KR20230081386A - The apparatus of electron beam melting - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자빔 용해장치에 대한 것으로 불순물 제거가 용이하며 고융점을 가진 금속을 용해속도를 제어하며 용융할 수 있으며, 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 전자빔 용해장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electron beam melting device, and relates to an electron beam melting device capable of easily removing impurities, melting a metal having a high melting point while controlling a melting rate, and capable of growing a high-purity ingot.
탄탈륨, 몰리브데늄, 티타늄, 바나듐 등과 같은 고융점을 가지는 금속은 일반적으로 진공 아크용해(Vacuum Arc Remelting; VAR) 또는 플라즈마 아크용해(Plasma Arc Melting; PAM)를 이용하여 용융시키며 잉곳(Ingot)을 제조할 수 있다. Metals with high melting points, such as tantalum, molybdenum, titanium, and vanadium, are generally melted using vacuum arc remelting (VAR) or plasma arc melting (PAM), and ingots are formed. can be manufactured
진공아크용해는 용해 소재 Electrode 제조 공정이 별도로 필요하고, 수직방향으로만 용해될 수 있으므로 잉곳의 균일성(uniformity)이 떨어지며, 연속공정이 불가능할 수 있다. 플라즈마 아크용해는 전류 크기, 가스 유량, 원료 점도 등의 용해 공정 변수가 많으며, 플라즈마 구배 제어가 어려운 단점이 있다. 또한, 상기 두 가지 공정 모두 4N5급(순도99.995%) 이상의 반도체용 고순도 잉곳 제조에는 어려움이 있다. Vacuum arc melting requires a separate manufacturing process for the melting material electrode, and since it can only be melted in the vertical direction, the uniformity of the ingot is reduced, and a continuous process may be impossible. Plasma arc melting has many melting process variables such as current size, gas flow rate, and raw material viscosity, and it is difficult to control the plasma gradient. In addition, both of the above two processes have difficulties in manufacturing high-purity ingots for semiconductors of 4N5 class (99.995% purity) or higher.
이를 해결하기 위해 전자빔을 이용한 금속 용해기술들이 공지된 바가 있다. 예를 들어 한국등록특허 제10-1342091호에서는 전자빔 드립 용해를 이용하여 99.995% 이상 100% 미만의 순도를 갖는 초고순도의 탄탈륨 봉상형 잉곳을 제조하는 방법에 관한 것으로, 1) 직경 Φ20mm 이상 Φ100mm 이하의 스틸컴팩션 몰드를 이용하여 1.0ton/cm2 이상의 2.0ton/cm2 이하의 압력으로 고융점 금속 분말을 압축하여 압분체를 제조하는 단계; 2) 전자빔 용해로 압분체를 용해하여 버튼형 잉곳으로 제조하는 단계; 3) 제조된 잉곳을 고융점 금속 바 피더(bar feeder)형태로 용접하는 단계; 4) 원형의 주 전자빔과 반원형의 보조 전자빔을 포함하는 2개의 전자빔을 동시에 사용한 전자빔 드립용해로 고융점 금속 바 피더를 연속적으로 용해하는 단계;를 포함하는 고융점 금속 봉상형 잉곳의 제조 방법을 개시한 바 있고, 일본등록특허 제4860253호에서는 용해로의 내면에 장탈착 가능한 라이닝을 마련해 있어, 당해 라이닝은 천장 라이닝 81, 측벽 라이닝 82 및 바닥부 라이닝 84로 구성되고 각각 독립적으로 용해로에서 탈착 가능하게 구성되어 있고 또한 천장 라이닝 81은 금속으로 구성되고 측벽 라이닝 82 및 바닥부 라이닝 84는 금속 또는 수지로 구성되어 있는 전자 빔 용해 장치 및 이 장치를 이용한 금속의 용해 방법에 대해 개시된 바 있다. In order to solve this problem, metal melting techniques using an electron beam are known. For example, Korean Patent Registration No. 10-1342091 relates to a method for producing an ultra-high purity tantalum rod-shaped ingot having a purity of 99.995% or more and less than 100% using electron beam drip melting, 1) diameter of Φ20 mm or more and Φ100 mm or less preparing a green compact by compressing high melting point metal powder at a pressure of 1.0 ton/cm2 or more and 2.0 ton/cm2 or less using a steel compaction mold of; 2) preparing a button-type ingot by melting the green compact in an electron beam melting furnace; 3) welding the manufactured ingot in the form of a high melting point metal bar feeder; 4) continuously melting a high melting point metal bar feeder by electron beam drip melting using two electron beams including a circular main electron beam and a semicircular auxiliary electron beam at the same time; In Japanese Patent Registration No. 4860253, a detachable lining is provided on the inner surface of the melting furnace, and the lining is composed of a ceiling lining 81, a side wall lining 82, and a bottom lining 84, each independently detachable from the melting furnace. Also disclosed is an electron beam melting device in which the ceiling lining 81 is made of metal, and the side wall lining 82 and the bottom lining 84 are made of metal or resin, and a metal melting method using the device.
그러나 한국등록특허 제10-1342091호에서는 버튼형 잉곳을 만든 후 다시 바 피터 형태로 용접을 하는 과정을 거쳐야 하며, 일본등록특허 제4860253호는 용해 종료 후 노의 정비 작업 단축을 위한 기술로, 유기불순물을 효과적으로 제거하며 금속의 용해속도를 제어할 수 있으며 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 기술의 개발은 더 필요하다고 할 수 있다.However, in Korean Patent No. 10-1342091, it is necessary to go through the process of welding again in the form of a bar fitter after making a button-type ingot, and Japanese Patent No. 4860253 is a technology for shortening the maintenance work of the furnace after melting, It can be said that it is more necessary to develop a technology that can effectively remove metal, control the dissolution rate of metal, and grow into a high-purity ingot.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고융점을 가진 금속을 용해속도를 제어하며 용융할 수 있는 전자빔 용해장치를 제공하는 것에 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an electron beam melting device capable of melting a metal having a high melting point while controlling a melting speed.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 불순물 제거가 용이하며 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 전자빔 용해장치를 제공하는 것에 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide an electron beam melting apparatus capable of easily removing impurities and growing an ingot of high purity.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 전자빔을 생성하는 전자총과, 상기 전자총으로부터 방출된 전자빔을 집속하는 제1 코일과, 1차 집속된 전자빔을 2차 집속하는 제2 코일을 포함하고, 상기 제2 코일에서 집속된 전자빔을 조사하여 고융점 금속 원료를 가열하는 전자빔 챔버; 상기 고융점 금속 원료가 용융된 용탕을 냉각하여 잉곳을 형성하는 몰드와, 상기 몰드 내부로 고융점 금속 원료를 공급하는 원료공급부를 포함하는 용융 챔버; 및 상기 몰드로부터 잉곳을 인발하여 잉곳을 성장시키는 잉곳풀러를 구비하는 잉곳 챔버;를 포함하고, 상기 제1 코일에 인가되는 전류와 제2 코일에 인가되는 전류를 조절하며 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔의 형상을 조절하는 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치를 제공할 수 있다.In order to solve the above problem, the present invention includes an electron gun for generating an electron beam, a first coil for focusing the electron beam emitted from the electron gun, and a second coil for secondarily focusing the firstly focused electron beam, an electron beam chamber for heating a high-melting-point metal raw material by irradiating electron beams focused on two coils; a melting chamber including a mold for forming an ingot by cooling the molten metal in which the high-melting-point metal raw material is melted, and a raw material supply unit supplying the high-melting-point metal raw material into the mold; And an ingot chamber having an ingot puller for drawing the ingot from the mold and growing the ingot; including, adjusting the current applied to the first coil and the current applied to the second coil and irradiating the high melting point metal raw material It is possible to provide an electron beam melting device characterized in that the shape of the electron beam to be adjusted.
상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔은 링 형상 또는 원 형상을 가지는 것일 수 있다.The electron beam irradiated onto the high melting point metal material may have a ring shape or a circular shape.
상기 제1 코일에 인가되는 전류는 제2 코일에 인가되는 전류보다 크고, 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔의 형상은 원 형상일 수 있다.A current applied to the first coil may be greater than a current applied to the second coil, and an electron beam irradiated onto the high-melting point metal material may have a circular shape.
상기 제1 코일에 인가되는 전류와 상기 제2 코일에 인가되는 전류의 차이는 제1 코일에 인가되는 전류 또는 제2 코일에 인가되는 전류의 10% 이하이고, 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔의 형상은 링 형상일 수 있다.The difference between the current applied to the first coil and the current applied to the second coil is 10% or less of the current applied to the first coil or the current applied to the second coil, and irradiated on the refractory metal raw material The shape of the electron beam may be a ring shape.
상기 제2 코일에 인가되는 전류에 대한 제1 코일에 인가되는 전류의 비율이 증가함에 따라 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 원 형상 전자빔의 단면적은 증가하는 것일 수 있다.As the ratio of the current applied to the first coil to the current applied to the second coil increases, a cross-sectional area of the circular electron beam irradiated onto the refractory metal source may increase.
상기 전자빔 용해장치는, 상기 제1 코일과 제2 코일에 인가되는 전류 또는 제1 코일과 제2 코일의 권취 횟수를 조절하며, 상기 전자빔이 조사되는 고융점 금속 원료의 표면 온도를 조절하는 것일 수 있다.The electron beam melting device may control the current applied to the first coil and the second coil or the number of turns of the first coil and the second coil, and adjust the surface temperature of the high-melting point metal raw material irradiated with the electron beam. there is.
상기 잉곳 풀러는, 상기 몰드 내부에 위치하고 상기 몰드 하부의 개구를 막으며 형성된 잉곳을 지지하는 지지판과, 상기 지지판을 하부로 이동시키면서 상기 잉곳을 인발하는 인발구동부를 포함하는 것일 수 있다.The ingot puller may include a support plate located inside the mold and supporting an ingot formed by blocking an opening in the lower portion of the mold, and a drawing driver configured to draw the ingot while moving the support plate downward.
상기 고융점 금속 원료와 상기 지지판 사이에 상기 잉곳과 동일 소재의 더미 부재가 개재될 수 있다.A dummy member made of the same material as the ingot may be interposed between the high melting point metal raw material and the support plate.
상기 몰드 또는 상기 지지판의 내부는 상기 몰드 또는 상기 지지판을 냉각하는 냉각수단을 더 포함할 수 있다.The inside of the mold or the support plate may further include a cooling means for cooling the mold or the support plate.
본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치는 전자빔을 집속하는 제1 코일과 제2 코일을 포함하는 전자빔 챔버를 구비하여 각각의 코일에 인가되는 전류를 조절하며 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔의 형상을 조절함으로써 용해속도를 제어하며 용융할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자빔 용해를 통하여 고융점 금속의 용융 시 불순물 제거가 용이할 수 있으며, 그에 따라 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 효과가 있다.An electron beam melting apparatus according to an embodiment of the present invention includes an electron beam chamber including a first coil and a second coil for focusing electron beams, adjusting the current applied to each coil, and controlling the electron beam irradiation on the high melting point metal raw material. It has the advantage of being able to melt while controlling the dissolution rate by adjusting the shape. In addition, impurities can be easily removed during melting of high melting point metal through electron beam melting, and thus there is an effect of growing into a high-purity ingot.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 및 제2 코일의 자기장 해석 결과를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 형성에 대한 모델링을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 열원 해석을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 형상 조절을 나타낸 사진,
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력강도에 따른 고융점 금속 소재의 용융 상태를 나타낸 사진,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력강도에 따른 고융점 금속 소재의 용융깊이와 용융온도를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력밀도에 따른 고융점 금속 소재의 용융비율을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력밀도에 따른 고융점 금속 소재의 용융깊이를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력밀도에 따른 고융점 금속 소재의 잉곳성장속도를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔이 회전하는 경우 전자빔의 출력밀도에 따른 고융점 금속 소재의 용융깊이를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 및 제2 코일의 권취 회수에 따른 전자빔의 온도분포를 나타낸 그래프,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 및 제2 코일의 인가전류에 따른 전자빔의 온도분포를 나타낸 그래프,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 또는 제2 코일을 나타낸 도면,
도15는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 또는 제2 코일의 권취회수에 따른 전자빔의 입자궤적을 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view showing an electron beam melting apparatus according to an embodiment of the present invention;
2 is a graph showing the magnetic field analysis results of the first coil and the second coil of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
3 is a graph showing modeling of electron beam formation of an electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
4 is a graph showing electron beam heat source analysis of an electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
5 is a photograph showing electron beam shape control of an electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
6 is a photograph showing the melting state of a high melting point metal material according to the electron beam output intensity of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
7 is a graph showing the melting depth and melting temperature of a high melting point metal material according to the electron beam output intensity of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
8 is a graph showing the melting ratio of the high melting point metal material according to the electron beam power density of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
9 is a graph showing the melting depth of a high melting point metal material according to the electron beam power density of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
10 is a graph showing the ingot growth rate of a high melting point metal material according to the electron beam power density of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
11 is a graph showing the melting depth of a high melting point metal material according to the power density of the electron beam when the electron beam of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention rotates;
12 is a graph showing the temperature distribution of the electron beam according to the number of turns of the first coil and the second coil of the electron beam melting apparatus according to an embodiment of the present invention;
13 is a graph showing the temperature distribution of the electron beam according to the applied current of the first coil and the second coil of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
14 is a view showing a first coil or a second coil of an electron beam melting device according to an embodiment of the present invention;
15 is a diagram showing particle trajectories of electron beams according to the number of windings of the first coil or the second coil of the electron beam melting apparatus according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments introduced below are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the embodiments described below. Also, in the drawings, the lengths and thicknesses of layers and regions may be exaggerated for convenience. Like reference numbers indicate like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치를 나타낸 단면도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 및 제2 코일의 자기장 해석 결과를 나타낸 그래프, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 형성에 대한 모델링을 나타낸 그래프, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 열원 해석을 나타낸 그래프, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 형상 조절을 나타낸 사진, 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력강도에 따른 고융점 금속 소재의 용융 상태를 나타낸 사진, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력강도에 따른 고융점 금속 소재의 용융깊이와 용융온도를 나타낸 그래프, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력밀도에 따른 고융점 금속 소재의 용융비율을 나타낸 그래프, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력밀도에 따른 고융점 금속 소재의 용융깊이를 나타낸 그래프, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔 출력밀도에 따른 고융점 금속 소재의 잉곳성장속도를 나타낸 그래프, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 전자빔이 회전하는 경우 전자빔의 출력밀도에 따른 고융점 금속 소재의 용융깊이를 나타낸 그래프, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 및 제2 코일의 권취 회수에 따른 전자빔의 온도분포를 나타낸 그래프, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 및 제2 코일의 인가전류에 따른 전자빔의 온도분포를 나타낸 그래프, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 또는 제2 코일을 나타낸 도면, 도15는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 또는 제2 코일의 권취회수에 따른 전자빔의 입자궤적을 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view showing an electron beam melting device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing magnetic field analysis results of a first coil and a second coil of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention, FIG. A graph showing electron beam formation of an electron beam melting apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a graph showing electron beam heat source analysis of an electron beam melting apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a photograph showing the electron beam shape control of the electron beam melting device, Figure 6 is a photograph showing the melting state of the high melting point metal material according to the electron beam output intensity of the electron beam melting device according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is a photograph showing the embodiment of the
도 1 내지 도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치(1)는 전자빔을 생성하는 전자총(130)과, 상기 전자총(130)으로부터 방출된 전자빔을 집속하는 제1 코일(110)과, 1차 집속된 전자빔을 2차 집속하는 제2 코일(120)을 포함하고, 상기 제2 코일(120)에서 집속된 전자빔(10)을 조사하여 고융점 금속 원료(M)를 가열하는 전자빔 챔버(100); 상기 고융점 금속 원료(M)가 용융된 용탕을 냉각하여 잉곳을 형성하는 몰드(210)와, 상기 몰드(210) 내부로 고융점 금속 원료(M)를 공급하는 원료공급부(220)를 포함하는 용융 챔버(200); 및 상기 몰드(210)로부터 잉곳을 인발하여 잉곳을 성장시키는 잉곳풀러(310)를 구비하는 잉곳 챔버(300);를 포함하고, 상기 제1 코일(110)에 인가되는 전류와 제2 코일(120)에 인가되는 전류를 조절하며 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상을 조절할 수 있다. 상기 전자빔 용해장치(1)는 전자빔을 집속하는 제1 코일(110)과 제2 코일(120)을 포함하는 전자빔 챔버(100)를 구비하여 각각의 코일에 인가되는 전류를 조절하며 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상을 조절함으로써 용해 깊이 또는 용해 속도를 제어하며 용융할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자빔 용해를 통하여 고융점 금속(M)의 용융 시 불순물 제거가 용이할 수 있으며, 그에 따라 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 효과가 있다.1 to 15, the electron
상세히 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치(1)는 전자빔 챔버(100), 용융 챔버(200), 잉곳 챔버(300)를 포함할 수 있으며, 전자빔 챔버(100), 용융 챔버(200) 또는 잉곳 챔버(300)는 진공 분위기를 위한 진공펌프와 연결될 수 있다. 예로써, 상기 진공펌프는 Turbo Molecular Pump 또는 Oil Diffusion Pump 일 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.In detail, the electron
전자빔 챔버(100)는 전자빔을 생성하는 전자총(130)과, 상기 전자총(130)으로부터 방출된 전자빔을 집속하는 제1 코일(110)과, 1차 집속된 전자빔을 2차 집속하는 제2 코일(120)을 포함하고, 상기 제2 코일(120)에서 집속된 전자빔(10)을 조사하여 고융점 금속 원료(M)를 용융할 수 있다. 예로써, 상기 고융점 금속 원료(M)는 융점이 2000℃ 이상인 금속이거나, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo 및 W 중 선택된 하나 이상의 금속일 수 있으며, 스크랩의 형태로 제공될 수 있다. 또한, 예로써, 제1 코일(110) 또는 제2 코일(120)은 포커스 유도자기코일로 구비될 수 있다.The
본 발명에서 전자빔의 출력은 전자빔의 전압과 전류로 결정되는데, 전자빔 전압은 음극과 양극 사이에 전기장을 형성하는 음극 전압의 절대값이고, 전자빔 전류는 그리드의 전압에 의해 조절되는 전류 값을 의미한다.In the present invention, the output of the electron beam is determined by the voltage and current of the electron beam. The electron beam voltage is the absolute value of the cathode voltage that forms an electric field between the cathode and anode, and the electron beam current means the current value controlled by the voltage of the grid. .
전자총은, 전자를 발생시켜 방출하는 필라멘트를 포함하는 음극(cathode), 음극 전방에 소정 거리로 이격되어 설치되고 음극과 전기장을 형성하여 음극으로부터 방출된 전자를 가속하는 양극(anode), 및 음극과 양극 사이에 설치되고 음극에서 방출되는 전자의 양을 제어하여 전자빔 전류량을 조절하는 그리드(grid)를 포함한다. 양극을 접지한 상태에서 음극에 음(-)의 전압을 인가하여 음극과 양극 사이에 전기장을 형성한다. 그리드에 음극보다 낮은 전압을 인가하면서 전압을 변화시킴으로써 전자총에서 방출되는 전자빔의 전류량을 조절할 수 있다.The electron gun includes a cathode including a filament that generates and emits electrons, an anode installed at a predetermined distance in front of the cathode and accelerating electrons emitted from the cathode by forming an electric field with the cathode, and a cathode and It includes a grid installed between the anodes and controlling the amount of electron beam current by controlling the amount of electrons emitted from the cathode. With the anode grounded, a negative (-) voltage is applied to the cathode to form an electric field between the cathode and anode. By changing the voltage while applying a voltage lower than that of the cathode to the grid, the amount of current of the electron beam emitted from the electron gun can be controlled.
코일의 반경은 20 내지 80mm일 수 있으며 바람직하게는 25mm 일 수 있다. 코일 권취 횟수는 500~10000회 일 수 있으며, 용융 대상물인 고융점 금속 원료(M)의 융점에 따라 횟수를 조절할 수 있다. 몰리브덴(Mo)을 용융하기 위해서는 전자빔 전압 35.5kV, 전자빔 전류 1A 기준으로 제1 코일(110)의 권취 횟수는 9000 ~ 10000, 제2 코일(120)의 권취 횟수는 5000 ~ 10000 회일 수 있다. The radius of the coil may be 20 to 80 mm, preferably 25 mm. The number of coil windings may be 500 to 10,000 times, and the number of times may be adjusted according to the melting point of the high melting point metal raw material M, which is a melting object. In order to melt molybdenum (Mo), the number of windings of the
전자총의 필라멘트(음극)에 통전함으로써, 필라멘트에서 전자가 방출되고 전자는 필라멘트의 하방에 위치하는 애노드 측으로 날아가 하부를 향하여 가속된다. 즉, 필라멘트에서 방출된 전자들은 필라멘트와 애노드 사이에 적용된 전기장에서 운동에너지를 흡수하여 가속될 수 있으며, 이 경우 전기장은 대개 약 30~70kV 크기의 전압에 의해 발생될 수 있다. 그리드 전압을 변화시킴으로써 전자총에서 방출되는 전자빔의 전류량을 조절할 수 있고 전자빔 전류는 0.5~2.0A의 범위일 수 있다.By energizing the filament (cathode) of the electron gun, electrons are emitted from the filament, and the electrons fly toward the anode located below the filament and are accelerated downward. That is, electrons emitted from the filament may be accelerated by absorbing kinetic energy in an electric field applied between the filament and the anode, and in this case, the electric field may be generated by a voltage of about 30 to 70 kV. By changing the grid voltage, the amount of current of the electron beam emitted from the electron gun can be adjusted, and the electron beam current can range from 0.5 to 2.0 A.
전자빔 용해장치(1)는 상기 제1 코일(110)에 인가되는 전류와 제2 코일(120)에 인가되는 전류를 조절하여 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상을 도 5와 같이 조절할 수 있다. 제1 코일(110)에 인가되는 전류와 제2 코일(120)에 인가되는 전류를 조절함으로써, 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)은 링 형상 또는 원 형상을 가지는 것일 수 있다. 즉, 코일에 인가되는 전류 제어를 통하여 자기장을 변화시켜 전자총(130)으로부터 방출된 전자들을 집속하거나 분산시킴으로써 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)은 링 형상 또는 원 형상을 가질 수 있다.The electron
자속밀도(B)는 진공투자율(Tm/A)을 μ0, 코일 반경(m)을 R, 코일전류(A)를 I, 코일감은 횟수를 n이라 할 때 하기의 식1과 같다.The magnetic flux density (B) is as shown in
-------------- 식(1) -------------- Equation (1)
예를 들어, 제1 코일(110) 또는 제2 코일(120)에 인가한 전류의 크기는 0.2A 내지 0.8A의 범위로 제어할 수 있는데, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 n은 1000, R은 0.04라 할 때의 자기장 해석 결과는 도 2와 같이, 제1 코일(110) 주변의 자기장은 1.03×10-4T, 제2 코일(120) 주변의 자기장은 6.03×10-5T이다. 만약 제1 코일(110)에 약 700mA, 제2 코일에 약 220mA의 전류를 가하는 경우 전자 이동 경로, 즉 전자빔(10)의 형성에 대한 모델링은 도 3과 같으며, 고융점 금속 원료(M)에 조사되는 전자빔(10)이 직경 약 2cm로 제어될 때 전자빔 열원 해석은 도 4와 같다. For example, the magnitude of the current applied to the
본 발명의 전자빔 용해장치에서 전자빔 가속전압은 25~35.5kV, 전자빔 전류는 0.5~2.0A, 제1 코일의 권취 횟수는 5,000~10,000회, 제1 코일의 코일반경은 65~70mm, 제2 코일의 권취 횟수는 5,000~10,000회, 제2 코일의 코일 반경은 75~85mm일 수 있다. In the electron beam melting device of the present invention, the electron beam acceleration voltage is 25 to 35.5 kV, the electron beam current is 0.5 to 2.0 A, the number of windings of the first coil is 5,000 to 10,000 times, the coil radius of the first coil is 65 to 70 mm, and the second coil The number of winding may be 5,000 to 10,000 times, and the coil radius of the second coil may be 75 to 85 mm.
제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 인가하는 전류 또는 권취 횟수를 제어함으로써, 전자빔의 형상을 조절할 수 있다.The shape of the electron beam can be adjusted by controlling the current applied to the
상기 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)는 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)보다 크면, 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. 나아가서, 상기 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)는 450mA 이상 720mA 이하이고, 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)는 225mA 이상 320mA이하이면, 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. 바람직하게는 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)와 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)의 비율, A1/A2이 2.5≤A1/A2≤3.2이면 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. When the current A1 applied to the
또한, 상기 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)에 대한 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)의 비율이 증가함에 따라 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 원 형상 전자빔의 단면적은 증가하는 것일 수 있다. In addition, as the ratio of the current A1 applied to the
상기 제1 코일에 인가되는 전류(A1)는 210mA 이상 450mA 미만이고, 제2 코일에 인가되는 전류(A2)는 200mA 이상 240mA 이하이면, 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 링 형상일 수 있다. 바람직하게는, 제1 코일에 인가되는 전류(A1)와 제2 코일에 인가되는 전류(A2)의 비율, A1/A2이 0.9≤A1/A2≤1.5이면, 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 링 형상일 수 있다. 더 바람직하게는 상기 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)와 상기 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)의 차이(A2-A1)는 제1 코일에 인가되는 전류(A1) 또는 제2 코일에 인가되는 전류(A2)의 10% 이하일 수 있다. When the current A1 applied to the first coil is greater than or equal to 210 mA and less than 450 mA, and the current A2 applied to the second coil is greater than or equal to 200 mA and less than or equal to 240 mA, the
표 1과 도 5는 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 인가된 전류에 대한 고융점 금속 원료(M)에 조사되는 전자빔(10)의 영역(면적)과 형상을 나타낸 것이다. 이때, 전자빔 가속전압은 35.5kV, 전자빔 전류는 0.5~2.0A, 제1 코일의 권취 횟수는 5,000~10,000회, 제1 코일의 코일반경은 67mm, 제2 코일의 권취 횟수는 5,000~10,000회, 제2 코일의 코일 반경은 80mm이다. 예를 들어, 고융점을 포함하는 모든 금속 소재에 있어서는 상기 전자빔 전류는 0.05A 내지 2.0A일 수 있다.Table 1 and FIG. 5 show the area (area) and shape of the
[cm 2 ]electron beam area
[cm 2 ]
도 5를 참조하면, 상기 시험예1의 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 (a), 상기 시험예2의 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 (b), 상기 시험예3의 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 (c)와 같으며, 각각의 코일에 인가되는 전류에 따라 전자빔의 형상이 달라짐을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, the shape of the
제1 코일(110)의 권취 횟수(N1)가 5,000~10,000회이고, 제2 코일(120)의 권취 횟수(N2)가 5,000~10,000회이면, 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. 바람직하게는 제1 코일(110)의 권취 횟수(N1)와 제2 코일(120)의 권취 횟수(N2)의 비율, N1/N2가 0.5≤N1/N2≤2이면 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. When the number of windings (N1) of the
제1 코일(110)의 권취 횟수(N1)가 500~1,000회이고, 제2 코일(120)의 권취 횟수(N2)가 8,000~10,000회이면, 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 링 형상일 수 있다. 바람직하게는 제1 코일(110)의 권취 횟수(N1)와 제2 코일(120)의 권취 횟수(N2)의 비율, N1/N2가 0.06≤ N1/N2≤0.1이면 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 링 형상일 수 있다.When the number of windings (N1) of the
전자빔 용해장치의 제1 코일 또는 제2 코일의 권취회수에 따른 전자빔의 입자궤적을 나타낸 도 15를 참조하면, 코일의 권취 횟수에 따라 전자빔의 형상이 달라짐을 알 수 있다. 예로써, 전자빔 가속전압은 20kV, 전자빔 전류는 1A, 제1 코일의 권취 횟수는 1000회, 제2 코일의 권취 횟수는 10,000회인 경우 전자빔의 형상은 링형(도15의 a)을 나타낼 수 있으며, 전자빔 가속전압은 20kV, 전자빔 전류는 1A, 제1 코일의 권취 횟수는 5000회, 제2 코일의 권취 횟수는 10,000회인 경우 전자빔의 형상은 원형(도15의 b)을 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 15 showing the particle trajectory of the electron beam according to the number of turns of the first coil or the second coil of the electron beam melting apparatus, it can be seen that the shape of the electron beam changes according to the number of turns of the coil. For example, when the electron beam acceleration voltage is 20 kV, the electron beam current is 1 A, the number of turns of the first coil is 1000, and the number of turns of the second coil is 10,000, the shape of the electron beam is ring-shaped (a in FIG. 15). When the electron beam acceleration voltage is 20 kV, the electron beam current is 1 A, and the number of turns of the first coil is 5000 and the number of turns of the second coil is 10,000, the shape of the electron beam may be circular (b in FIG. 15).
전자빔(10)은 몰드 안에서 회전하며 고융점 금속 원료(M) 상에 조사될 수 있다. 특히 설정된 반경 이내에서 원 운동하며 회전할 수 있다.The
도 6은 전자빔을 회전하지 않으면서 조사할 때의 고융점 금속 소재의 용융 상태를 나타낸다. 도 6의 (a)는 상기 전자총(130)으로부터 발생한 전자빔(10)의 출력이 14.2kW일 때, (b)는 17.75kW일 때, (C)는 21.3kW일 때의 몰리브덴 용융 결과를 보여주는 것이며, 도 7은 몰리브덴 온도분포에 대한 열전달 해석의 결과로써 거리(distance)는 고융점 금속 원료(M) 중심 부위의 절단면을 기준으로 상부에서 하단방향의 용융된 거리(용융 깊이)를 나타낸다. 도 6과 도 7을 비교할 때, 열전달 해석 결과(도 7)와 실험값(도 6)이 일치함을 알 수 있다. 즉, 전자빔 회전 미적용시 몰리브덴의 용융점 약 2600도 이상을 구현할 수 있는 전자빔의 출력은 17.75kW, 21.3kW임을 확인할 수 있다. 이때 고융점 금속 원료(M)에 조사되는 전자빔의 직경은 50mm 이다. 6 shows the melting state of the high melting point metal material when the electron beam is irradiated without rotating. 6 (a) shows the molybdenum melting results when the output of the
예로써, 전자빔 회전 미적용시 가속전압 35.5kV에서 전자빔 전류가 0.4A(14.2kW), 0.5A(17.75kW), 0.6A(21.3kW)인 각각의 경우, 전자빔 조사시간에 대한 몰리브덴의 용융비, 전자빔 출력밀도에 대한 몰리브덴의 용융깊이, 전자빔 출력밀도에 대한 몰리브덴의 잉곳 성장속도를 시험해보았다. As an example, when the electron beam rotation is not applied and the electron beam current is 0.4A (14.2kW), 0.5A (17.75kW), and 0.6A (21.3kW) at an acceleration voltage of 35.5kV, the melting ratio of molybdenum to the electron beam irradiation time, The melting depth of molybdenum for electron beam power density and the growth rate of molybdenum ingot for electron beam power density were tested.
도 8은 전자빔 회전 미적용시 가속전압 35.5kV에서 전자빔 전류가 0.5A(17.75kW, 0.67kW/cm2), 0.6A(21.3kW, 0.80kW/cm2) 인 두 가지의 경우 몰리브덴의 용융비를 나타낸 것이다. 용융비는 전체 시료 부피에 대한 용융시료의 부피를 연산하여 도출될 수 있다. 10분 동안 0.80kW/cm2 의 출력밀도를 가진 전자빔을 몰리브덴 소재에 조사하면 소재의 약 23%가 용융되는 것이므로, 50분을 조사하면 완전 용해가 됨을 알 수 있다. 따라서 전자빔의 출력밀도에 따라 고융점 금속 원료(M)가 완전 용해가 되는 시간을 파악할 수 있다.8 shows the melting ratio of molybdenum in two cases where the electron beam current is 0.5A (17.75kW, 0.67kW/cm 2 ) and 0.6A (21.3kW, 0.80kW/cm 2 ) at an acceleration voltage of 35.5kV when electron beam rotation is not applied. it is shown The melting ratio may be derived by calculating the volume of the molten sample relative to the total volume of the sample. When an electron beam having a power density of 0.80 kW/cm 2 is irradiated to the molybdenum material for 10 minutes, about 23% of the material is melted, so it can be seen that complete dissolution occurs when irradiated for 50 minutes. Therefore, it is possible to determine the time required for complete melting of the high melting point metal raw material M according to the power density of the electron beam.
도 9를 참조하면(전자빔 회전 미적용), 전자빔의 출력밀도와 전자빔의 조사시간에 따라 몰리브덴이 용해되는 깊이를 알 수 있는데, 이로 인해 전자빔의 출력밀도에 따라 몰드에 공급될 수 있는 몰리브덴의 부피를 알아낼 수 있다. 즉, 전자빔의 출력밀도에 따라 고융점 금속 원료(M)의 투입량을 설정할 수 있다. 이 경우 전자빔의 출력밀도의 증가에 따른 용융 깊이의 증가율은 일정한 값에 머무르게(saturation) 될 것을 예상할 수 있는데, 이는 소정의 출력밀도 이상에서는 고융점 금속의 용융과 함께 기화도 발생하는 것을 의미한다. Referring to FIG. 9 (without electron beam rotation), the depth at which molybdenum is dissolved can be known according to the power density of the electron beam and the irradiation time of the electron beam. As a result, the volume of molybdenum that can be supplied to the mold can be determined according to the power density of the electron beam. You can figure it out. That is, the input amount of the high melting point metal raw material M may be set according to the power density of the electron beam. In this case, it can be expected that the rate of increase in the melting depth according to the increase in the power density of the electron beam will remain at a constant value (saturation), which means that vaporization also occurs along with the melting of the high melting point metal above a certain power density .
도 10을 참조하면(전자빔 회전 미적용), 전자빔의 출력밀도 증가에 따라 잉곳의 성장속도도 증가됨을 알 수 있다. 하지만, 도 8과 도 9에 나타난 바와 같이, 전자빔이 조사되는 시간에 따른 용융비는 일정한 값에 머무르게(saturation) 되는 경향을 나타내며, 전자빔의 출력밀도가 증가하더라도 용융 깊이 증가 양상은 줄어드는 것을 확인할 수 있으므로 전자빔의 출력밀도는 소정의 값 이하로 설정되는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. Referring to FIG. 10 (electron beam rotation not applied), it can be seen that the growth rate of the ingot increases as the power density of the electron beam increases. However, as shown in FIGS. 8 and 9, the melting ratio according to the irradiation time of the electron beam tends to remain at a constant value (saturation), and it can be seen that the melting depth increase pattern decreases even when the power density of the electron beam increases. Therefore, it can be seen that it is desirable to set the power density of the electron beam to a predetermined value or less.
설정된 반경 이내에서 전자빔이 회전하며 조사되는 경우, 고융점 금속 원료(M)에 조사되는 전자빔 열원의 출력밀도에 따른 고융점 금속 원료(M)인 몰리브덴(Mo)의 용융깊이를 나타낸 도 11을 참조하면, 같은 깊이를 용융하기 위해서 전자빔 회전 적용시의 출력밀도가 전자빔 회전 미적용시의 출력밀도보다 1.25~2.5배 큰 것을 알 수 있다. 이 때, 전자빔 열원의 크기 x에 대한 몰리브덴(Mo)의 용융깊이 y는 다음의 수식 2와 같이 선형의 관계로, 전자빔 에너지와 용융깊이 관계를 나타낼 수 있다.When the electron beam is rotated and irradiated within a set radius, see FIG. 11 showing the melting depth of molybdenum (Mo), which is the high melting point metal raw material (M), according to the power density of the electron beam heat source irradiated to the high melting point metal raw material (M) Then, in order to melt the same depth, it can be seen that the power density when electron beam rotation is applied is 1.25 to 2.5 times greater than the power density when electron beam rotation is not applied. At this time, the melting depth y of molybdenum (Mo) with respect to the size x of the electron beam heat source has a linear relationship as shown in
y=0.3x-0.3 (R2=1) -------- 식(2) y=0.3x-0.3 (R 2 =1) -------- Equation (2)
이 경우 전자빔은 17 내지 54 kW의 출력상태를 가질 수 있다. 즉, 전자빔이 회전하며 조사되는 경우, 상기 도 6 및 도 7과 함께 설명한 바와 같이 전자빔을 고정하여 고융점 금속 원료(M)를 용융하는 것보다 2배 이상의 출력(2배 이상의 전자빔 전류)이 필요함을 알 수 있다.In this case, the electron beam may have an output state of 17 to 54 kW. That is, when the electron beam is rotated and irradiated, as described above with reference to FIGS. 6 and 7, more than twice the output (more than twice as much electron beam current) is required as compared to melting the high melting point metal raw material M by fixing the electron beam. can know
표 2는 전자빔의 회전으로 몰리브덴을 용융시키되, 각각의 전자빔 출력상태에 따른 불순물 함유량 및 몰리브덴의 순도를 나타낸 것이다. 상대적으로 출력강도가 낮은 35.5kV, 0.5A의 경우라도, 불순물 농도가 감소됨을 알 수 있으며, 출력강도가 높아지면 불순물 농도가 더욱 감소하고 몰리브덴의 순도가 더욱 향상됨을 알 수 있다. 또한, 산소의 경우 다른 불순물에 비하여 농도감소 효과가 뛰어나므로, 전자빔 용융장치(1)를 이용하여 고융점 금속 원료(M)의 잉곳 성장 시 산화물 생성을 더욱 방지할 수 있으며, 고순도의 고융점 금속 잉곳을 생산할 수 있음을 알 수 있다. Table 2 shows the impurity content and purity of molybdenum according to each electron beam output state while melting molybdenum by rotation of the electron beam. It can be seen that even in the case of 35.5 kV and 0.5 A having a relatively low output intensity, the impurity concentration is reduced, and when the output intensity is increased, the impurity concentration is further reduced and the purity of molybdenum is further improved. In addition, since oxygen has an excellent concentration reduction effect compared to other impurities, the generation of oxides can be further prevented during ingot growth of the high melting point metal raw material M using the electron
상기 전자빔 용해장치(1)는, 상기 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 인가되는 전류 또는 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 권취 횟수를 조절하며, 상기 전자빔(10)이 조사되는 고융점 금속 원료(M)의 표면 온도를 조절하는 것일 수 있다. The electron
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에서 전자빔의 출력은 전자빔의 전압과 전류로 결정되는데, 전압은 음극과 양극 사이에 전기장을 형성하는 음극 전압의 절대값이고, 전류는 그리드에 의해 조절되는 전류 값을 의미한다. 즉, 전자총(130)은, 전자를 발생시켜 방출하는 필라멘트를 포함하는 음극, 음극 전방에 소정 거리로 이격되어 설치되고 음극과 전기장을 형성하여 음극으로부터 방출된 전자를 가속하는 양극, 및 음극과 양극 사이에 설치되고 음극에서 방출되는 전자의 양을 제어하여 전자빔 전류량을 조절하는 그리드를 포함한다. 양극을 접지한 상태에서 음극에 음(-)의 전압을 인가하여 음극과 양극 사이에 전기장을 형성하고, 그리드에 음극보다 낮은 전압을 인가하면서 전압을 변화시킴으로써 전자총에서 방출되는 전자빔의 전류량을 조절할 수 있다.As described above, in the present invention, the output of the electron beam is determined by the voltage and current of the electron beam. The voltage is the absolute value of the voltage of the cathode that forms an electric field between the cathode and anode, and the current refers to the current value controlled by the grid. do. That is, the
제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 권취 횟수를 조절하며, 상기 전자빔(10)이 조사되는 고융점 금속 원료(M)의 표면 온도를 조절하는 경우, 예로써, 상기 고융점 금속 원료(M)로써 몰리브덴을 융점 이상 가열을 위해 전자총(130)에 35.5kV의 가속전압, 1A의 전자빔 전류를 설정할 수 있다. 그리고, 제1 코일(110)의 권취 회수 5000 내지 10000회, 제2 코일(120)의 권취 회수 5000 내지 10000회 사이로 조절하면, 고융점 금속 원료(M)의 표면 온도는 도 12와 같은 온도분포를 가질 수 있다, When adjusting the number of windings of the
또한, 상기 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 인가되는 전류를 조절하며, 상기 전자빔(10)이 조사되는 고융점 금속 원료(M)의 표면 온도를 조절하는 경우, 예로써, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 권취 회수를 동일하게 하고, 전자총(130)은 35.5kV의 가속전압, 1A의 전자빔 전류를 설정할 수 있다. 그리고, 제1 코일(110)에 흐르는 전류가 0.65 내지 0.7A, 제2 코일(120)에 흐르는 전류가 0.2 내지 0.35A 이면, 고융점 금속 원료(M)인 몰리브덴(Mo)의 표면 온도는 도 13과 같은 온도분포를 가질 수 있다. 이는 상기 표1의 시험예 2와 대응하는 결과라 할 수 있다.In addition, when adjusting the current applied to the
상기 전자빔 챔버(100)의 하부에 결합되는 용융챔버(200)는 상기 고융점 금속 원료(M)가 용융된 용탕을 냉각하여 잉곳을 형성하는 몰드(210)와, 상기 몰드(210) 내부로 고융점 금속 원료(M)를 공급하는 원료공급부(220)를 포함할 수 있고, 잉곳챔버(300)는 상기 용융챔버(200)와 결합되며 상기 몰드(210)로부터 잉곳을 인발하여 잉곳을 성장시키는 잉곳풀러(310)를 구비할 수 있다. 상기 몰드(210) 내부로 고융점 금속 원료(M)를 공급하는 원료공급부(220)는 전자빔(10)에 의한 고융점 금속 소재(M)의 용해 속도에 따른 속도로 원료를 공급하는 것이 바람직하다. The
예로써, 상기 몰드(210)는 구리 등의 열전도율이 우수한 금속재로 형성될 수 있으며, 상하에 개구가 형성된 원통형일 수 있다. 지지판(311) 또한 구리와 같은 열전도율이 우수한 금속재로 형성될 수 있다. 몰드(210)는 전자빔(10)으로 인해 용융 및 정제된 고융점 금속 용탕을 냉각 응고하여 잉곳을 형성할 뿐만 아니라, 전자빔(10)으로 인한 고융점 금속 원료(M)의 용융 시 내열 용기로서의 기능도 가질 수 있다.For example, the
상기 잉곳 풀러(310)는, 상기 몰드(210) 내부에 위치하고 상기 몰드 (210) 하부의 개구를 막으며 형성된 잉곳을 지지하는 지지판(311)과, 상기 지지판(311)을 하부로 이동시키면서 상기 잉곳을 인발하는 인발구동부(315)를 포함하는 것일 수 있다. 즉, 몰드(210)의 하부 개구를 막고 있던 지지판(311)을 소정의 속도로 하방으로 끌어 내려감으로써, 고융점 금속 용탕이 응고한 원기둥형 잉곳은 연속적으로 주조될 수 있다.The
나아가서, 상기 몰드(210) 또는 상기 지지판(311)의 내부는 상기 몰드(210) 또는 상기 지지판(311)을 냉각하는 냉각수단(230, 330)을 더 포함할 수 있다. 즉, 고융점 금속 원료(M)가 몰드(210)에서 전자빔(10)으로 인해 용융 및 정제되며, 몰드(210) 또는 상기 지지판(311)을 냉각하는 냉각수단에 의해 냉각되며 잉곳이 성장될 수 있다. 몰드(210) 및 지지판(311)을 구성하는 금속재를 냉각함으로써 몰드(210) 벽면 또는 지지판(311) 표면과의 고융점 금속 간의 합금화를 방지하고, 잉곳을 하부로 이동시킬 때 몰드 벽면과의 분리가 용이할 수 있다. 예를 들어, 냉각수단(230, 330)의 온도는 18도 내지 20도를 유지할 수 있으며, 증류수의 순환을 통하여 냉각이 이루어질 수 있다. Furthermore, the inside of the
또한, 전자빔(10) 조사 공정 이후 고융점 금속 잉곳의 산화를 방지하기 위하여 상기 잉곳챔버(300) 및 용융챔버(200)는 10-6torr 이하의 진공도로 24시간 이상 유지하며 고융점 금속 잉곳을 냉각시킬 수 있다. In addition, in order to prevent oxidation of the high melting point metal ingot after the
상기 고융점 금속 원료(M)와 상기 지지판(311) 사이에 상기 잉곳과 동일 소재의 더미 부재(320)가 개재될 수 있다. 이 경우, 상기 더미 부재(320)는 잉곳과 동일 소재의 금속으로 구성되는 얇은 판상체일 수 있으며, 고융점 금속 용탕의 하부가 몰드(210)에 의해 냉각되고 응고되는데 더미 부재(320)와 일체화되어 잉곳이 형성될 수 있다. A
전자빔(10)의 회전으로 고융점 금속 소재(M)의 용탕 영역(20)은 몰드(210) 내부 전체에 걸쳐 고르게 분포되고, 인발구동부(315)는 고융점 금속 용탕이 교반되지 않을 정도의 저속, 예를 들어 0.2 회전/분 내지 2회전/분의 범위로 지지판(311)을 자전시키며 하부로 이동하며 잉곳을 성장시킬 수 있다. 또한, 고융점 금속 소재(M)의 공급 시 지지판(311)을 자전시키면서 고융점 금속 소재(M)를 공급하여 회전 방향으로 적절히 분산시킬 수 있다. Due to the rotation of the
본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치(1)는 전자빔(10)을 집속하는 제1 코일(110)과 제2 코일(120)을 포함하는 전자빔 챔버(100)를 구비하여 각각의 코일에 인가되는 전류를 조절하며 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상을 조절함으로써 용해속도를 제어하며 용융할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자빔 용해를 통하여 고융점 금속의 용융 시 불순물 제거가 용이할 수 있으며, 그에 따라 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 효과가 있다.An electron
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that it can be done.
1; 전자빔 용해장치
10; 전자빔
100; 전자빔 챔버
110; 제1 코일
120; 제2 코일
130; 전자총
200; 용융 챔버
210; 몰드
220; 원료공급부
230, 330; 냉각수단
300; 잉곳챔버
310; 잉곳풀러
311; 지지판
315; 인발구동부
320; 더미 부재
M; 고융점 금속 원료One; Electron Beam Melting Machine
10; electron beam
100; electron beam chamber
110; 1st coil
120; 2nd coil
130; electron gun
200; melting chamber
210; Mold
220; Raw material supply department
230, 330; cooling means
300; ingot chamber
310; ingot puller
311; support plate
315; Pull drive unit
320; dummy absence
M; high melting point metal raw material
Claims (9)
상기 고융점 금속 원료가 용융된 용탕을 냉각하여 잉곳을 형성하는 몰드와, 상기 몰드 내부로 고융점 금속 원료를 공급하는 원료공급부를 포함하는 용융 챔버; 및
상기 몰드로부터 잉곳을 인발하여 잉곳을 성장시키는 잉곳풀러를 구비하는 잉곳 챔버;를 포함하고,
상기 제1 코일에 인가되는 전류와 제2 코일에 인가되는 전류를 조절하며 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔의 형상을 조절하는 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
An electron gun that generates an electron beam, a first coil that focuses the electron beam emitted from the electron gun, and a second coil that secondarily focuses the firstly focused electron beam, wherein the second coil irradiates the focused electron beam to obtain high an electron beam chamber for heating the melting point metal source;
a melting chamber including a mold for forming an ingot by cooling the molten metal in which the high-melting-point metal raw material is melted, and a raw material supply unit supplying the high-melting-point metal raw material into the mold; and
Including; an ingot chamber having an ingot puller for drawing the ingot from the mold and growing the ingot;
The electron beam melting apparatus characterized in that the current applied to the first coil and the current applied to the second coil are adjusted and the shape of the electron beam irradiated on the high melting point metal raw material is controlled.
상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔은 링 형상 또는 원 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
According to claim 1,
The electron beam melting device characterized in that the electron beam irradiated on the high melting point metal material has a ring shape or a circular shape.
상기 제1 코일에 인가되는 전류는 제2 코일에 인가되는 전류보다 크고,
상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔의 형상은 원 형상인 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
According to claim 1,
The current applied to the first coil is greater than the current applied to the second coil,
The electron beam melting device, characterized in that the shape of the electron beam irradiated on the high melting point metal raw material is circular.
상기 제1 코일에 인가되는 전류와 상기 제2 코일에 인가되는 전류의 차이는 제1 코일에 인가되는 전류 또는 제2 코일에 인가되는 전류의 10% 이하이고,
상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔의 형상은 링 형상인 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
According to claim 1,
The difference between the current applied to the first coil and the current applied to the second coil is 10% or less of the current applied to the first coil or the current applied to the second coil,
The electron beam melting device, characterized in that the shape of the electron beam irradiated on the high melting point metal raw material is a ring shape.
상기 제2 코일에 인가되는 전류에 대한 제1 코일에 인가되는 전류의 비율이 증가함에 따라 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 원 형상 전자빔의 단면적은 증가하는 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
According to claim 3,
An electron beam melting apparatus, characterized in that, as the ratio of the current applied to the first coil to the current applied to the second coil increases, the cross-sectional area of the circular electron beam irradiated on the high melting point metal source increases.
상기 전자빔 용해장치는, 상기 제1 코일과 제2 코일에 인가되는 전류 또는 제1 코일과 제2 코일의 권취 횟수를 조절하며, 상기 전자빔이 조사되는 고융점 금속 원료의 표면 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
According to claim 1,
The electron beam melting device controls the current applied to the first and second coils or the number of windings of the first and second coils, and controls the surface temperature of the high melting point metal raw material irradiated with the electron beam. Electron beam melting device to.
상기 잉곳 풀러는, 상기 몰드 내부에 위치하고 상기 몰드 하부의 개구를 막으며 형성된 잉곳을 지지하는 지지판과, 상기 지지판을 하부로 이동시키면서 상기 잉곳을 인발하는 인발구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
According to claim 1,
The ingot puller includes a support plate located inside the mold and supporting an ingot formed by blocking the opening of the lower part of the mold, and a drawing driver for drawing the ingot while moving the support plate downward. Electron beam melting device, characterized in that .
상기 고융점 금속 원료와 상기 지지판 사이에 상기 잉곳과 동일 소재의 더미 부재가 개재되는 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
According to claim 7,
An electron beam melting device, characterized in that a dummy member made of the same material as the ingot is interposed between the high melting point metal raw material and the support plate.
상기 몰드 또는 상기 지지판의 내부는 상기 몰드 또는 상기 지지판을 냉각하는 냉각수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 용해장치.
According to claim 7,
The inside of the mold or the support plate further comprises a cooling means for cooling the mold or the support plate.
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Citations (2)
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JP4860253B2 (en) | 2005-12-16 | 2012-01-25 | 東邦チタニウム株式会社 | Metal electron beam melting apparatus and metal melting method using the apparatus |
KR101342091B1 (en) | 2011-11-16 | 2013-12-18 | 한국지질자원연구원 | Preparation of ultra-high purity cylindrical ingot of refractory metals by electron beam drip melting |
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