JP2018070993A - 電力入力に基づき真空アーク再溶解炉を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力入力に基づき真空アーク再溶解炉を制御するためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】金属用の真空アーク再溶融（ＶＡＲ）プロセスのための制御システムは、直流（ＤＣ）電源と、ラムドライブと、電圧ドリップショートセンサと、プロセッサを含むコントローラとを含む。ドリップショートセンサは、時間にわたり電気アークのドリップショート頻度を測定するように構成してもよい。コントローラは、ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の相関に基づいて、電極先端と溶融物プールの間のリアルタイムアークギャップ長を決定するように構成される。コントローラは、リアルタイムアークギャップ長に基づいて、電極へ入力する、入力電力レベルを決定することによって、ＤＣ電源による電極への電力入力を制御するようにさらに構成され、この入力電極レベルは、入力電力レベルにおいてＤＣ電源によって、所望のアークギャップ長を発生させるように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、一般的には真空アーク再溶解に関し、より詳細には真空アーク再溶解プロセスに使用される制御システムに関する。

真空アーク再溶解（ＶＡＲ：Ｖａｃｕｕｍ ａｒｃ ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ）プロセスは、２次溶解プロセスとしての金属インゴットの製造において一般的に使用されている。金属インゴットにＶＡＲプロセスを適用することによって、ＶＡＲプロセスにおいて製造される、結果として得られるインゴットの化学的および／または機械的均質性を向上させることができ、このことは、要求の厳しい工業用途において使用される金属に対して望ましい。さらに、ＶＡＲプロセス中の金属の凝固時間を、はるかに迅速にすることができるので、ＶＡＲプロセスを使用することにより、インゴット金属の微細組織特性をより高度に制御することが可能となる。一般的にＶＡＲプロセスを介して再溶解される例示的金属としては、それに限定はされないが、ニッケル、チタン、鋼、およびそのような金属または他の金属から誘導される任意の合金が挙げられる。

ＶＡＲプロセスは、真空チャンバ内で金属を再溶解するのに直流（ＤＣ）電力を使用する、ＶＡＲ炉を使用することがある。ＶＡＲ炉は、溶解チャンバと、ＤＣ電源に接続された可動ラム（ｒａｍ）とを備えることがある。再溶解しようとする金属は、可動ラムに接続された電極として、ＶＡＲプロセスを開始することができる。再溶解された金属は、溶解チャンバ内部で、水冷銅るつぼ内でインゴットとして再溶解されてもよい。溶解しようとする金属と反応することのある、酸素の含有量が無視できる雰囲気を提供するために、かつ溶解チャンバからの不純物を排除するために、ＶＡＲ炉には、真空源を備えてもよい。さらに、一部のＶＡＲ炉においては、溶解チャンバから熱を引き出すために、冷却システムが備えられる。

ＶＡＲシステムの制御は、インゴットおよび／またはるつぼの上にある、電極の端部と、再溶解中に形成された溶融物プールの間のアークギャップを制御することに基づいてもよい。ＶＡＲ実行において、比較的に一定のアークギャップを維持することによって、ＶＡＲプロセス中の一貫性のある再溶解結果をもたらすのを助けることができることが認識されている。したがって、ＶＡＲプロセスの制御は、少なくとも部分的には、アークギャップを制御することに基づいてもよい。しかしながら、プロセス自体の間にアークギャップを物理的に視認することは非実用的であるか、または不可能であることが多く、アークギャップは、よりアクセスの容易なその他のデータに基づいて決定または導出される。例えば、いくつかの制御方法は、アークの長さと、アークの抵抗（例えば、アークによって生じる電圧降下）とは相関があると決定している。

さらに、再溶解プロセス中に、再溶解中に短期間短絡（例えば、数ミリ秒）が発生することが観察されている。さらに、短絡の頻度は、アークギャップと相関があることが観察されている。そのような情報は、アークギャップを制御および／または維持するのに使用してもよい。従来の制御方法においては、アークギャップを動的に制御および／または維持するために、ラムの速度が変更されている間に、所望の溶融速度を得るように、電力入力が選択されていた。

しかしながら、電極の直径が増大するにつれて、アークギャップにおける同じ変化に対して、溶解される必要のある金属の量がますます多くなることから、結果として得られるインゴットが大径（例えば、７５０ミリメートル超）であることが望ましいＶＡＲプロセスの間に、ラム速度制御が困難になり、かつ／または前記速度を制御することによるアークギャップの制御が不正確になることがある。したがって、ラム速度の調節と独立してアークギャップを制御することのできる、ＶＡＲプロセス用の改良型制御システムが望まれる。

本開示の一態様によれば、金属用真空アーク再溶解（ＶＡＲ）プロセス用の制御システムが開示される。このＶＡＲプロセスはＶＡＲ炉を使用してもよく、ＶＡＲ炉は、金属で形成されるインゴットがその中で形成されるるつぼと、その金属で形成された電極に動作可能に関連づけられたラムと、真空チャンバと、真空チャンバに関連づけられた真空源とを備える。このシステムは、直流（ＤＣ）電源と、ラムドライブ（ｒａｍ ｄｒｉｖｅ）と、ドリップショートセンサ（ｄｒｉｐ ｓｈｏｒｔ ｓｅｎｓｏｒ）と、プロセッサを含むコントローラとを備えてもよい。ＤＣ電源は、電極と動作可能に関連づけられるとともに、電極の電極先端とインゴットの溶融物プールの間に電気アークを発生させるように構成してもよい。ラムドライブは、ラムと動作可能に関連づけられるとともに、ラムを駆動するように構成してもよい。ドリップショートセンサは、時間にわたり電気アークのドリップショート頻度を測定するように構成してもよい。コントローラは、ＤＣ電源と、ラムドライブと、ドリップショートセンサとに動作可能に関連づけられるとともに、ラム制御モジュールを使用してラムのラム速度を制御するように構成してもよく、ラム制御モジュールは、電極に対する所望の溶融速度を達成するように構成された、ＶＡＲプロセスのためのラム速度を決定して、ラム速度に基づきラムを駆動するための命令をラムドライブに与える。コントローラは、ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の相関に基づいてリアルタイムアークギャップ長を決定するギャップ決定モジュールを使用してドリップショートセンサによって測定される上記時間にわたるドリップショート頻度を使用して、電極先端と溶融物プールの間のリアルタイムアークギャップ長を決定するようにさらに構成してもよい。コントローラは、電力制御モジュールを使用して、ＤＣ電源による電極への電力入力を制御するようにさらに構成してもよく、電力制御モジュールは、リアルタイムアークギャップ長に基づいて電極への入力電力レベルを決定するように構成され、入力電力レベルは、入力電力レベルにおいて、ＤＣ電源によって、電力が伝達されると、電極先端と溶融物プールの間に所望のアークギャップ長を発生させるように構成される。

本開示の別の態様によれば、ＶＡＲプロセスを制御する方法が開示される。ＶＡＲプロセスはＶＡＲ炉を使用してもよく、ＶＡＲ炉は、金属で形成されるインゴットがその中で形成されるるつぼと、金属で形成された電極に動作可能に関連づけられたラムと、真空チャンバと、真空チャンバに関連づけられた真空源とを備えてもよい。方法は、電極と動作可能に関連づけられた直流（ＤＣ）電源を使用して、電極の電極先端とインゴットの溶融物プールの間に電気アークを発生させるステップと、ラムと動作可能に関連づけられたラムドライブを使用して、電極に対する所望の溶融速度を達成するように構成されたラム速度で、ラムを駆動するステップと、ドリップショートセンサを使用して、時間にわたり電気アークのドリップショート頻度を決定するステップとを含んでもよい。方法は、ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の相関に基づいて、時間にわたるドリップショート頻度を使用して、電極先端と溶融物プールの間のリアルタイムアークギャップ長を決定するステップをさらに含んでもよい。方法は、リアルタイムアークギャップ長に基づいて電極への入力電力レベルを決定するステップであって、入力電力レベルは、入力電力レベルにおいて、ＤＣ電源によって、電力が伝達されると電極先端と溶融物プールの間に所望のアークギャップ長を発生させるように構成されている、決定するステップと、入力電力レベルに基づいて、ＤＣ電源により電極に入力される電力を制御するステップとをさらに含んでもよい。

本開示のさらに別の態様によれば、ＶＡＲプロセスを実行するためのＶＡＲ炉が開示される。ＶＡＲ炉は、金属で形成されるインゴットがその中で形成されるるつぼと、金属で形成された電極に動作可能に関連づけられたラムと、真空チャンバと、真空チャンバに関連づけられた真空源とを備えてもよい。ＶＡＲ炉は、直流（ＤＣ）電源と、ラムドライブと、ドリップショートセンサと、プロセッサを含むコントローラとを備えてもよい。ＤＣ電源は、電極と動作可能に関連づけられるとともに、電極の電極先端とインゴットの溶融物プールの間に電気アークを発生させるように構成してもよい。ラムドライブは、ラムと動作可能に関連づけられるとともに、ラムを駆動するように構成してもよい。ドリップショートセンサは、時間にわたり電気アークのドリップショート頻度を測定するように構成してもよい。コントローラは、ＤＣ電源と、ラムドライブと、ドリップショートセンサとに動作可能に関連づけられるとともに、電極に対する所望の溶融速度を達成するように構成された、ＶＡＲプロセスのためのラム速度を決定して、ラム速度に基づいてラムを駆動するための命令をラムドライブに与えることによって、ラムの速度を制御するように構成してもよい。コントローラは、ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の相関に基づいてリアルタイムアークギャップ長を決定することによってドリップショートセンサによって測定される上記の時間にわたるドリップショート頻度を使用して、電極先端と溶融物プールの間のリアルタイムアークギャップ長を決定するようにさらに構成してもよい。コントローラは、リアルタイムアークギャップ長に基づいて電極への入力電力レベルを決定することによって、ＤＣ電源による電極への電力入力を制御するようにさらに構成してもよく、ここで入力電力レベルは、入力電力レベルにおいて、ＤＣ電源によって、電力が伝達されると電極先端と溶融物プールの間に所望のアークギャップ長を発生させるように構成される。

本開示の、これらおよびその他の態様と特徴は、添付の図面を合わせて読めば、より良く理解されるであろう。

本開示の実施形態による、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）炉および関連する制御システムの要素の概略図である。 図１と本開示とによる、アークギャップ内に配置された電気アークを示す、図１のＶＡＲ炉の電極とインゴットの間の、アークギャップの拡大図である。 図１および２と本開示の実施形態とによる、図１のＶＡＲ炉を使用するＶＡＲプロセスを制御するためのシステムの概略ブロック図である。 本開示の実施形態による、ＶＡＲ炉を使用するＶＡＲプロセスを制御するための方法を示す、例示的フローチャートである。

以下の詳細な説明は、特定の説明のための実施形態について述べられるが、図面は必ずしも実際の縮尺ではなく、開示の実施形態は、概略的に、部分図で示されていることがあることを理解されたい。さらに、場合によっては、開示の主題の理解には必要ではない、または理解するのが難しすぎるその他の細目を伴う、詳細は省略されていることがある。したがって、本開示は、本明細書において開示され図解された特定の実施形態に限定はされず、全開示および特許請求の範囲、ならびにその均等物についての公平な解釈に限定されることを理解すべきである。

次に図面に移り、具体的には図１を参照すると、例示的真空アーク再溶解（ＶＡＲ）炉１０が概略的に図示されている。ＶＡＲ炉１０は、ＶＡＲ炉１０の溶解チャンバ１４内で、金属で構成された電極１２を溶解させることによって、その金属を再溶解するように構成してもよい。溶解チャンバ１４内部で、電極１２は、るつぼ１６内部に配置してもよい。例によっては、銅は所望の熱的特性および／または電気伝導特性をもたらすことができるので、るつぼ１６は銅で形成してもよいが、るつぼ１６は、銅で形成されることに限定されるものではなく、ＶＡＲプロセスに対して、所望の熱的特性および／または電気伝導性をもたらす任意の材料で形成してもよい。

例によっては、るつぼ１６は、例えば、冷却システム２０によって冷却してもよい。冷却システム２０は、例えば、１つまたは複数の冷却剤チャネル２４を介して、るつぼ１６中に冷却剤流体を投入する、冷却剤源２２を備えてもよい。冷却剤は冷却剤出口２６を介して、るつぼ１６から出ることができ、そこで、冷却剤を廃棄するか、または冷却剤源２２を介して、冷却剤として、るつぼ１６に再び入れることができるように、冷やしてもよい。冷却剤は、例えば、水または水ベース冷却剤とすることができるが、冷却剤は、水または水ベース冷却剤であることにもちろん限定はされず、ＶＡＲプロセスにおける使用の前、その間、および／またはその後に、るつぼ１６を冷却するように構成された適切な任意の冷却剤とすることができる。

ＶＡＲ炉１０内に、るつぼ１６に対して電極１２を配置するために、ＶＡＲ炉１０には、電極１２と動作可能に関連づけられた、ラム２８をさらに備えてもよい。ラム２８および電極１２は、ＶＡＲ炉１０の真空チャンバ３０内部を移動することができる。真空チャンバ３０は、真空チャンバ３０および溶解チャンバ１４内部で真空の密封をもたらすために、不純物および／または環境制約を排除してもよい。真空チャンバ３０を真空にするために、真空源３２を備えてもよい。ラム２８および、それと連動して、電極１２を移動させる目的で、るつぼ１６に対して電極１２を配置するために、ラムドライブ３４を備えてもよい。ラムドライブ３４は、ラム２８を介して電極１２を配置するために用いることのできる、当該技術において知られている任意好適な駆動機構としてもよい。例えば、ラムドライブ３４としては、もちろんそれに限定はされないが、サーボモータ、ギア減速ドライブ、任意既知のモータ、ソレノイドバルブピストンドライブ、水圧ドライブ、またはそれらの任意の組合せを挙げることができる。

ラムドライブ３４を使用して、インゴット３８の溶融物プール３６に対して、電極１２を配置してもよく、ここで、インゴット３８は、るつぼ１６内部の電極１２の金属の再溶解物である。ＶＡＲ炉１０の動作中に、電源４０は、ラム２８および電極１２を介して、比較的、低電圧で高アンペアの電流を通すことができる。例によっては、そのような電流は、約２０−３０ボルトの比較的低い電圧を有するのに対して、例えば、１キロアンペア以上の比較的に高アンペアの電流を有する。電流が電極１２へと流れるときに、電極１２の先端４４とインゴット３８の溶融物プール３６の間に、電気アーク４２が生成される。電気アーク４２は、図２の拡大図に示されている。電流を電極１２に流して電気アーク４２を発生させることによって、溶融物プール３６中への、ゆっくりとした電極１２の溶解を起こさせることができる。

そのようなゆっくりとした溶解は、真空チャンバ３０および／または溶解チャンバ１４の真空密封された環境内に封じ込めることができる。電極１２に流された電流は、負電圧としてもよく、これに対してインゴット３８および、したがって、その溶融物プール３６は、接地電位に保持してもよい。例によっては、インゴット３８の温度は、冷却システム２０によって、したがって、インゴット３８を冷却することによって、制御してもよく、インゴット３８の冷却部分が固体のままである間、限定された溶融物プール３６を維持してもよい。

流された電流によって、電極１２から金属が溶け落とされるので、溶け落ちた金属は、次いで、インゴット３８上に堆積される。したがって、溶解によって、電極１２から溶け落ちた材料は、インゴット３８に追加された材料に比例する。しかしながら、電極１２の直径は、通常、るつぼ１６、したがってインゴット３８の直径よりも小さいので、ラム２８は、インゴット３８の成長速度を超える速度で、電極１２をインゴット３８に向かって駆動することができる。

ラムドライブ３４は、再溶解が発生するときに、インゴット３８に向かってラム２８を駆動するように構成される。再溶解中に、アークギャップ４６が形成され、これは、電極１２の先端４４とインゴット３８の溶融物プール３６の間のギャップとして定義することができる。アークギャップ４６は、最適性能のためには、ＶＡＲプロセスを通して、比較的一貫して維持されなくてはならない。

しかしながら、ＶＡＲ炉１０を使用するＶＡＲプロセス中にアークギャップ４６を物理的に視認することは非実用的または不可能であることがあり、したがって、アークギャップ４６は、よりアクセスが可能である、その他のデータに基づいて決定または導出してもよい。例えば、アークギャップ４６の説明におけるように、アークギャップ４６の決定は、電気アーク４２によって引き起こされる、ドリップショートおよび／またはドリップショート頻度と、アーク長との相関に基づいてもよい。電気アーク４２によって引き起こされるドリップショート頻度は、ドリップショートセンサ４８を使用することによって決定してもよく、このドリップショートセンサ４８は、当該技術において知られている、電気アーク４２によって引き起こされるドリップショート頻度を決定することのできる任意のセンサとすることができる。ドリップショートセンサ４８としては、電極アーク４２の両端間の電圧、電気アーク４２の両端間の電流、電気アーク４２の両端間の抵抗、および／または電気アーク４２によって引き起こされる、ある時間にわたる、ドリップショート頻度を決定するのに有用である、電気アーク４２および／またはアークギャップ４６に関連するその他任意のデータ、を決定することのできる１つまたは複数のセンサを挙げることができる。例によっては、ドリップショートセンサ４８は、電気アーク４２の電圧測定値に基づいてドリップショートを決定してもよい。追加的または代替的に、そのような電圧測定値は、ドリップショートセンサ４８によってコントローラ５２に提供されてもよく、この場合には、コントローラ５２は、次いで、電気アーク４２のドリップショート頻度を決定する。ドリップショートセンサ４８は、図３に概略的に図示され、以下により詳細に説明される、ＶＡＲ炉１０のＶＡＲプロセスを制御するように構成された、コントローラ５２を含む、制御システム５０の一部として、またはそれと合わせて使用してもよい。

システム５０は、少なくともプロセッサ５４を含む、コントローラ５２を備えてもよい。コントローラ５２は、オペレーションを実施し、制御アルゴリズムを実行し、データを記憶し、データを引き出し、データを収集し、かつ／または所望のその他任意のコンピューティングタスクまたは制御タスクを実行するように動作するプロセッサを含む、任意の電子コントローラまたはコンピューティングシステムとしてもよい。コントローラ５２は、単独のコントローラとするか、またはラムドライブ３４、電源４０、ドリップショートセンサ４８、および任意選択で、出力デバイス５６および／または入力デバイス５８の１つまたは複数と相互作用するように配置された、２つ以上のコントローラを備えてもよい。入力デバイス５８は、例えば、キーボード、マウス、タッチスクリーン、トラックパッド、トラックボール、および／または音声認識システムによって実現することができる。例えば、入力デバイス５８としては、コントローラ５２へ入力データを接続する、任意の有線デバイスまたは無線デバイスを挙げることができる。出力デバイス２８は、音声出力デバイス、視覚出力デバイス、タクタイル出力デバイス、またはそれらの任意の組合せの１つまたは複数を備えてもよい。

コントローラ５２の機能性は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアに実装してもよく、また１つまたは複数のデータマップに依存してもよい。この目的で、コントローラ５２には、メモリ６０を含めるか、またはそれと関連づけてもよく、それは、データベースまたはサーバのような、内部メモリおよび外部メモリの一方または両方としてもよい。メモリ６０は、それに限定はされないが、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ポータブルメモリ、その他の内の１つまたは複数を含めてもよい。そのようなメモリ媒体は、非一時的メモリ媒体の例である。

ＶＡＲ炉１０のＶＡＲプロセス中のラム２８のラム速度を制御するために、コントローラ５２は、ラム制御モジュール６２を実行してもよい。ラム制御モジュール６２は、プロセッサ５４によって実行されるとともに、例えば、メモリ６０に記憶される、マシン可読命令としてもよい。ラム制御モジュール６２は、現在のＶＡＲプロセスに対して必要なラム速度を決定することができる。例によっては、ラム速度は、ＶＡＲプロセス中の、電極１２に対する、所望の溶融速度に基づいてもよい。例えば、ラム速度は、ラム制御モジュール６２によって、動的に変更して、電極１２の溶融速度を変化させて、所望の溶融速度を達成してもよい。

決定されたラム速度に基づいて、ラム制御モジュール６２は、ラム速度命令をラムドライブ３４に与えることによって、ラム２８のラム速度を制御してもよい。例によっては、ラムドライブ３４は、ラム速度命令に基づいて、ラム２８を配置および／または移動させる、アクチュエータ６４を駆動することができる。

ＶＡＲ炉１０のＶＡＲプロセス中の現在のアークギャップ４６を決定および／または推定するために、コントローラ５２は、ギャップ決定モジュール６６を実行してもよい。ギャップ決定モジュール６６は、ドリップショートセンサ４８からの入力を受け入れてもよい。ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の既知の相関を使用して、ギャップ決定モジュール６６は、アークギャップ４６のリアルタイムの長さを決定してもよい。例によっては、ギャップ決定モジュール６６は、アークギャップ長と、例によっては、アーク４２の電圧測定から決定することのできる、ドリップショート頻度との相関に基づいて、リアルタイムアークギャップ長を決定してもよい。

電極１２の金属が電極１２からインゴット３８へと移動されると、図２に示されるカラム（ｃｏｌｕｍｎ）６８のような、溶融金属カラムの形成および破断が、アークギャップ４６内部に形成される。そのようなカラムは、ドリップショートを引き起こす、電極１２とインゴット３８の間の低抵抗ブリッジを形成する。ドリップショートによって、電気アーク４２が、一時的に消されることがあり、このことは、アーク電圧における降下を生じ、これが、ドリップショートセンサ４８によって監視される。そのような電圧の降下を、ある時間にわたって監視して、ＶＡＲプロセスに対するドリップショート頻度を決定してもよい。当該技術において知られているように、ドリップショート頻度とアークギャップ長は、密接に相関しており、したがって、そのような相関に基づいて、ギャップ決定モジュール６６は、アークギャップ４６に対するリアルタイムの長さを決定してもよい。

リアルタイムアークギャップ長は、電極１２への電力レベル入力を制御および／または変更するために、電力制御モジュール７０によって使用されてもよい。電力制御モジュール７０はベース電力レベルで動作してもよく、このベース電力レベルは、所与のＶＡＲプロセスに対する所定の電力レベルに基づき、メモリ６０に記憶されるか、または入力デバイス５８から入力してもよい。ギャップ決定モジュール６６から受け取ったリアルタイムアークギャップ長が、リアルタイムアークギャップ長が、現在のＶＡＲプロセスに対する所望のアークギャップ長と異なることを示す場合には、電極制御モジュール７０は、ベース電力レベルに対して、電極１２への電力入力を変更してもよい。リアルタイムアークギャップ長が、所望のアークギャップ長と異なる場合には、電力制御モジュールは、電力源４０に命令を与えて、電力レベルを増大または低下させて、それによって、アークギャップ４６のアークギャップ長を低下、または増大させてもよい。例えば、リアルタイムアークギャップ長が、所望のアークギャップ長に関して、小さすぎると決定される場合には、電力制御モジュール７０は、電力源４０による電極１２への電力入力を増大させて、これによって、時間について、より大量の金属が電極１２から溶け落とされ、より多くの金属をより迅速に溶解させることから、所望のアークギャップ長に合致させるために、アークギャップ長が増大させることができる。代替的に、現行アークギャップが、所望のアークギャップ長に関して、大きすぎると決定される場合には、電力制御モジュール７０は、電源４０による電極１２への電力レベル入力を低下させて、これによって、時間について、より少ない金属が電極１２から溶け落とされ、ある時間にわたってより少ない金属を溶解させることから、所望のアークギャップ長に合致するように、アークギャップ長が減少させることができる。

最適な冶金学的特性を有するインゴット３８を適正に形成するために、制御システム５０を、ＶＡＲ炉１０と合わせて使用してもよい。システム５０は、ＶＡＲ炉１０を使用するＶＡＲプロセスを制御するための方法１００に加えて、またはそれと合わせて、使用してもよい。方法１００は、図４のフローチャートによって例示されている。以下に提示する方法１００の説明は、システム５０およびＶＡＲ炉１０の要素を参照するが、方法１００は、代替的要素を使用して実行してもよく、システム５０および／またはその構成要素を介しての実行に限定されるとは理解すべきではない。

方法１００は、ブロック１１０に示すように、電源４０を使用して、電極先端４４と溶融物プール３６の間に電気アーク４２を発生させることによって開始することができる。例えば、ラムドライブ３４を使用することによって、ブロック１２０に示すように、ラムをラム速度で駆動してもよい。ラム速度は、上記で考察したように、電極１２に対して、所望の溶融速度を達成するように構成されている。方法１００は、ブロック１３０に示すように、ドリップショートセンサ４８を使用して、ある時間にわたって、電気アーク４２のドリップショート頻度を決定するステップをさらに含んでもよい。

少なくとも、ドリップショート頻度に基づいて、方法１００は、ブロック１５０に示すように、ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の相関に基づいて、電極先端４４と溶融物プール３６の間のリアルタイムアークギャップ長を決定してもよい。

方法１００は、ブロック１６０に示すように、リアルタイムアークギャップ長に基づいて、電極１２への入力電圧レベルを決定するステップを含んでもよく、ここで入力電力レベルは、入力電力レベルにおいて、電源４０によって、電力が伝達されると電極先端４４と溶融物プール３６の間の所望のアークギャップ長を発生するように構成されている。例によっては、リアルタイムアークギャップ長に基づいて電極１２への入力電力レベルを決定するステップには、リアルタイムアークギャップ長が所望のアークギャップ長よりも大きい場合には、電源４０の電力の減少を決定することを含めてもよい。追加的または代替的に、リアルタイムアークギャップ長に基づいて電極１２への入力電力レベルを決定するステップには、リアルタイムアークギャップ長が所望のアークギャップ長よりも小さい場合には、電源４０の電力の増加を決定することを含めてもよい。入力電力レベルに基づいて、方法１００は、ブロック１７０に示すように、電源４０を使用して、電極１２への電力入力を制御してもよい。

一般に、前述の開示は、それに限定はされないが、冶金学的精製、および特に再溶解プロセスを使用するインゴット製造を含む、様々な産業における有用性がある。本明細書において開示されたシステムおよび方法を使用することによって、金属のより高い純度および／または構造的完全性を、ＶＡＲプロセス中に達成することができる。さらに、本明細書において開示された電力ベースアークギャップ制御システムおよび方法を使用することによって、大径のインゴットを製造するための、大内径のるつぼを有するＶＡＲ炉を使用するときに、アークギャップの適正な制御を達成することができる。

例えば、図１に示されるように、るつぼ１６は、るつぼ内で製造されるインゴット３８の直径に相関する、内径７２を有してもよい。例によっては、内径７２は、７５０ミリメートルより大きいことがある。そのような例においては、内径７２は、１０００から１１００ミリメートルの範囲としてもよい。そのような大きい直径を有するインゴットを作成するためにＶＡＲプロセスが実行されるときには、アークギャップ４６を補正および／または維持するためにラム速度を制御することは、非実用的または困難な場合がある。したがって、ラム速度を変更することによってアークギャップを補正する従来式制御システムは、製造されるインゴットがそのように大きいサイズである、ＶＡＲプロセス中のアークギャップを制御するのには適当でないことがある。したがって、本明細書に開示されたシステムおよび方法は、ラム速度を変更するのではなく、またはそれに加えて、電源４０による電力入力に基づきアークギャップを制御することによって、アークギャップ、したがってＶＡＲプロセス自体のより高度な制御を提供する。

本開示は、真空アーク再溶解制御システム、ＶＡＲ制御方法、ＶＡＲ炉、および、より具体的には、電力入力に基づいてアークギャップを制御するように構成された、ＶＡＲ制御システムおよび方法を提供することが理解されるであろう。特定の実施形態だけが記載されたが、当業者には、上記の説明からの変更形態および修正形態が明白であろう。これらおよびその他の代替案は均等物であるとともに、この開示および添付の特許請求の範囲の趣旨と範囲に含まれるものとみなされる。

１０ ＶＡＲ炉
１２ 電極
１４ 溶解チャンバ
１６ るつぼ
２０ 冷却システム
２２ 冷却剤源
２４ 冷却剤チャネル
２６ 冷却剤出口
３０ 真空チャンバ
３２ 真空源
３４ ラムドライブ
３６ 溶融物プール
３８ インゴット
４０ 電源
４２ 電気アーク
４４ 先端
４６ アークギャップ
４８ ドリップショートセンサ
５０ 制御システム
５２ コントローラ
５４ プロセッサ
５８ 入力デバイス
６０ メモリ
６２ ラム制御モジュール
６４ アクチュエータ
６６ ギャップ決定モジュール
６８ カラム
７０ 電力制御モジュール
７２ 内径

Claims (14)

1. 金属用真空アーク再溶解（ＶＡＲ）プロセスのための制御システムであって、
   ＶＡＲプロセスはＶＡＲ炉を使用し、ＶＡＲ炉は、金属で形成されるインゴットがその中で形成されるるつぼと、金属で形成された電極に動作可能に関連づけられたラムと、真空チャンバと、真空チャンバに関連づけられた真空源とを含み、システムは、
   電極と動作可能に関連づけられるとともに、電極の電極先端とインゴットの溶融物プールの間に電気アークを発生させるように構成された直流（ＤＣ）電源と、
   ラムと動作可能に関連づけられるとともに、ラムを駆動するように構成されたラムドライブと、
   時間にわたり電気アークのドリップショート頻度を測定するように構成されたドリップショートセンサと、
   プロセッサを含み、ＤＣ電源、ラムドライブ、およびドリップショートセンサに動作可能に関連づけられたコントローラと
   を備え、コントローラは、
   ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の相関に基づいてリアルタイムアークギャップ長を決定するギャップ決定モジュールを使用してドリップショートセンサによって測定される時間にわたるドリップショート頻度を使用して、電極先端と溶融物プールの間のリアルタイムアークギャップ長を決定すること、
   電極に対する所望の溶融速度を達成するように構成された、ＶＡＲプロセスのためのラム速度を決定し、ラム速度に基づいてラムを駆動するために命令をラムドライブに与えるラム制御モジュールを使用して、ラムのラム速度を制御すること、および
   リアルタイムアークギャップ長に基づいて電極への入力電力レベルを決定するように構成された電力制御モジュールを使用して、ＤＣ電源による電極への電力入力を制御することであって、入力電力レベルは、入力電力レベルにおいて、ＤＣ電源によって、電力が伝達されると電極先端と溶融物プールの間に所望のアークギャップ長を発生させるように構成されている、制御すること
   を行うように構成された、制御システム。
2. リアルタイムアークギャップ長が所望のアークギャップ長よりも大きい場合には、電力制御モジュールが、ＤＣ電源の電力を低下させるように構成されている、請求項１に記載の制御システム。
3. リアルタイムアークギャップ長が所望のアークギャップ長よりも小さい場合には、電力制御モジュールが、ＤＣ電源の電力を増大させるように構成されている、請求項１に記載の制御システム。
4. るつぼの内径がインゴットのインゴット直径に対応し、内径が７５０ミリメートル以上である、請求項１に記載の制御システム。
5. るつぼの内径がインゴットのインゴット直径に対応し、内径が１０００から１１００ミリメートルの範囲内である、請求項１に記載の制御システム。
6. 真空アーク再溶解（ＶＡＲ）プロセスを制御する方法であって、ＶＡＲプロセスはＶＡＲ炉を使用し、ＶＡＲ炉は、金属で形成されるインゴットがその中で形成されるるつぼと、金属で形成された電極に動作可能に関連づけられたラムと、真空チャンバと、真空チャンバに関連づけられた真空源とを備え、方法は、
   電極と動作可能に関連づけられた直流（ＤＣ）電源を使用して、電極の電極先端とインゴットの溶融物プールの間に電気アークを発生させるステップと、
   ラムと動作可能に関連づけられたラムドライブを使用して、電極に対する所望の溶融速度を達成するように構成されたラム速度で、ラムを駆動するステップと、
   ドリップショートセンサを使用して、時間にわたり電気アークのドリップショート頻度を決定するステップと、
   ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の相関に基づいて、時間にわたるドリップショート頻度を使用して、電極先端と溶融物プールの間のリアルタイムアークギャップ長を決定するステップと、
   リアルタイムアークギャップ長に基づいて電極への入力電力レベルを決定するステップであって、入力電力レベルは、入力電力レベルにおいて、ＤＣ電源によって、電力が伝達されると電極先端と溶融物プールの間に所望のアークギャップ長を発生させるように構成されている、決定するステップと、
   入力電力レベルに基づいて、ＤＣ電源により電極に入力される電力を制御するステップと
   を含む、方法。
7. 現在のアークギャップ長に基づいて電極への入力電力レベルを決定するステップが、リアルタイムアークギャップ長が所望のアークギャップ長よりも大きい場合には、ＤＣ電源の電力の減少を決定することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 現在のアークギャップ長に基づいて電極への入力電力レベルを決定するステップが、リアルタイムアークギャップ長が所望のアークギャップ長よりも小さい場合には、ＤＣ電源の電力の増加を決定することを含む、請求項６に記載の方法。
9. 金属用ＶＡＲプロセスを実施するための真空アーク再溶解（ＶＡＲ）炉であって、
   金属で形成されるインゴットがその中で形成されるるつぼと、
   金属で形成された電極に動作可能に関連づけられたラムと、
   真空チャンバと、
   真空チャンバに関連づけられた真空源と、
   電極と動作可能に関連づけられるとともに、電極の電極先端とインゴットの溶融物プールの間に電気アークを発生させるように構成された直流（ＤＣ）電源と、
   ラムと動作可能に関連づけられるとともに、ラムを駆動するように構成されたラムドライブと、
   時間にわたり電気アークのドリップショート頻度を測定するように構成されたドリップショートセンサと、
   プロセッサを含み、ＤＣ電源、ラムドライブ、およびドリップショートセンサと動作可能に関連づけられたコントローラと
   を備え、コントローラは、
   ドリップショート頻度とアークギャップ長の間の相関に基づいて、リアルタイムアークギャップ長を決定することによって、ドリップショートセンサによって測定される時間にわたる電気アークのドリップショート頻度を使用して、電極先端と溶融物プールの間のリアルタイムアークギャップ長を決定すること、
   電極に対する所望の溶融速度を達成するように構成された、ＶＡＲプロセスのためのラム速度を決定すること、およびラム速度に基づいてラムを駆動するために命令をラムドライブに与えることによって、ラムのラム速度を制御すること、および
   リアルタイムアークギャップ長に基づいて電極への入力電力レベルを決定することによって、ＤＣ電源による電極への電力入力を制御することであって、入力電力レベルは、入力電力レベルにおいて、ＤＣ電源によって、電力が伝達されると電極先端と溶融物プールの間に所望のアークギャップ長を発生させるように構成されている、制御すること
   を行うように構成された、ＶＡＲ炉。
10. ＶＡＲプロセス中にるつぼ内のインゴットを冷却するように構成された冷却システムをさらに備える、請求項９に記載のＶＡＲ炉。
11. るつぼの内径がインゴットのインゴット直径に対応し、内径が７５０ミリメートル以上である、請求項９に記載のＶＡＲ炉。
12. るつぼの内径がインゴットのインゴット直径に対応し、内径が１０００から１１００ミリメートルの範囲内である、請求項９に記載のＶＡＲ炉。
13. コントローラによって電力入力を制御することが、現在のアークギャップ長が所望のアークギャップ長よりも大きい場合には、ＤＣ電源の電力を減少させることを含む、請求項９に記載のＶＡＲ炉。
14. コントローラによって電力入力を制御することが、現在のアークギャップ長が所望のアークギャップ長よりも小さい場合には、ＤＣ電源の電力を増加させることを含む、請求項９に記載のＶＡＲ炉。

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