WO2014017206A1 - 電子ビーム溶解炉およびこれを用いた電子ビーム溶解炉の運転方法 - Google Patents

電子ビーム溶解炉およびこれを用いた電子ビーム溶解炉の運転方法 Download PDF

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高士 小田
寿宗 田中
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Definitions

  • the present invention relates to an electron beam irradiation technique for a hearth arranged in an electron beam melting furnace or a molten metal pool formed in a mold, and more particularly to a technique for controlling a heating position by electron beam irradiation.
  • an electron beam melting furnace can be set at a lower degree of vacuum than a vacuum arc melting furnace, and thus has a high purification effect on raw materials and is suitable for melting high-purity metals.
  • the electron beam melting furnace heats and melts the object by directing an electron beam emitted from an electron gun disposed on the ceiling portion of the melting furnace to the object. Since the electron beam emitted from the electron gun has straight travel characteristics, the object can be reliably heated and melted by bending the electron beam with the deflection coil and setting the intensity of the electron beam. have.
  • the object heated by the electron beam is held in a molten state, the metal from the same part is also evaporated, and the vapor enters the traveling path of the electron beam.
  • the electron beam may interfere with the metal vapor, and as a result, the traveling direction of the electron beam may be changed, and the electron beam may not necessarily be emitted in the set direction.
  • the irradiation direction of the electron beam may change to an unintended direction due to noise entering from the outside.
  • the electron beam and the deflection coil that bends the beam are easily affected by an external magnetic field. Even in such a case, the electron beam may be displaced in an unexpected direction. It has been.
  • the traveling direction of the electron beam as described above is scattered in an unintended direction, for example, the wall surface of the hearth holding the molten metal may be heated, and this is left for a long time. Then, there is a possibility that the hearth may be damaged, which is not preferable.
  • Patent Document 2 Also known is a means for detecting characteristic X-rays generated when an electron beam emitted from an electron beam is accidentally irradiated onto a mold to detect erroneous irradiation of the electron beam (for example, Patent Document 2). reference).
  • the above-mentioned problems have been intensively studied.
  • the position information of the part is compared with the position information of the region to be irradiated with the electron beam stored in advance in the electron beam control means, and the irradiation position of the electron beam is controlled so that the difference between the two is minimized.
  • an electron beam melting furnace includes a hearth and a mold for holding a molten metal, an electron gun for generating an electron beam for holding the molten metal in a molten state, and a control signal for an irradiation position of the electron beam.
  • An electron beam irradiation pattern output device for outputting to the electron beam and an electron gun control means for controlling the irradiation direction of the electron beam by inputting a control signal, and further melting in the hearth or the mold
  • An arithmetic device that calculates, an output device that generates a correction output signal based on a difference calculated by the arithmetic device, and a device that adds the correction output signal to the control signal It is characterized in that Bei was.
  • the image sensor is preferably a high-resolution CCD camera or a temperature sensor.
  • the operation method of the electron beam melting furnace according to the present invention includes a hearth and a mold for holding a molten metal, an electron gun for generating an electron beam for holding the molten metal in a molten state, and a control signal for an irradiation position of the electron beam.
  • An electron beam irradiation pattern output device for outputting to a gun, an electron gun control means for controlling the irradiation direction of an electron beam by inputting a control signal, and an electron beam irradiated to a molten metal surface in a hearth or a mold
  • An image sensor that measures a high-intensity part, an arithmetic unit that calculates the difference between the position information of the high-intensity part measured by the image sensor and the electron beam irradiation position information set in the initial stage of dissolution, and an arithmetic unit
  • An electron beam melting furnace comprising: an output device that generates a corrected output signal based on a difference; and a device that adds the corrected output signal to a control signal.
  • This is a rotation method, and the irradiation position of the electron beam is controlled so that the difference between the position information of the high-intensity part measured by the image sensor and the electron beam irradiation position information set at the initial stage of melting is not more than a predetermined value. It is characterized by.
  • the operation method of the electron beam melting furnace according to the present invention preferably controls the irradiation position of the electron beam so that the difference between the irradiation coordinates and the high luminance part coordinates is minimized.
  • the operation method of the electron beam melting furnace according to the present invention is such that, when the high-luminance part coordinates are (x, y) and the irradiation coordinates are (X, Y), the X coordinate and the Y coordinate of both plane coordinates are It is preferable that the absolute values
  • the operation method of the electron beam melting furnace according to the present invention is the displacement ⁇ (Y ⁇ y) 2 + (X ⁇ x) between the high-luminance part coordinates (x, y) and the irradiation coordinates (X, Y). 2 ⁇ It is preferable to control 1/2 to 1 mm or less.
  • the operation method of the electron beam melting furnace according to the present invention is such that the metal to be melted is titanium or a titanium alloy.
  • the hearth disposed in the electron beam melting furnace and the molten metal pool formed in the mold can be accurately heated without damaging the hearth and the mold.
  • the whole hearth can be effectively used.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electron beam melting furnace.
  • Reference numeral 4 denotes a raw material feeder for supplying the raw material 10 from the outside, and a hearth 3 for holding the raw material 10 and its molten metal 12 is provided on the downstream side of the raw material feeder 4.
  • a mold 5 for pouring the molten metal 12 to cool and solidify is provided.
  • a raw material 10 typified by sponge titanium is charged into a hearth molten metal 12 formed inside the hearth 3 from the side wall of the hearth 3.
  • the raw material 10 charged in the hearth molten metal 12 is irradiated with the electron beam 2 a from the electron gun 1 a, is integrated with the hearth molten metal 12, and is supplied to the mold 5 disposed downstream of the hearth 3.
  • the hearth molten metal 12 supplied to the mold 5 is maintained in a molten state by the electron beam 2b irradiated from the electron gun 1b on the bath surface to form a molten pool 13, but is cooled by the water cooling wall of the mold 5 as it goes downward. Solidifies to form a solidified shell.
  • the solidified shell formed in the vicinity of the wall in the mold 5 increases in thickness along the drawing direction of the mold 5 and finally becomes a solid phase and is extracted as an ingot 11.
  • the extraction base 6 is engaged with the bottom of the ingot 11 and can be extracted vertically downward by the extraction power 8 through the shaft 7 joined to the extraction base 6.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the electron gun 1a, the water-cooled copper hearth 3 and the portion of the heart spool 12 held in the melted state in FIG.
  • an image sensor 20 is further disposed in the vicinity of the electron gun 1a.
  • the image sensor 20 can detect the irradiation position of the electron beam irradiated into the Harspool 12 as described below.
  • the electron beam 2a is controlled to be irradiated from the electron gun 1a while scanning the surface of the harness spool 12 in a line. That is, the XY coordinates for each time from the start of irradiation from the start points 30a to 32a to the end points 30b to 32b, which are pre-programmed, are output as control signals from an electron beam irradiation pattern output device (not shown).
  • the electron gun control means that is input to the electron gun control means and the magnetic field of the deflection coil of the electron gun is controlled in the X direction and the Y direction by the electron gun control means to which the control signal is input.
  • the region 31 is irradiated from the start point 31a to the end point 31b, and then the region 32 is sequentially irradiated from the start point 32a to the end point 32b at a high speed.
  • the electron beam itself is invisible, but on the Harspool 12 irradiated with the electron beam.
  • the high-intensity portion described above is observed linearly (30 to 32, etc.) near the boundary between the region irradiated with the electron beam and the portion not irradiated with the electron beam. It can be observed with particularly high brightness at the end portions 30a / b, 31a / b, and 32a / b, which are the start point and end point of electron beam irradiation.
  • the XY coordinates of the high-luminance portion can be read by detecting by the image sensor 20 heat relatively higher than the surroundings emitted from these high-luminance portions.
  • the setting of the electron beam irradiation position, the irradiation of the electron beam, and the detection of the actual position of the irradiated electron beam can be performed.
  • the image sensor 20 preferably uses a high-resolution CCD camera, but other image sensors may be used to detect light in a high-luminance portion.
  • the irradiation position of the molten metal 12 held in the hearth 3 is first performed manually by inputting the coordinates of the electron beam irradiation position for each time. That is, the plane coordinates are stored in advance in an electron beam irradiation pattern output device (not shown) and output as a control signal.
  • coordinates for each time means coordinates to be irradiated after a predetermined time has elapsed from the start of irradiation.
  • the control signal is input to the electron gun control means and operated, and the electron beam is irradiated while scanning the set region as described above,
  • the molten metal 12 held in the hearth 3 can be heated uniformly.
  • an image sensor 20 is disposed in the vicinity of the electron gun 1 a disposed in the space above the hearth 3, and the image sensor 20 has a high temperature based on the temperature information of the part that is actually dissolved.
  • the coordinate information of the luminance part is obtained, and the difference between the coordinates to be irradiated at the pre-programmed time and the actual high luminance part coordinates is calculated separately by the calculation means (not shown), and the electron beam 2a is actually There is an effect that the irradiated area can be grasped.
  • the solid line portion is a pre-programmed electron beam irradiation target region.
  • the electron beam irradiation is started from the starting point 30a, and the electron beam starts to be displaced due to the influence of metal vapor interference, an external magnetic field, etc., and the electron beam is irradiated to the course indicated by the broken line, it is programmed in advance at a certain time.
  • the electron beam should be irradiated to 30c (coordinates x c , y c ), but the high brightness position detected by the image sensor is 30d (coordinates x d , y d ). Occurs.
  • Both of these coordinates are input to the calculation means, and the displacement ⁇ (y d ⁇ y c ) 2 + (x d ⁇ x c ) 2 ⁇ 1/2 is obtained by calculation, and the displacement exceeds a predetermined value.
  • information of the X component ⁇ X
  • and the Y component ⁇ Y
  • of the displacement is fed back to the electron gun control means, and only the X component and the Y component of the electron beam are fed back. Can be corrected to eliminate the difference between the coordinates of 30d and 30c.
  • the correction of the electron beam irradiation position is performed for controlling the irradiation position of the electron beam so as to correct the difference between them, that is, the deviation between the two coordinates from the comparison calculator 10 with the positional information of the two as inputs.
  • a signal is output and input to the electron gun control device, so that the irradiation position of the electron beam can be automatically controlled.
  • FIG. 7 shows an electron beam control system specifically showing the contents of FIG.
  • the high-resolution CCD shown in FIG. 7 is a preferred embodiment of the image sensor according to the present invention. Based on the result of imaging the irradiation state of the electron gun, the hearth heated by the electron beam irradiation or the pool in the mold is used. It is preferable to configure with an apparatus that can detect a high-luminance region.
  • the irradiation position of the electron beam can be detected from the high-intensity part detected by the device.
  • the irradiation position information is input to the arithmetic unit, the deviation from the calculation of the irradiation target position and the actual position of the electron beam is calculated, a correction signal is generated, and this is irradiated to the electron gun from the electron beam irradiation pattern output device By adding it to the signal, it is possible to bring it closer to the irradiation position of the electron beam.
  • the electron beam width H shown in FIG. 7 means the width of the electron beam applied to the surface of the pool formed in the hearth or the mold.
  • the electron beam width H can also be output as the electron beam irradiation signal width (H).
  • the high resolution CCD camera, the arithmetic unit, and the correction signal output device enclosed by the broken line in FIG. 7 are configured as individual units, and the present invention can be implemented by adding to the existing EB irradiation pattern output device. .
  • the present invention can also be implemented by incorporating the high-resolution CCD camera, the arithmetic unit, and the correction signal output device from the beginning with respect to the electron beam irradiation pattern output device.
  • the plane coordinates (x d , y d ) of the point heated by the electron beam irradiation and the plane coordinates (x c , y c ) of the point originally intended to be irradiated with the electron beam are different from each other. It is preferable to control so that the absolute value of becomes equal to or less than a predetermined value.
  • the difference in absolute value of the difference between the two plane coordinates is controlled to 1 mm or less.
  • the irradiation position of the electron beam 2a can be controlled by changing the magnetic field formed in the coil by controlling the current flowing in the deflection coil provided in the electron gun 1a. Assuming that the electron beam irradiation direction from the electron gun when there is no input to the deflection coil is the initial position, the electron beam irradiation direction is changed from the initial position along the X-axis direction by passing a current through the deflection coil in the X direction. Similarly, by applying a current to the Y direction deflection coil independently of the X direction, the irradiation direction of the electron beam can be changed from the initial position along the Y axis direction.
  • the plane coordinates (x c , y c ), the plane coordinates (x d , y d ), and the values of the expressions (1) and (2) are calculated by the calculation means, and the result is calculated by the electron gun.
  • the present invention can be suitably applied not only to the hearth 3 as described above but also to the molten pool 13 formed in the mold 5. This is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the coordinates of the region 33 from the start point 33a to the end point 33b, the region 34, etc. are programmed as the region to be irradiated with the electron beam in the mold 5, and the electron beam irradiation is performed in the same manner as described above. In addition, it is possible to detect a high-luminance portion and correct the irradiation position.
  • the electron beam melting furnace having the mechanism having the present invention has an effect that it can be suitably applied not only to melting pure titanium but also to melting titanium alloy. Further, the present invention has an effect that it can be suitably applied to refractory metals such as molybdenum and niobium other than pure titanium and titanium alloys.
  • Electron beam irradiation position control device Controls the irradiation direction of the electron beam by a deflection coil. In addition, a device for controlling the irradiation direction of the electron beam based on the correction signal output from the arithmetic device.
  • Example 1 Using the apparatus described above, sponge titanium was supplied to Hearth and dissolved to form a molten metal, which was discharged into a mold to produce an ingot. After completion of the ingot generation, the hearth wall disposed in the electron beam melting furnace was observed with the naked eye, but no appearance of damage to the hearth was detected.
  • Example 1 The ingot was generated by irradiating the electron beam with the initial program under the same conditions as in Example 1 except that the image sensor and the electron beam irradiation position control device according to the present invention were not used and the irradiation position of the electron beam was not corrected. . After melting the ingot, the electron beam melting furnace was dismantled and the hearth damage was observed with the naked eye. As a result, a slight trace of electron beam irradiation on one spot was observed.
  • Example 2 In Example 1, the ingot was melted under the same conditions except that the raw material was changed from sponge titanium to alloy scrap. As a result of investigating the distribution of alloy components in the melted ingot, both the longitudinal direction and the radial direction are within 3% to 8% variation in relative error with respect to the absolute value of the average value of the ingot. Was confirmed.
  • Comparative Example 2 In Comparative Example 1, an alloy ingot was melted under the same conditions except that the raw material of Example 2 was used. When the segregation state of the alloy component in the longitudinal direction in the melted alloy ingot was examined in the radial direction, a variation of 6% to 17% was confirmed as a relative error with respect to the absolute value of the average value.
  • the present invention provides an apparatus and a method capable of extending the life of a hearth and a mold used in an electron beam melting furnace and producing an ingot having a uniform composition.

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Abstract

　電子ビーム溶解炉内に配設されたハースや鋳型内に形成された溶融金属プールに対して、事前に予定されている位置に精度よく電子ビームを照射する技術を提供する。　溶融金属を保持するハースおよび鋳型と、溶融金属を溶融する電子銃と、電子ビームの照射方向を制御する電子銃制御手段と、溶融金属のイメージセンサーと、演算手段とを備えた電子ビーム溶解炉の運転方法であって、溶融金属に対して電子ビームを照射すべき照射座標を電子銃制御手段に入力して溶融金属に電子ビームを照射し、溶融金属に電子ビームが照射されて生じる高輝度部位をイメージセンサーによって検出し、演算手段によって検出信号から高輝度部位座標を演算し、演算手段によって照射座標と高輝度部位座標との差異を演算し、差異を電子銃制御手段に入力することによって差異が所定値以下となるように電子ビームの照射位置を制御する。

Description

電子ビーム溶解炉およびこれを用いた電子ビーム溶解炉の運転方法
　本発明は、電子ビーム溶解炉内に配置したハースまたは鋳型内に形成されている溶融金属プールへの電子ビーム照射技術に係り、特に、電子ビーム照射による加熱位置を制御する技術に関する。 
　電子ビーム溶解炉は、真空アーク溶解炉に比べて減圧度が低く設定できるため原料の精製効果が高く、純度の高い金属の溶製に好適であることが知られている。 
　電子ビーム溶解炉の中でも、ハースと呼ばれる精製炉が併設されている場合が多く、同ハース内で原料を溶解することにより原料中に含まれている不純物を効果的に分離精製することができるという効果を奏するものである。 
　電子ビーム溶解炉は、同溶解炉の天井部位に配設された電子銃から発せられた電子ビームを対象物に向けることで前記対象物の加熱溶解を行っている。電子銃から発せられた電子ビームは、直進性を有しているため、偏向コイルにより電子ビームを曲げるとともに電子ビームの強度を設定することにより、対象物を確実に加熱溶解することができるという特徴を有している。 
　しかしながら、電子ビーム溶解炉のハース内部には、電子ビーム加熱された対象物が溶融状態に保持されており、同部位からの金属も蒸発しており、同蒸気が電子ビームの進行経路に侵入すると、電子ビームが前記金属蒸気と干渉し、その結果、電子ビームの進行方向が変えられる場合があり、必ずしも設定した方向に電子ビームが発せられていない場合がある。また、前記した電子ビーム溶解炉の内部状況のみならず、外部から侵入するノイズにより電子ビームの照射方向が意図しない方向に変化する場合がある。さらに、電子ビームおよびビームを曲げる偏向コイルは、外部磁場の影響を受け易いことも知られており、そのような場合にも、電子ビームが予期せぬ方向に変位する場合があり、改善が求められている。 
　前記したような電子ビームの進行方向が意図せぬ方向に散乱した場合には、例えば、溶融金属が保持されているハースの壁面が加熱される場合があり、これを長時間に放置しておくと、ハースが損傷を受けるおそれがあり、好ましくない。 
　このような問題に対して、電子ビームが加熱された部位の温度分布を測定し、同測定値に基づき電子ビームの強度を調節するような技術が知られているが（例えば、特許文献１参照）、電子ビームの照射位置の意図しない変位の補正に関する記載は見当たらない。 
　また、電子ビームから発せられた電子ビームが鋳型に誤って照射された場合に発生する特性Ｘ線を検出して、電子ビームの誤照射を検知する手段も知られている（例えば、特許文献２参照）。 
　しかしながら、当該方法においては、前記電子ビームが誤照射されて初めて誤動作を検出することができるものであり、鋳型への損傷を予防することはできず、少なからず損傷を招くことになり好ましくない。 
　このように、電子銃から照射される電子ビームの意図しない変位を防止し、確実に加熱対象物に照射されるような技術が望まれている。 
特開平０５－１９２７４７号公報 特公平０６－００３７２７号公報
　本発明は、電子ビーム溶解炉内に配設されたハースや鋳型内に形成された溶融金属プールに対して、事前に予定されている位置に精度よく電子ビームを照射する技術の提供を目的とするものである。 
　かかる実情に鑑み前記課題について鋭意検討を進めたところ、イメージセンサーを用いて出力される電子ビーム溶解炉内に配設されたハースあるいは鋳型内の溶融プールに現に電子ビームが照射されている高輝度部位の位置情報と、電子ビームの制御手段に事前に記憶させた電子ビームを照射すべき領域の位置情報とを比較させ、前記両者の差異が最小となるように電子ビームの照射位置を制御することにより、ハースあるいは鋳型内に形成された溶融プールの加熱領域を精度よく制御することができることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 
　即ち、本願発明に係る電子ビーム溶解炉は、溶融金属を保持するハースおよび鋳型と、溶融金属を溶融状態に保持する電子ビームを生成する電子銃と、電子ビームの照射位置の制御信号を電子銃に出力する電子ビーム照射パターン出力装置と、制御信号を入力して電子ビームの照射方向を制御する電子銃制御手段とから構成された電子ビーム溶解炉であって、さらに、ハースまたは鋳型内の溶融金属表面に電子ビームが照射されて形成される高輝度部位を測定するイメージセンサーと、イメージセンサーで測定された高輝度部位の位置情報と溶解初期に設定された電子ビーム照射位置情報との差異を計算する演算装置と、演算装置で演算された差異に基づき補正出力信号を生成する出力装置と、補正出力信号を制御信号に付加させる装置を具備したことを特徴とするものである。 
　本願発明に係る電子ビーム溶解炉は、前記イメージセンサーが、高解像度のＣＣＤカメラまたは温度センサーであることを好ましい態様とするものである。 
　本願発明に係る電子ビーム溶解炉の運転方法は、溶融金属を保持するハースおよび鋳型と、溶融金属を溶融状態に保持する電子ビームを生成する電子銃と、電子ビームの照射位置の制御信号を電子銃に出力する電子ビーム照射パターン出力装置と、制御信号を入力して電子ビームの照射方向を制御する電子銃制御手段と、ハースまたは鋳型内の溶融金属表面に電子ビームが照射されて形成される高輝度部位を測定するイメージセンサーと、イメージセンサーで測定された高輝度部位の位置情報と溶解初期に設定された電子ビーム照射位置情報との差異を計算する演算装置と、演算装置で演算された差異に基づき補正出力信号を生成する出力装置と、補正出力信号を制御信号に付加させる装置を具備したことを特徴とする電子ビーム溶解炉の運転方法であって、イメージセンサーで測定された高輝度部位の位置情報と溶解初期に設定された電子ビーム照射位置情報との差異が所定値以下となるように電子ビームの照射位置を制御することを特徴とするものである。 
　本願発明に係る電子ビーム溶解炉の運転方法は、前記照射座標と前記高輝度部位座標との差異が最小となるように電子ビームの照射位置を制御することを好ましい態様とするものである。 
　本願発明に係る電子ビーム溶解炉の運転方法は、前記高輝度部位座標を（ｘ、ｙ）とし、前記照射座標を（Ｘ，Ｙ）とした場合、両者の平面座標のＸ座標およびＹ座標における差異の絶対値｜Ｘ－ｘ｜および｜Ｙ－ｙ｜をそれぞれ１ｍｍ以下に制御することを好ましい態様とするものである。 
　本願発明に係る電子ビーム溶解炉の運転方法は、前記高輝度部位座標（ｘ、ｙ）と、前記照射座標（Ｘ，Ｙ）との変位量｛（Ｙ－ｙ）２＋（Ｘ－ｘ）２｝１／２を１ｍｍ以下に制御することを好ましい態様とするものである。 
本願発明に係る電子ビーム溶解炉の運転方法は、溶融させる金属が、チタンまたはチタン合金であることを好ましい態様とするものである。 
　以上述べた本発明に従えば、電子ビーム溶解炉内に配設されたハースおよび鋳型内に形成された溶融金属プールを、ハースおよび鋳型を損傷させることなく精度よく加熱することができ、その結果、ハース全体を有効に利用することができるという効果を奏するものである。 
本発明の電子ビーム溶解装置の模式的な断面図である。 本発明における電子ビーム照射状況の模式的な斜視図である。 本発明におけるハース内への電子ビーム照射状況を示す平面図である。 図３において電子ビームが変位した部分を拡大した平面図である。 本発明における鋳型内への電子ビーム照射状況を示す平面図である。 本発明における電子ビーム照射位置の制御を示すフローチャート図である。 本発明における電子ビーム照射位置の制御を示すフローチャート図である。
１ａ、１ｂ…電子銃、 
２ａ、２ｂ…電子ビーム、 
３…ハース、 
４…原料フィーダ、 
５…水冷銅鋳型、 
６…引き抜きベース、 
７…シャフト、 
８…引き抜き動力、 
１０…原料、 
１１…インゴット、 
１２…溶融金属プール、 
１３…溶融金属プール、 
２０…イメージセンサー、 
３０～３４…プログラムされた照射領域、 
３０ａ～３４ａ…端部（照射始点）、 
３０ｂ～３４ｂ…端部（照射終点）、 
３０ｃ…プログラムされた照射位置、 
３０ｄ…変位した照射位置。 
　本発明の最良の実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。 
　本発明に係る好ましい態様の説明に先立って、図１を用いて本発明に用いる電子ビーム溶解炉の好ましい態様について以下に述べる。図１は、電子ビーム溶解炉の模式図である。符号４は、原料１０を外部から供給するための原料フィーダであり、原料フィーダ４の下流側には、原料１０およびその溶湯１２を保持するハース３が設けられている。ハース３の下流側には、溶湯１２を流し込み冷却凝固させるための鋳型５が設けられている。ハース３および鋳型５の上方には、原料を溶融させハース３内の溶湯１２および鋳型５内の溶湯プール１３とするための電子銃１ａおよび１ｂがそれぞれ配置されている。鋳型５の下方には、溶湯１２を冷却凝固して形成されたインゴット１１を係合させる引き抜きベース６と、引き抜きベース６をインゴット１１と共に下方に引くシャフト７および引き抜き動力８が接続されている。 
　まず、スポンジチタンに代表されるような原料１０をハース３の側壁より該ハース３の内部に形成されたハース溶湯１２に投入する。ハース溶湯１２に投入された原料１０は、電子銃１ａより電子ビーム２ａを照射されてハース溶湯１２と一体となり、ハース３の下流に配置された鋳型５に供給される。 
　鋳型５に供給されたハース溶湯１２は、浴面では電子銃１ｂより照射される電子ビーム２ｂにより溶融状態を保ち溶湯プール１３を形成しているが、下方に行くほど鋳型５の水冷壁により冷却固化されて凝固シェルを形成する。鋳型５内の壁近傍に形成された凝固シェルは、鋳型５の引き抜き方向に沿ってその厚みを増し、最終的には、全体が固相となりインゴット１１として抜き出される。 
　インゴット１１の底部には、引き抜きベース６が係合されており、上記引き抜きベース６に接合されたシャフト７を介して引き抜き動力８により鉛直下方に抜き出すことができる。 
　図２は、図１における電子銃１ａと水冷銅ハース３およびその内部に溶融状態で保持されたハースプール１２の部分を拡大して示している。本発明においては、更に、前記電子銃１ａの近傍に、イメージセンサー２０が配置されている。このイメージセンサー２０により、ハースプール１２内に照射された電子ビームの照射位置を以下に述べるようにして検出することができる。 
　電子ビーム２ａは、電子銃１ａよりハースプール１２の表面をライン状に走査しつつ照射されるように制御されている。すなわち、予めプログラム入力された始点３０ａ～３２ａから終点３０ｂ～３２ｂまでの、照射開始からの時刻ごとのＸＹ座標が、図示しない電子ビーム照射パターン出力装置から制御信号として出力され、この制御信号が図示しない電子銃制御手段に入力され、制御信号が入力された電子銃制御手段により電子銃の偏向コイルの磁場をＸ方向およびＹ方向において制御して、電子銃は領域３０上を始点３０ａから終点３０ｂへビームを照射し、領域３１を始点３１ａから終点３１ｂへ照射し、続いて領域３２を始点３２ａから終点３２ｂへ、と順次定められた領域を高速で照射するという方式である。 
　前記した電子ビーム２ａの照射される位置を電子ビーム溶解炉の本体に設けた覗き窓より観察していると、電子ビーム自体は不可視であるが、電子ビームが照射されているハースプール１２上の部位に高輝度を発する部位があり、前記高輝度部位を手掛かりにして現に電子ビームが照射されている領域を把握することができる。前記した高輝度部位は、図２に示すように、電子ビームが照射されている領域と電子ビームが照射されていない部位との境界近傍に対して線状（３０～３２等）に観察され、電子ビーム照射の始点および終点である端部３０ａ／ｂ、３１ａ／ｂ、３２ａ／ｂにおいて特に高輝度に観察することができる。 
　従って、これら高輝度部分から発せられる周囲より相対的に高温の熱をイメージセンサー２０によって検出することにより、高輝度部分のＸＹ座標を読み取ることができる。以上のようにして、電子ビーム照射位置の設定、電子ビームの照射、および照射された電子ビームの実際の位置の検出を行うことができる。なお、イメージセンサー２０は、高解像度のＣＣＤカメラを使用することが好ましいが、その他のイメージセンサーを使用して高輝度部分の光を検出するようにしてもよい。 
　本発明の電子ビーム溶解炉の制御方法においては、最初に前記の電子ビーム照射位置の時刻ごとの座標の入力操作をマニュアルで行うことで、ハース３内に保持された溶融金属１２の照射位置、即ち、平面座標を図示しない電子ビーム照射パターン出力装置に事前に記憶させ、制御信号として出力させる。ここで、「時刻ごとの座標」とは、照射開始から所定の時間経過後において照射されるべき座標を意味する。 
　次いで、前記した電子ビームの照射領域を記憶させた後、その制御信号を電子銃制御手段に入力して稼動させて、設定した領域内に上述のように走査させつつ電子ビームを照射して、ハース３に保持された溶融金属１２を均一に加熱することができる。 
　本発明においては、ハース３の上方空間に配設した電子銃１ａの近傍にイメージセンサー２０が配設されており、前記したイメージセンサー２０にて、現に溶解している部位の温度情報に基づき高輝度部位の座標情報を得、図示しない演算手段にて、予めプログラムされたその時刻における照射されるべき座標と、実際の高輝度部位座標から別個にその差異を演算させて、現に電子ビーム２ａが照射されている領域を把握することができるという効果を奏するものである。 
　前記した温度情報に基づき得られた高輝度部位（加熱領域）の位置情報と、事前に電子銃制御手段に記憶させた位置情報を比較演算させて得られた位置情報の差異が上限を越えた場合には、電子ビームの照射位置を修正することができる。 
　その方法を図３および４を用いて具体的に説明する。図３および４において実線部分は、予めプログラムされた電子ビーム照射対象の領域である。始点３０ａより電子ビーム照射を開始し、仮に金属蒸気の干渉や外部磁場等の影響で電子ビームが変位し始め、破線で示すコースに電子ビームが照射された場合、ある時刻において、予めプログラムされた座標情報によれば電子ビームは３０ｃ（座標ｘｃ、ｙｃ）に照射されるべきところ、イメージセンサーによって検出された高輝度位置は３０ｄ（座標ｘｄ、ｙｄ）となり、両者の座標に差異が生じる。 
　この両座標が演算手段に入力され、その変位量｛（ｙｄ－ｙｃ）２＋（ｘｄ－ｘｃ）２｝１／２が演算で求められ、変位量が所定の値を超えた場合に、電子銃制御手段に対して変位のＸ成分ΔＸ＝｜ｘｄ－ｘｃ｜およびＹ成分ΔＹ＝｜ｙｄ－ｙｃ｜の情報がフィードバックされ、このＸ成分およびＹ成分だけ電子ビームの照射方向を修正して、３０ｄと３０ｃの座標の間に生じた差異を解消することができる。 
　図６に示すように、電子ビームの照射位置の修正は、両者の位置情報を入力として比較演算器１０よりそれらの差異、すなわち両座標のズレを修正するような電子ビームの照射位置制御用の信号を出力して、これを電子銃制御装置に入力して、電子ビームの照射位置を自動制御することができる。 
　図７は、図６の内容を具体的に示した電子ビーム制御システムを表している。図７に示した高解像度ＣＣＤとは、本願発明に係るイメージセンサーの好ましい一態様であり、電子銃の照射状況を撮像した結果に基づき、電子ビームの照射によって加熱されたハースまたは鋳型内プールの高輝度部位が検出できるような装置で構成することが好ましい。 
　前記装置で検出された高輝度部位により電子ビームの照射位置を検出することができる。前記照射位置情報を演算装置に入力し、電子ビームの照射目標位置および実績位置を計算からのずれを計算させて、補正信号を生成し、これを、電子ビーム照射パターン出力装置から電子銃に照射される信号に付加させることで、電子ビームの照射位置に近づけることができるという効果を奏するものである。 
　図７に示したＨは、ハースまたは鋳型内に形成されているプールの表面に照射する電子ビーム幅を意味している。前記した電子ビームの幅Ｈも電子ビーム照射信号の幅（Ｈ）として出力させることができるという効果を奏するものである。 
　なお、図７の破線で囲んだ高解像度ＣＣＤカメラと演算装置および補正信号の出力装置は、個別のユニットとして構成し既存のＥＢ照射パターン出力装置に増設する形で本願発明を実施することができる。 
　あるいは、電子ビーム照射パターン出力装置に対して初めから高解像度ＣＣＤカメラと演算装置および補正信号の出力装置に組み込む形でも本願発明を実施することができる。 
　図３および４において電子ビーム照射によって加熱された点の平面座標（ｘｄ、ｙｄ）と、本来電子ビームを照射したい点の平面座標（ｘｃ、ｙｃ）は、両者の平面座標の差異の絶対値が、所定の値以下になるように制御することを好ましい態様とするものである。 
　本発明においては、特に両者の平面座標の差異の絶対値の差異が１ｍｍ以下に制御することを好ましい態様とするものである。 
　即ち、図４の状況においてこれを定式化すると、式（１）および（２）として表現することができる。 
　　　｜ｘｄ－ｘｃ｜　＜　１ｍｍ　　…（１） 
　　　｜ｙｄ－ｙｃ｜　＜　１ｍｍ　　…（２） 
　電子ビーム２ａの照射位置は、電子銃１ａ内に装備された偏向コイル内に流す電流を制御することにより、コイルに形成される磁場を変更することで制御することができる。偏向コイルに何も入力が無い場合の電子銃からの電子ビーム照射方向を初期位置とすると、Ｘ方向の偏向コイルに電流を流すことで電子ビームの照射方向をＸ軸方向に沿って初期位置から変化させることができ、同様に、Ｙ方向の偏向コイルにＸ方向とは独立に電流を流すことで電子ビームの照射方向をＹ軸方向に沿って初期位置から変化させることができる。 
　本発明においては、上記前記平面座標（ｘｃ、ｙｃ）と平面座標（ｘｄ、ｙｄ）および（１）式および（２）式の値を演算手段で演算させ、その結果を電子銃１ａにフィードバックすることにより、ハースプール１２に対して、現に加熱すべき領域を精度よく制御することができるという効果を奏するものである。 
　本発明は、前記したようなハース３のみならず、鋳型５内に形成された溶融プール１３に対しても好適に適用することができる。その様子を図５に示す。図５に示すように、鋳型５内の電子ビームを照射すべき領域として、始点３３ａから終点３３ｂに至る領域３３、同様にして領域３４等の座標をプログラムし、上記と同様にして電子ビーム照射、高輝度部分の検出および照射位置の修正を行なうことができる。 
　また、本発明を有する機構を具備した電子ビーム溶解炉は、純チタンの溶解のみならず、チタン合金の溶解に対しても好適に適用することができるという効果を奏するものである。更に、純チタンやチタン合金以外のモリブデンや二オブ等の高融点金属に対しても好適に適用することができるという効果を奏するものである。 
　以下、実施例および比較例によって本発明をより詳細かつ具体的に説明する。 
１）電子銃の出力：４００ＫＡ 
２）ハース 
　材質：水冷銅 
　寸法：０．５ｍ（長さ）×０．３ｍ（幅） 
３）鋳型 
　材質：水冷銅 
　鋳型断面形状：丸型 
４）溶解原料：スポンジチタン、合金スクラップ 
５）イメージセンサー：高解像度ＣＣＤカメラ 
６）演算装置：ＣＣＤカメラで測定された温度情報から高輝度領域の位置情報を演算させ、次いで、電子ビームを照射すべき位置と比較し、電子ビームの照射位置の修正信号を出力する装置。 
７）電子ビーム照射位置制御装置：偏向コイルにより電子ビームの照射方向を制御する。また、加えて、演算装置から出力された修正信号に基づき、電子ビームの照射方位を制御する装置。 
［実施例１］ 
　上記した装置を使用して、ハースにスポンジチタンを供給して溶解させて溶湯となしこれを鋳型に排出させてインゴットを生成させた。上記したインゴットの生成終了後、電子ビーム溶解炉内に配設したハース壁を肉眼で観察したが、ハースが損傷されている様子は検出されなかった。 
［比較例１］ 
　本発明に係るイメージセンサーおよび電子ビーム照射位置制御装置を使用せず、電子ビームの照射位置を修正しない以外は、実施例１と同じ条件で初期プログラムのまま電子ビームを照射してインゴットを生成した。インゴットの溶製後、電子ビーム溶解炉を解体して、ハースの損傷状況を肉眼で観察したところ、１箇所に電子ビームが照射された軽微な痕跡が観察された。 
［実施例２］ 
　実施例１において、原料をスポンジチタンから合金スクラップに変更した以外を同じ条件でインゴットを溶製した。溶製されたインゴット中の合金成分の分布を調査したところ、長手方向及び半径方向のいずれも、インゴットの平均値の絶対値に対して、相対誤差で、３％～８％のばらつきに収まることが確認された。 
［比較例２］ 
　比較例１において、実施例２の原料を使用した以外は同じ条件下で合金インゴットを溶製した。溶製された合金インゴット中の長手方向を半径方向の合金成分の偏析状況を調査したところ、平均値の絶対値に対して相対誤差で、６％～１７％のばらつきが確認された。 
　本発明は、電子ビーム溶解炉において使用するハースや鋳型の寿命を延長することができ、また、均一な組成のインゴットを製造しうる装置および方法を提供するものである。 
 

Claims (7)

  1. 　溶融金属を保持するハースおよび鋳型と、 
    　前記溶融金属を溶融状態に保持する電子ビームを生成する電子銃と、 
    　電子ビームの照射位置の制御信号を前記電子銃に出力する電子ビーム照射パターン出力装置と、 
    　前記制御信号を入力して電子ビームの照射方向を制御する電子銃制御手段と 
    から構成された電子ビーム溶解炉であって、さらに、 
    　前記ハースまたは鋳型内の溶融金属表面に電子ビームが照射されて形成される高輝度部位を測定するイメージセンサーと、 
    　前記イメージセンサーで測定された高輝度部位の位置情報と溶解初期に設定された電子ビーム照射位置情報との差異を計算する演算装置と、 
    　前記演算装置で演算された差異に基づき補正出力信号を生成する出力装置と、 
    　前記補正出力信号を前記制御信号に付加させる装置を具備したことを特徴とする電子ビーム溶解炉。 
  2. 　前記イメージセンサーが、高解像度のＣＣＤカメラまたは温度センサーであることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム溶解炉。 
  3. 　溶融金属を保持するハースおよび鋳型と、前記溶融金属を溶融状態に保持する電子ビームを生成する電子銃と、電子ビームの照射位置の制御信号を前記電子銃に出力する電子ビーム照射パターン出力装置と、前記制御信号を入力して電子ビームの照射方向を制御する電子銃制御手段と、前記ハースまたは鋳型内の溶融金属表面に電子ビームが照射されて形成される高輝度部位を測定するイメージセンサーと、前記イメージセンサーで測定された高輝度部位の位置情報と溶解初期に設定された電子ビーム照射位置情報との差異を計算する演算装置と、前記演算装置で演算された差異に基づき補正出力信号を生成する出力装置と、前記補正出力信号を前記制御信号に付加させる装置を具備したことを特徴とする電子ビーム溶解炉の運転方法であって、 
    　前記イメージセンサーで測定された前記高輝度部位の位置情報と溶解初期に設定された電子ビーム照射位置情報との差異が所定値以下となるように電子ビームの照射位置を制御することを特徴とする電子ビーム溶解炉の運転方法。 
  4. 　前記照射座標と前記高輝度部位座標との差異が最小となるように電子ビームの照射位置を制御することを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム溶解炉の運転方法。 
  5. 　前記高輝度部位座標を（ｘ、ｙ）とし、前記照射座標を（Ｘ，Ｙ）とした場合、両者の平面座標のＸ座標およびＹ座標における差異の絶対値｜Ｘ－ｘ｜および｜Ｙ－ｙ｜をそれぞれ１ｍｍ以下に制御することを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム溶解炉の運転方法。 
  6. 　前記高輝度部位座標（ｘ、ｙ）と、前記照射座標（Ｘ，Ｙ）との変位量｛（Ｙ－ｙ）２＋（Ｘ－ｘ）２｝１／２を１ｍｍ以下に制御することを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム溶解炉の運転方法。 
  7. 　溶融させる金属が、チタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム溶解炉の運転方法。 
     
     
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