“脉动反复电流”的频率以及熔化时间的信息。

进而，运算处理部11b向电源控制部11a送出控制信号，通过电源控制部11a控制电源部10，向水冷电极5供给具有规定的电流值、频率的“脉动反复电流”。

之后也同样地，运算处理部11b基于熔化炉的工作程序从存储部11c获得最适合第二次熔化的“脉动反复电流”的电流值的最大值、最小值、“脉动反复电流”的频率以及熔化时间的信息，向电源控制部11a送出控制信号。从电源控制部11a送出控制电源部10的控制信号，从电源部10向水冷电极5供给具有规定的电流值、频率的“脉动反复电流”。

然后，在基于熔化炉的工作程序熔化了规定次数之后，结束熔化作业。

再有，在上述说明中说明了在控制装置11的存储部11c中存储有熔融金属（被熔化物）的种类、按照被熔化物的各材料的每个重量且按照熔化的重复次数的每一次的“脉动反复电流”的电流值的最大值、最小值、“脉动反复电流”的频率、熔化时间等熔化信息的情况。

可是，也可以不预先通过实验等获得电流值的最大值、最小值和频率，而是每当将被熔化物熔化时，使电流的频率以规定的频率宽度变化，用熔融金属测量单元12、51测量形状变化或照度变化，求取获得最大的摇动振幅或最大的照度的频率，在求取出上述频率之后，以获得该最大的摇动振幅或最大的照度的频率在规定时间内进行熔化。

进而，例如，在合金中，熔融金属的表面张力、粘弹性特性根据组成的混合情况而变化，因此，获得最大的摇动振幅的频率也时时刻刻变化。

如上述那样，每当将被熔化物熔化时，使电流的频率以规定的频率宽度变化，用熔融金属测量单元12、51测量形状变化或照度变化，求取获得最大的摇动振幅或最大的照度的频率，由此，能对获得最大的振幅变化的频率进行自动追踪、自动控制，在该频率未发生变化的时间点，也能判断为“熔化作业结束了”。

此外，也能从停止电弧放电、或者在对恒定电流加上正弦波的电流后（图5）的波形的放电电流中停止正弦波的电流的相加时的熔融金属的摇动振幅（来自熔融金属测量单元的检测信号输出）的衰减举动估计熔融金属的粘度。

熔融金属的粘度为材料的均匀性的重要的评价值，能够从该粘度的值或粘度随着熔化作业的进行而变化的举动知晓熔化作业的完成度。

像这样，通过从获得熔融金属的最大振幅变化的频率的变化、熔融金属的摇动振幅（来自熔融金属测量单元的检测信号输出）的衰减举动估计熔融金属的粘度等，从而能高效地完成熔化作业，进而也能自动地判断熔化作业的结束。

实施例

（比较例1）

使用图10所示的现有的电弧熔化炉来进行以下的实验。

将作为原材料的Zr、Cu、Ni、Al以原子比例为55∶30∶5∶10并且全部重量为25g的方式收容在设置于铜铸型201的凹部中，并排气为真空。然后，在成为极限真空度2×10^-3Pa时停止排气，导入高纯度Ar气体直至50kPa。

之后，通过使用了直流电源（恒定电流）的电弧放电，熔化原材料。此外，以电流300A进行5分钟的放电。一边进行放电一边对操作控制杆204进行操作，使电弧碰触熔融金属整体。

在第一次熔化后，放置冷却5分钟，在熔融金属凝固后使用翻转棒205把粗合金块（被认为是原材料混合但内部组成的不均匀性大的阶段的合金块）翻过来，之后，进行与上述同样的电弧熔化操作，从背面通过电弧放电（以电流300A进行5分钟）的放电将粗合金块熔化。

在本比较例中，制作进行了1次上述翻转操作的合金、进行了2次上述翻转操作的合金、进行了3次上述翻转操作的合金、进行了4次上述翻转操作的合金，用EPMA（电子束微量分析器）进行表面分析来查验组成的均匀性。

该分析是用将合金样品铅垂地切断后的剖面的一半来进行的。特别地，在图8（a）至（d）中示出表示4元素内的被显著观察到偏析的Ni的分布的EPMA观察结果。

再有，图8（a）是示出翻转次数为1次的情况的图，（b）是示出翻转次数为2次的情况的图，（3）是示出翻转次数为3次的情况的图，（d）是示出翻转次数为4次的情况的图。

在图中，黑色部分是Ni元素较多地聚集的位置。根据图明显可知，在翻转次数少的情况下，组成斑大，此外，在合金块的表面褶多，表面的污点显著。在翻转次数为4次的情况下，被认为成为大体上满意的均匀组成的合金，此外表面也具有金属光泽。

像这样，在现有的电弧熔化炉中，需要进行4次左右的翻转，在该情况下，除了放置冷却时间、翻转作业时间以外，仅熔化时间（放电时间）就需要40分钟。

（实施例1）

使用图1所示的电弧熔化炉，电源部采用能以正弦波对电流进行频率控制的结构，作为熔融金属测量单元使用CCD摄像机。

将作为原材料的Zr、Cu、Ni、Al以原子比例为55∶30∶5∶10并且全部重量为25g的方式收容在设置于铜铸型的凹部中，并排气为真空。然后，在成为极限真空度2×10^-3Pa时停止排气，导入高纯度Ar气体直至50kPa。

之后，从电源部10向水冷电极5供给加上了正弦波的电流后的电流，通过上述电弧放电，熔化原材料。

再有，此时的最大电流为300A，最小电流为200A。电流的频率为12Hz。

此外，在熔化后的合金材料冷却后，进行一次从熔化室2外通过翻转棒6在铜铸型3上使材料M翻转的翻转操作。

翻转前后的电弧放电时间设为相同，并且目视观察完成后的合金（样品）的表面状态（有无褶状的不均匀部分），此外进行剖面EPMA表面分析。在图9中示出剖面EPMA表面分析的结果。图9（a）是10分钟的样品，图9（b）是15分钟的样品。由于15分钟以上全部是与图9（b）相同的表面分析结果，所以省略图示。根据该图9明显可知，确认了翻转前后的熔化时间的总和为15分钟以上能获得均匀的组成的合金。

此外，关于完成后的合金块的表面的光泽，熔化时间越长，示出越漂亮的光泽，在20分钟、25分钟和30分钟的情况下没有差别。

（实施例2）

使用图1所示的电弧熔化炉，电源部采用能以正弦波对电流进行频率控制的结构，作为熔融金属测量单元使用CCD摄像机。

将作为原材料的Zr、Cu、Ni、Al关于原子比例为55∶30∶5∶10并且全部重量为2g、3g、4g、30g的情况进行以下的实验。

首先，将上述原材料收容在设置于铜铸型的凹部中，排气为真空。然后，在成为极限真空度2×10^-3Pa时停止排气，导入高纯度Ar气体直至50kPa。之后，从电源部10向水冷电极5供给加上了正弦波的电流后的电流，通过上述电弧放电，熔化原材料。

此时的最大电流为300A，最小电流为200A，使来自电源部的电流为正弦波，使频率像2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz这样改变来进行。假设进行1次翻转操作，熔化时间为翻转操作的前后各7.5分钟，总和为15分钟。

而且此外，目视观察完成后的合金（样品）的表面状态（有无缀状的不均匀部分）。

其结果是，在原材料为2g的情况下用40Hz熔化的合金最均匀，在原材料为3g的情况下用30Hz熔化的合金最均匀，在原材料为4g的情况下用30Hz熔化的合金最均匀，在原材料为30g的情况下用10Hz熔化的合金最均匀，能确认在合金块的表面具有光泽。

再有，假设该熔融金属的谐振频率与质量的平方根成反比而计算的值在原材料为2g情况下为42.6Hz，在3g的情况下为34.8Hz，在4g的情况下为30.1Hz，在30g的情况下为11Hz。

即，从作为上述合金的均匀性的妥当的评价的合金块的表面光泽的结果来看，认识到的是，在调制频率为接近于熔融金属的谐振频率的频率、或者为与熔融金属的谐振频率相同的频率的情况下，能够高效地摇动熔融金属，是优选的。

（实施例3）

使用图1所示的电弧熔化炉，电源部采用能以正弦波对电流进行频率控制的结构，作为熔融金属测量单元使用照度计。

将作为原材料的Zr、Cu、Ni、Al关于原子比例为55∶30∶5∶10并且全部重量为15g、20g、25g、30g、35g、40g的情况进行以下的实验。

首先，将上述原材料收容在设置于铜铸型的凹部中，排气为真空。然后，在成为极限真空度2×10^-3Pa时停止排气，导入高纯度Ar气体直至50kPa。之后，作为第一工序，从电源部10向水冷电极5供给恒定电流300A的直流电流达60秒，通过上述电弧放电，熔化原材料，之后，翻转被熔化物。

作为第二工序，从电源部10向水冷电极5供给恒定电流300A的直流电流达10秒钟，通过上述电弧放电来熔化原材料，进行适合熔化的第一次的频率的搜索。在该搜索中，将开始频率设为8Hz，每上升0.3Hz，同时利用照度计来测定来自该熔融金属的光量（测定结束频率13.7Hz）。

然后，在从开始频率8Hz到测定结束频率13.7Hz之间，求取光量的变化幅度为最大的频率（提供最大振幅的频率）。再有，此时的最大电流为350A，最小电流为250A。

进而，以光量的变化幅度最大的频率（提供最大振幅的频率）从电源部10向水冷电极5供给达120秒，通过上述电弧放电来熔化原材料，之后，在冷却后翻转被熔化物。

进而，作为第三工序，从电源部10向水冷电极5供给恒定电流300A的直流电流达10秒，通过上述电弧放电来熔化原材料，进行适合熔化的第二次的频率的搜索。在该搜索中，将开始频率设为8Hz，每上升0.3Hz，同时利用照度计来测定来自该熔融金属的光量（测定结束频率13.7Hz）。

然后，在从开始频率8Hz到测定结束频率13.7Hz之间，求取光量的变化幅度为最大的频率（提供最大振幅的频率）。再有，此时的最大电流为350A，最小电流为250A。

进而，以光量的变化幅度最大的频率（提供最大振幅的频率）从电源部10向水冷电极5供给达120秒，通过上述电弧放电来熔化原材料，之后，在冷却后翻转被熔化物。

即，作为第三工序，进行与上述第二工序相同的工序、即第二次的频率的搜索，此外，求取光量的变化幅度为最大的频率（提供最大振幅的频率），之后，在冷却后将被熔化物熔化、翻转。

此外，作为第四工序，进行与上述第二、三工序相同的工序（第三次的频率的搜索），此外，求取光量的变化幅度为最大的频率（提供最大振幅的频率），之后，在冷却后将被熔化物熔化、翻转。

此外，作为第五工序，进行与上述第二、三、四工序相同的工序（第四次的频率的搜索），此外，求取光量的变化幅度为最大的频率（提供最大振幅的频率），之后，在冷却后将被熔化物熔化、翻转。

再有，在表1中示出各样品重量的各次的光量的变化幅度为最大的最大频率（提供最大振幅的最大频率）。再有，单位为Hz。

[表1]

此外在表2中详细地示出样品重量为15g和40g的第一次的搜索以及第四次的搜索结果（照度测定值）。再有，使用照度计（Konica Minolta Sensing株式会社制T–10型照度计）来测定光量。照度计的输出电压与光量成比例，光量的变化幅度被表示为照度计输出电压的变化幅度。表2的数值是该照度计输出电压的变化幅度（伏特）。

[表2]

根据该表2明显可知，当频率超过光量的变化幅度为最大的频率（提供最大变化幅度的频率）时，光量的变化幅度（照度计的输出电压的变化幅度）处于急剧降低的趋势。

因此，在实际的电弧熔化中，考虑误差等，优选采用比表1所示的光量的变化幅度为最大的最大频率（提供最大振幅的最大频率）小1.5Hz以内的宽度的频率，在本实施例的实验中将减少了约0.5Hz的表3所示的频率作为最适合频率。

[表3]

将像这样求取的最适合频率存储在电弧熔化炉的控制装置（计算机）内的存储单元中，读出所存储的最适合频率，控制电源部，由此，能进行最适合的被熔化物的熔化。

或者此外，也可以像该实施例3所示的情况那样一边求取最适合频率，一边以上述最适合频率控制电源部，由此将被熔化物熔化。

附图标记的说明：

1 电弧熔化炉装置

2 熔化室

3 铜铸型

4 水槽

5 水冷电极（非消耗放电电极）

6 翻转棒

7 下表面部操作控制杆

10 电源部

11 控制装置

12 熔融金属测量单元

50 电弧熔化炉装置

51 熔融金属测量单元

51A 照度计

51B CCD摄像机

52 铜铸型

52a 凹部

53 水槽

54 电动机

55 旋转连接器

56 翻转环

57 电动机

58 飞散防止用具

P1 熔化位置

P6 翻转位置。

Claims (15)

1.一种电弧熔化炉装置，其特征在于，具备：铸型，设置在熔化室的内部，具有凹部；非消耗放电电极，将收容于所述凹部的被熔化物加热熔化；电源部，向所述非消耗放电电极供给电力；以及控制装置，通过控制所述电源部，从而控制来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度，

所述控制装置通过控制来自所述电源部的输出电流和电流频率以使熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度变为最大，从而使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变，对所述被熔化物加热熔化后的熔融金属进行搅拌。

2.根据权利要求1所述的电弧熔化炉装置，其特征在于，

在所述控制装置中设置有存储部，在所述存储部中存储有预先求取的使熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度最大的所述输出电流和所述电流频率，

所述控制装置读出在所述存储部中存储的使熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度最大的所述输出电流和所述电流频率，

基于所述读出的所述输出电流和所述电流频率，控制所述电源部。

3.根据权利要求1所述的电弧熔化炉装置，其特征在于，

具备：熔融金属测量单元，测量所述熔融金属的形状变化，将与所测量的熔融金属的形状对应的检测信号输出至所述控制装置，

通过从所述熔融金属测量单元输入的检测信号，所述控制装置根据所述熔融金属的形状来控制来自电源部的输出电流和该电流频率，使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变。

4.根据权利要求1所述的电弧熔化炉装置，其特征在于，

具备：熔融金属测量单元，测量所述熔融金属的光量变化，将与所测量的熔融金属的光量对应的检测信号输出至所述控制装置，

通过从所述熔融金属测量单元输入的检测信号，所述控制装置根据所述熔融金属的光量来控制来自电源部的输出电流和该电流频率，使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变。

5.根据权利要求1所述的电弧熔化炉装置，其特征在于，所述控制装置进行控制，以使来自电源部的电流成为脉动反复电流。

6.根据权利要求1所述的电弧熔化炉装置，其特征在于，在所述铸型形成有多个凹部，并且设置有以能移动的方式形成并且将所述铸型的凹部内的被熔化物翻转的翻转环。

7.一种被熔化物的熔化方法，通过来自非消耗放电电极的电弧放电来将被熔化物熔化，其特征在于，

通过使来自所述电源部的输出电流和电流频率变化以使熔融金属的形状变化的振幅或所述熔融金属的光量的变化幅度变为最大，从而使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变，将所述被熔化物加热熔化。

8.根据权利要求7所述的被熔化物的熔化方法，其特征在于，所述电弧放电的输出强度的可变是通过向非消耗放电电极供给脉动反复电流而完成的。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的被熔化物的熔化方法，所述熔化方法是电弧熔化炉装置的被熔化物的熔化方法，所述电弧熔化炉装置具备：铸型，设置在熔化室的内部，具有凹部；非消耗放电电极，将收容于所述凹部的被熔化物加热熔化；电源部，向所述非消耗放电电极供给电力；以及控制装置，通过控制所述电源部，从而控制来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度，所述熔化方法的特征在于，

通过所述控制装置使从电源部向所述非消耗放电电极供给的输出电流和该电流频率变化，使来自所述非消耗放电电极的电弧放电的输出强度可变，将所述被熔化物加热熔化。

10.根据权利要求9所述的被熔化物的熔化方法，其特征在于，

通过所述控制装置，使所述电流频率以规定的频率宽度变化多次，用熔融金属测量单元测定该每个频率的熔融金属的形状变化的振幅或熔融金属的光量的变化幅度，求取所述熔融金属的形状变化的振幅为最大或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的电流频率，

从电源部向非消耗放电电极供给相对于所述求取出的电流频率而处于固定范围的电流频率和输出电流达规定时间，将被熔化物熔化。

11.根据权利要求10所述的被熔化物的熔化方法，其特征在于，

通过所述控制装置，使所述电流频率以规定的频率宽度变化多次，用熔融金属测量单元测定该每个频率的熔融金属的形状变化的振幅或熔融金属的光量的变化幅度，求取所述熔融金属的形状变化的振幅为最大或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的电流频率，

进行多次如下工序：从电源部向非消耗放电电极供给相对于所述求取出的电流频率而处于固定范围的电流频率和输出电流达规定时间，将被熔化物熔化。

12.根据权利要求11所述的被熔化物的熔化方法，其特征在于，

在进行多次将所述被熔化物熔化的工序时，

在将所述被熔化物熔化的工序后，进行在所述铸型的凹部内使被熔化物翻转的翻转工序，

之后，再次进行将所述被熔化物熔化的工序。

13.根据权利要求12所述的被熔化物的熔化方法，其特征在于，所述翻转工序的翻转操作是使用动力自动完成的。

14.根据权利要求10所述的被熔化物的熔化方法，其特征在于，相对于所述求取出的电流频率而处于固定范围的电流频率是处于从熔融金属的形状变化的振幅为最大或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的电流频率起小1.5Hz的范围内的电流频率。

15.根据权利要求11所述的被熔化物的熔化方法，其特征在于，相对于所述求取出的电流频率而处于固定范围的电流频率是处于从熔融金属的形状变化的振幅为最大或所述熔融金属的光量的变化幅度为最大的电流频率起小1.5Hz的范围内的电流频率。