JP2018536085A - 炉式溶鉱炉などの溶融物制御のためのレーザセンサ - Google Patents
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Abstract
溶鉱炉システム内の溶融炉、精製炉、タンディシュ、および/または鋳造金型のうちの1つまたはそれを上回るもの内の鋳塊および/または溶融材料の溶融物レベルを感知するためのシステムおよび方法。1つまたはそれを上回るレーザ溶融物高度システムが、閉鎖型溶鉱炉チャンバ内の1つまたはそれを上回る溶鉱炉システム容器の溶融物レベルを測定し、それによって、全体的溶融、精製、鋳造、および/または粉末化プロセスを調整するための制御情報を提供するように構成および配向される。
Description
(関連出願の相互参照)
本願は、2015年9月15日に出願され“LASER SENSOR FOR MELT CONTROL OF HEARTH FURNACES AND THE LIKE ”と題された米国仮出願第62/218,699号の利益を主張するものであり、該米国仮出願の全体は、参照により本明細書中に援用される。
本願は、2015年9月15日に出願され“LASER SENSOR FOR MELT CONTROL OF HEARTH FURNACES AND THE LIKE ”と題された米国仮出願第62/218,699号の利益を主張するものであり、該米国仮出願の全体は、参照により本明細書中に援用される。
業界では、鋳塊鋳造のための真空冶金溶融および冶金材料のガス粉末化等の用途は、全体的溶鉱炉システムの一部である、タンディシュ、るつぼ、炉(例えば、溶融炉、精製炉等)、金型、および他のそのような容器内の材料のレベル、量、および/または体積に著しく依存する。溶鉱炉システム容器への材料の添加または除去のレートは、制御または変動されることができるが、容器内の材料、特に、溶融材料のレベルは、適用プロセスの間、ある点またはある範囲の位置に維持される必要がある。ビデオシステムを用いた視覚的検査等の溶鉱炉システム容器内の材料のレベルを監視する既存のアプローチは、溶鉱炉システムの構造的制約および環境条件によって限定される。
したがって、本業界では、溶鉱炉システムの容器内の溶融材料等の材料のレベルの監視および判定を補助するための方法およびシステムの必要がある。
本開示の発明は、レーザセンサ、特に、レーザ溶融物高度センサシステムの使用を通して溶鉱炉システム容器内の材料のレベルを判定するためのシステムおよび方法を説明する。上部開放型溶鉱炉システム容器に向かって配向されるレーザの出力結合器とともに位置付けられる、レーザ溶融物高度センサシステムは、汎用または特殊視認ポートガラスを通して、シールされたチャンバの中にレーザビームを放出し、表面とインターフェースをとることができる。制御される大気を伴う真空溶融物チャンバ等のシールされたチャンバ内の着目表面は、シールされたチャンバの内側の溶鉱炉システム容器内の溶融表面および/または鋳塊表面である。レーザ溶融物高度センサシステムは、着目表面から反射したレーザ信号を検出し、それによって、レーザエミッタから表面までの距離を判定し、したがって、所与の溶鉱炉システム容器内の材料の高度を計算することができる。
いくつかの実施形態では、本開示は、視認ポートを有する、真空チャンバと、溶融るつぼと、溶融材料を溶融るつぼから受容するように構成される、タンディシュと、ガス粉末器と、レーザビームを放出し、レーザ信号を受信し、タンディシュ内の溶融材料のレベルを判定するように構成される、レーザ溶融物高度センサシステムとを有する、ガス粉末化システムを対象とする。本システムのいくつかの側面では、タンディシュは、視認ポートの下方に位置付けられることができ、レーザ溶融物高度センサシステムは、真空チャンバの外側において、タンディシュおよび視認ポートの上方に位置付けられることができる。本システムはさらに、レーザ溶融物高度センサシステムおよび溶融るつぼに電子的に結合され、レーザ溶融物高度センサシステムによって受信されたレーザ信号に基づいて、溶融るつぼが溶融材料をタンディシュに提供するレートを制御するように構成される、コントローラを有することができる。本システムはまた、レーザビームをガス粉末化プロセスを促進する環境を有する真空チャンバの中に伝送するように構成される、層状ガラス構造から形成される、視認ポートを有することができる。
他の実施形態では、本開示は、1つまたはそれを上回る視認ポートを有する、真空チャンバと、材料供給部と、原材料を材料供給部から受容し、原材料を溶融材料にするように構成され、一次加熱ユニットと動作可能に結合される、溶融炉と、1つまたはそれを上回る精製炉であって、それぞれ、溶融材料を溶融炉から受容するように構成され、それぞれ、それぞれ1つまたはそれを上回る二次加熱ユニットと動作可能に結合される、精製炉と、溶融材料を1つまたはそれを上回る精製炉から受容するように構成される、上部開放および底部開放型鋳造金型と、レーザ溶融物高度センサシステムのセットであって、それぞれ、レーザビームを放出し、レーザ信号を受信するように構成され、溶融炉内の溶融材料、1つまたはそれを上回る精製炉、および鋳造金型のレベルを判定するように配列される、レーザ溶融物高度センサシステムのセットとを有する、真空溶融システムを対象とする。本システムのいくつかの側面では、溶融炉、1つまたはそれを上回る精製炉、および鋳造金型はそれぞれ、別々の視認ポートの下方に位置付けられることができ、別々のレーザ溶融物高度センサシステムは、真空チャンバの外側において、溶融炉、1つまたはそれを上回る精製炉、および鋳造金型のそれぞれの上方に位置付けられることができる。いくつかの実施形態では、一次加熱ユニットおよび1つまたはそれを上回る二次加熱ユニットは、電子ビームガンであって、1つまたはそれを上回る視認ポートは、レーザビームを電子ビームガンを伴う環境を有する真空チャンバの中に伝送するように構成される、層状ガラス構造から形成される。他の実施形態では、一次加熱ユニットおよび1つまたはそれを上回る二次加熱ユニットは、プラズマアークトーチであって、1つまたはそれを上回る視認ポートは、レーザビームをプラズマアークトーチを伴う環境を有する真空チャンバの中に伝送するように構成される、層状ガラス構造から形成される。さらなる側面では、本システムはさらに、レーザ溶融物高度センサシステムのセット、材料供給部、溶融炉、および1つまたはそれを上回る精製炉に電子的に結合される、コントローラを含むことができ、コントローラは、レーザ溶融物高度センサシステムによって受信されたレーザ信号に基づいて、溶融材料が溶融炉、1つまたはそれを上回る精製炉、および鋳造金型に提供されるレートを制御するように構成される。さらなる実施形態では、本システムはまた、鋳造金型内で形成される鋳塊の位置を制御するように構成される、鋳塊位置アクチュエータを含むことができ、コントローラはさらに、鋳塊位置アクチュエータに電子的に結合され、レーザ溶融物高度センサシステムによって受信されたレーザ信号に基づいて、本鋳塊が鋳造金型から抜去されるレートを制御するように構成される。
さらなる実施形態では、本開示は、溶融材料を溶鉱炉システム容器に提供するステップと、レーザ溶融物高度センサシステムを用いて、溶融材料にレーザビームを放出するステップと、レーザ溶融物高度センサシステムを用いて、溶融材料から反射したレーザ放出を検出するステップと、レーザ溶融物高度センサシステムによって検出されたレーザ放出に基づいて、溶融材料を提供するレートを制御するステップとを含む、溶融材料のレベルを監視するための方法を対象とする。本方法はまた、レーザ溶融物高度センサシステムによって検出されたレーザ放出に基づいて、鋳造金型からの鋳塊抜去のレートを制御するステップを含むことができる。さらに、本方法は、溶鉱炉システム容器内の溶融材料を加熱ユニットを用いて加熱するステップを含むことができる。いくつかの実装では、加熱ユニットは、任意の溶融るつぼ、電子ビームガン、またはプラズマアークトーチのうちの1つ、またはそれらの組み合わせであることができる。本方法に適用されるように、レーザビームは、パルスまたは連続モードのいずれかで放出されることができる。さらに、レーザビームは、約950nmの波長で放出されることができる。いくつかの側面では、レーザ放出は、約100Hzのサンプリングレートで検出される。
本開示の例証的側面は、付随の図面を参照して以下に詳細に説明される。
説明の目的のために、本説明全体を通して、多数の具体的詳細が、本明細書に開示される多くの実施形態の完全理解を提供するために記載される。しかしながら、多くの実施形態は、これらの具体的詳細のうちのいくつかを伴わずに実践され得ることが、当業者に明白となるであろう。他の事例では、公知の構造およびデバイスは、説明される実施形態の基礎原理を曖昧にすることを回避するために、略図または概略形態で示される。
本明細書で使用されるように、用語「溶鉱炉システム容器」は、タンディシュ、るつぼ、炉、銅炉、水冷炉、溶融炉、精製炉、金型、区画化金型、および同等物、またはそれらの組み合わせの任意またはそれぞれを指すことができる。さらに、本明細書で使用されるように、用語「溶融物レベル」および「溶融物高度」は、溶鉱炉システム容器内の溶融材料のレベルまたは高度を指すことができ、溶鉱炉システム容器は、動作に最適な標的溶融物高度(または高度範囲)を有することができる。加えて、本明細書で使用されるように、用語「金属/合金」は、「金属、金属間化合物、および/または合金」および略語形態におけるその変動を指すために使用される。
概して、炉設備は、炉内の溶融物レベル高度を直接測定することができる、センサシステムを有していない。炉内の溶融物高度のレベルを直接かつ正確に把握することは、炉溶融技術の動作効率を有意に向上させるであろう。溶鉱炉処理の間の溶融物高度の知識は、炉溶融技術が、より優れたプロセス制御および自動化を有し、生産スループットを向上させることを可能にするであろう。そのような情報はまた、情報を全体的溶鉱炉システムに結合されるプログラマブル論理コントローラ(PLC)に提供し、全低温炉システムに関する重要な動作安全性懸念である、炉越流状態を回避し得る。PLC制御プロセスに結合される、自動化された溶融物高度監視センサはまた、炉内の鋳塊の位置のフィードバック制御を可能にし、鋳塊表面仕上げおよびプロセス一貫性の利益をもたらすであろう。
故に、本開示に説明されるようなレーザ溶融物高度センサシステム(「LMHS」)は、鋳塊鋳造のための真空溶融(VM)、低温炉溶融、およびガス粉末化のためのタンディシュ溶融物レベル制御等、業界において使用される多くの溶融溶鉱炉システムに適用可能である。LMHSは、特に、電子ビーム(代替として、「eビーム」と称される)溶融またはプラズマベースの溶融(例えば、プラズマアークトーチシステム)を使用して、溶融炉、精製炉、および/または抜去式金型内の溶融材料の溶融物高度を測定する用途のために有用であり得る。LMHSは、プロセス制御に適用されることができ、るつぼ、溶融タンディシュ、溶融炉、および/または精製炉内の溶融物の高度の知識は、溶融プロセスに利益をもたらし、鋳造鋳塊の表面品質を改良し、および/またはより高い品質の製品をもたらすことができる。本発明者らの理解では、溶融物レベル測定のためのレーザベースのシステムの使用の試みは、本業界において、これまで成功または追究さえされておらず、本発明者らは、本明細書に説明されるようなLMHSに類似する任意のレーザシステムの適用を説明するいかなる技術、記事、または未公表の話さえも認知していない。
さらに、溶鉱炉システム容器内の溶融物高度の知識および制御は、機器動作安全性に有益である。機器オペレータが、例えば、精製炉内の溶融チタンの正確な溶融物高度を把握する場合、オペレータは、精製炉に結合され、溶融チタンをその中に傾注するように構成される、溶融炉内のチタンの溶融レートを制御することができる。溶融レートおよび対応する傾注レートの制御は、チタン溶融物が精製炉の側面から越流し、溢流を生じさせることを防止することができる。そのような溢流は、機器を強制的にシャットダウンさせ得、工場がある時間期間にわたって操業を停止する結果をもたらし得、かつ身体的傷害をもたらし得る。さらに、溶鉱炉システムは、溶鉱炉システム容器のいずれか内の溶融物レベルが危険な高度に到達する場合に発報される、アラームまたは他の形態のアラートを有することができる。
本明細書に開示されるようなLMHSは、レーザビームを使用して、LMHSから溶融物チャンバ内の溶融表面までの距離を判定し、それによって、溶融物チャンバ内の容器内に保持される溶融材料の高度を計算し、その距離を正確かつ精密に測定するために、溶融材料の熱放出、溶融材料の表面特性、および/または溶融物チャンバ大気/環境の分散効果を考慮可能であるように位置付けられ、設計され、そして構成される。LMHSは、2つの汎用構成要素、すなわち、レーザエミッタと、レーザ検出器とを含むことができる。LMHSは、溶融物チャンバの外部に位置することができ、レーザエミッタの出力結合器は、チャンバ視認ポートを通して可視である、上部開放型溶鉱炉システム容器に向かって配向され、レーザエミッタの光学経路は、視認ポートを通して通過するように配列される。LMHSのレーザ検出器はまた、溶鉱炉システム容器内の材料から反射し、同一チャンバ視認ポートを通して戻る、反射したレーザ信号を受信するように配列されることができる。チャンバ視認ポートは、所与の用途またはLMHSのためのレーザ信号の伝送を促進するように特別に設計または構築されることができる。LMHSに結合される自動化されたPLCは、レーザ検出器によって受信された反射したレーザ信号を使用して、対応して、溶融プロセスを調節することができる。任意の溶鉱炉システム容器内の溶融プロセスのそのような自動化された精密な制御は、関連溶鉱炉システムを用いて形成される製品における改良された一貫性につながり得る。
一般に、「真空」溶融と称されるが、VMチャンバ内の環境および大気は、実際は、用途またはプロセスのための必要に応じて、ある程度の量の大気を有することができる。概して、VMチャンバ内の大気は、制御されることができ、チャンバは、真空または事実上真空に保持される(ガスが無い)、1つまたはそれを上回る不活性ガスを含有し、制御された圧力に保持される、不活性および反応性ガスの混合物を含有し、制御された圧力に保持される、または別様にVMチャンバの外側の周囲環境と比較して閉鎖環境として制御されることができる。VMチャンバのための内部ガスおよび圧力条件の選択は、VMチャンバ内で行われるガス粉末化、電子ビーム加熱、またはプラズマベースの加熱等のプロセスに基づくことができる。VMチャンバのための内部ガスおよび圧力条件はまた、VMチャンバの内部を通して通過するレーザビームの任意の回折または分散を最小限にするように選択されることができる。
産業用ガス粉末化のための用途では、概して「溶融物」と称される、溶融金属/合金のガス粉末化レートは、タンディシュ内の溶融物レベル高度に依存する。溶融物は、溶融るつぼから受容タンディシュの中に傾注される。溶融物は、タンディシュの底部からセラミックノズルを介して粉末化ダイに排出される。溶融物流率は、タンディシュ内の溶融物レベル高度の精密な制御がガス粉末化金属粉末サイズの一貫性を改良するように、タンディシュ内の溶融物レベル(代替として、水頭高度または溶融物の最上部とも称される)に関連する。言い換えると、溶融物の定常流入を維持し、粉末にされる溶融物の流出を平衡することは、一貫した体積の溶融物が粉末化され、したがって、一貫した金属粉末粒度サイズを可能にする。流入と流出との間のそのような平衡の維持は、タンディシュ内の溶融物レベルを所望の高度に保つことによって遂行されることができる。
既存の商業用ガス粉末化プロセスは、粉末化オペレータの手動傾注制御を要求する。オペレータは、タンディシュ内の溶融物レベルを視覚的に評価し、タンディシュを補充すべきときおよび量を決定する。オペレータに応じて、補充プロセスは、連続流または少量ずつの体積増分を用いて行われ得る。その結果、ガス粉末化プロセスは、オペレータに著しく依存することになり、粉末化された粒子サイズに広範な一貫性変動を有し得る。溶融るつぼの溶融物容量は、3,000ポンド(3,000lbs)を上回り得るため、粉末化プロセスは、1時間以上かかり得、その間、全体的プロセスは、手動で制御される。溶融物流入およびタンディシュからの流出のレートを自動化することは、より優れた製造一貫性を提供することができる。
鋳塊鋳造のための用途は、反応性難溶性金属、金属間化合物、および合金を溶融および固化するために使用される、電子ビームおよびプラズマアークトーチ溶融技術を含む。金属/合金は、処理の間、冷却された炉内に保持されることができ、炉は、典型的には、銅製水冷炉である。そのようなプロセスによって溶融される金属/合金として、限定ではないが、チタンおよびチタン合金鋳塊になるチタン(Ti)スポンジ、Tiスポンジ凝集体、Tiスクラップ、Ti棒材、アルミニウム原材料、ニッケルベースの超合金、および同等物が挙げられる。特に、ニッケルベースの超合金は、重大な航空宇宙用途のために使用される鋳塊の形態のための無菌溶融実践と併用されることができる。例えば、シリコンを含有する材料または鉱石を含む、他の金属、遷移金属、金属間化合物、金属酸化物、金属窒化物、および同等物もまた、このように処理されることができる。
業界において公知のような電子ビームおよびプラズマビームユニットを組み込む、チタン炉溶融システムでは、銅炉内の溶融チタンレベルは、炉のそれぞれ内の溶融物レベルをモニタ上で視覚的に観察する、遠隔制御室内に居る溶鉱炉オペレータによって制御される。電子ビームシステムの多くの実施形態では、3つの銅炉、すなわち、溶融炉と、精製炉と、抜去式金型とが存在する。プラズマビームシステムの多くの実施形態では、4つの炉、すなわち、溶融炉と、2つの精製炉と、抜去式金型炉とが存在する。したがって、そのような電子ビームおよびプラズマビームシステムの構成は、溶鉱炉オペレータが、複数の画面を持続的に監視し、溶融炉、精製炉、および抜去式金型のそれぞれ内のチタン溶融物レベルを視覚的に追跡することを可能にするために、高度な技術および豊富な経験を必要とすることを意味する。オペレータはさらに、複数の容器内の溶融物レベル高度内の傾向を知的に追跡し、チタン鋳塊溶融プロセスを効果的に制御し、鋳塊鋳造プロセスを平衡化する必要がある。チタン鋳塊は、20〜30メトリックトン(20〜30mt)を上回る重量であり得るため、手動鋳塊抜去プロセスは、6〜9時間以上も持続し得る。他の金属/合金から形成される鋳塊もまた、それに匹敵する重量およびプロセス形成時間を有し得る。炉式溶鉱炉内の鋳塊の抜去プロセスは、半手動で判定されるため、抜去される鋳塊の表面品質は、鋳塊の長さに沿って非一貫性となる潜在性を有する。さらに、鋳造された鋳塊間の不良品質一貫性の潜在性も存在する。溶融物高度に関連して抜去のレートを自己調節し得る、鋳塊抜去プロセス制御の自動化は、より優れた製造品質および一貫性を提供することができる。
LMHSシステムはまた、特に、鋳塊鋳造機器の動作安全性のために有益であり得る。動作安全性の観点から、金属溶融動作における最悪の場合のシナリオは、原材料の金属溶融レートが不注意にも鋳塊抜去レートを超えるときに生じる。過剰供給レートは、中間精製炉または抜去式金型から溶融金属を炉および/または金型壁を越えて越流させ得る。これは、健康および安全上の問題を生じさせ、加えて、生産における遅延およびシステムに対する深刻な損傷をもたらす、深刻な問題である。聴覚的または視覚的アラームが、LMHSに連結されることができ、LMHSに電子的に結合されるコントローラは、システム内の処理を自動的に停止させ、偶発的越流事件を防止することができる。
真空溶融におけるような真空シールされた溶融物チャンバ用途および溶融チタンおよび酸素敏感合金のための電子ビームおよびプラズマビーム低温炉溶融システムに関して、1つまたはそれを上回るLMHSが、溶融物チャンバに外部から搭載されることができる。1つまたはそれを上回るLMHSはそれぞれ、レーザビームが、個別の溶融物チャンバ視認ポートを介して、溶融物チャンバに入射し、そこから出射し得るように、1つまたはそれを上回る個別の視認ポートにわたって搭載されることができる。LMHSは、相互に隣接してともに搭載されるレーザエミッタおよびレーザ検出器を有するように構成されることができ、そのようなLMHSあたり1つのみの視認ポートは、LMHSの下方に位置付けられた材料の高度を測定するために必要であろう。電子ビームおよびプラズマビームシステムに関して、複数のLMHSが、それらの溶鉱炉システムによって使用される炉のそれぞれ内の溶融物高度を監視するために利用されることができる。さらに、溶融物チャンバの外側のLMHSの配列は、溶融物チャンバ内の空間の効率的使用を可能にし、溶融物チャンバ内の高温または他の応力環境条件へのLMHSの暴露を防止する。
各LMHSは、各炉内の溶融物高度をリアルタイムで監視するように構成され、したがって、いくつかの側面では、LMHSは、1Hzまたはそれを上回るサンプリングレートを有することができる。さらなる側面では、LMHSは、5Hz、10Hz、100Hz、0.0001Hz〜1,000,000Hz、またはその中の任意の増分、勾配、または周波数範囲のサンプリングレートを有することができる。代替側面では、LMHSは、バッチまたはパルスでサンプリングし、測定サンプルのサブセットまたは群を選択し、関連溶融物レベルを計算することができる。さらなる側面では、LMHSからのサンプルは、帯域通過要件を満たす信号を制御する、またはサンプル測定の任意の所与のバッチのために使用されるデータの量を限定するようにフィルタ処理されることができる。いくつかの側面では、LMHSは、レーザパルスを所与のレートで放出することができるが、サンプリング周波数は、例えば、LMHSによって受信された信号の5分の1または10分の1毎に選択するように設定されることができる。任意の所与のバッチのために選定されるサンプリングレートは、溶鉱炉の具体的構造、鋳造のために使用される分類された金型のタイプ、および/または溶鉱炉内で使用される様々な金属/合金を考慮して選択されることができる。
溶融物レベルに基づいて、各炉内の溶融プロセスを追跡することによって、PCLは、溶融スループットおよび鋳塊鋳造レートを最大限にする一方、並行して、炉内の溶融物蓄積に起因する炉越流のリスクを最小限にするために、炉内外への溶融物流率を調節し、提供される溶融物の量を加速または減速することができる。LMHSは、任意の溶鉱炉システム容器内の溶融物高度が安全性プロトコルレベルを超える場合、アラームが、オペレータに過剰溶融物高度を警告するようにトリガされ得る、および/または制御式フェールセーフが、溶融材料の傾注が自動的に停止されるようトリガされ得るように、構成されることができる。
同様に、PCLのプロセス制御アルゴリズムが、炉を監視する1つまたはそれを上回るLMHSから把握される溶融物流率が、溶融されている原材料のレートに適合し得る平滑鋳塊抜去レートを達成するために制御され得るように、抜去式金型のために実装されることができる。
いくつかの実施形態では、LMHSは、約1ミリワット〜5ミリワット(1〜5mW)の光強度またはその範囲内の強度の任意の増分または勾配を伴って、レーザビームを放出するように構成されることができる。LMHSは、LMHSを着目溶鉱炉システム容器にわたって心合または較正するために、ビームを放出することができる。所与の溶鉱炉システム容器内の溶融物高度を判定するための用途では、LMHSは、950nm±1〜10nmまたはおよそその波長(λ)でレーザビームを放出することができる。他の側面では、レーザビームの波長は、910nm±1〜10nm、930nm±1〜10nm、970nm±1〜10nm、または990nm±1〜10nm、またはおよそそれらの値であることができる。他の側面では、レーザビームの波長は、(レーザタイプに応じて)150nm〜10600nm、またはその中の任意の増分、勾配、または範囲であることができる。さらに、LMHSレーザビームの波長は、VMチャンバ内の環境が高温であるという事実を考慮するように選択されることができる。すなわち、VMチャンバ内の溶融材料および加熱ユニットによって発生される熱および可変熱プロファイルは、赤外線(IR)範囲内の信号を構成し、これは、したがって、レーザビームに対して信号雑音、減衰、または干渉を生じさせ得る。したがって、LMHS波長は、VMチャンバ内の熱から生じる潜在的干渉波長を回避するように選択されることができ、加えて、LMHS波長は、VMチャンバ内の溶融材料によって発生される任意のガス、煙、または廃液を透過するように選択されることができる。故に、本明細書に開示されるようなLMHSのために使用されるレーザは、IR−タイプレーザに限定されない。LMHSは、連続またはパルスモードのいずれかでレーザビームを放出することができる。連続およびパルスレーザ構成は両方とも、溶融物レベル高度を監視するために好適である。レーザエミッタおよびレーザ検出器は、温度制御(例えば、水冷)筐体内に格納され、LMHSが、溶融された溶融物プールから視認ポートを通して発せられる熱によって被り、レーザエミッタ、レーザ検出器、および全体的センサに影響を及ぼし得るようなシステムの過熱を防止することができる。
いくつかの実施形態では、LMHSは、溶鉱炉システム容器の約0.5メートル〜約2.5メートル上方にまたはその範囲内の増分または勾配における任意の距離で位置付けられることができる。他の実施形態では、LMHSは、溶鉱炉システム容器の0.5メートル未満の上方に位置付けられることができ、なおもさらなる実施形態では、LMHSは、溶鉱炉システム容器の2.5メートルを上回って上方に位置付けられることができる。概して、LMHSは、放出されるレーザおよびLMHSのレーザ検出器が、LMHSによって測定された表面の平面に垂直であるように配向されることができ、その表面は、溶融状態、固体、またはそれらの組み合わせであり得る。
図1は、LMHS118を有する真空溶融物チャンバ102を示す、真空溶融システム100の略図である。真空溶融物チャンバ102内には、材料供給部104と、溶鉱炉システム容器106とがある。材料供給部104は、未加工材料(例えば、金属、合金等)を真空溶融物チャンバ102の外側から受容するように位置付けられ、構成されることができる。図示されるように、材料供給部アクチュエータ114は、真空溶融システム100の一部として構築され、真空溶融物チャンバ102の壁を通して通過し、未加工材料を材料供給部104に送達するように位置付けられる。溶鉱炉システム容器106は、限定ではないが、タンディシュ、るつぼ、炉、銅炉、水冷炉、溶融炉、精製炉、金型、区画化金型、または同等物を含む、溶融材料を受容するための種々の容器のうちの任意の1つであることができる。
鋳塊108は、溶鉱炉システム容器106内に形成されることができる。特に、溶鉱炉システム容器106に提供される未加工および/または溶融材料は、溶鉱炉システム容器106内の鋳塊108の上部に指向される指向式加熱デバイス116によって加熱および/または照射されることができる。鋳塊108が形成されるにつれて、鋳塊位置アクチュエータ112は、鋳塊108を溶鉱炉システム容器106および真空溶融物チャンバ102から略下向きに抜去チャンバ110の中に引き出すことができる。抜去チャンバ110から、鋳造された鋳塊108は、さらなる用途および/または後処理のために除去されることができる。
図示される真空溶融システム100では、LMHS118は、真空溶融物チャンバ102の上方に、特に、溶鉱炉システム容器106の上方に配向される、真空溶融物チャンバ102の天井内の視認ポート120の上方に位置付けられる。LMHS118はさらに、領域の上方、多くの場合、鋳塊108および鋳塊108を形成する溶融材料が位置する溶鉱炉システム容器106の中心に位置付けられることができる。LMHS118は、視認ポート120を通して真空溶融物チャンバ102の中および溶鉱炉システム容器106内の鋳塊108の上部表面上にレーザビームを放出することができる。鋳塊108の上部表面から反射したレーザ信号は、部分的に、視認ポート120を通して後方に伝送され、LMHS118によって検出されることができる。LMHS118によって放出されるレーザビームおよびLMHS118によって検出された対応する反射したレーザ信号は、LMHS118から鋳塊108までの距離を判定するために使用され、それによって、溶鉱炉システム容器106内の鋳塊108の位置、言い換えると、鋳塊108の溶融物レベルの観点から、鋳塊108の高度を計算することができる。いくつかの実施形態では、LMHS118は、視認ポート120を通した溶融材料から発せられる温度熱への近接性に起因するLMHS118の過熱を防止するように水冷筐体内に構築されることができる。
コントローラ122(部分的に、非一過性コンピュータ可読媒体および/またはユーザインターフェースを有する、プロセッサ等)は、LMHS118および全体的真空溶融システム100に電子的に結合され、溶融物レベルのインジケーションを表示または別様に提供することができる。コントローラはさらに、部分的に、鋳塊108の計算された溶融物レベルに基づいて、材料供給部104、材料供給部アクチュエータ114、鋳塊位置アクチュエータ112、および真空溶融システム100の他の側面(真空溶融物チャンバ102内のガスおよびその内圧等)を制御することができる。
図2は、真空溶融物チャンバ用のレーザ溶融物高度センサシステムの動作のためのプログラマブル論理フローチャート200である。フローチャート200は、特に、溶鉱炉システム容器内の溶融物レベルを制御するためのフィードバックループ内のLMHSの役割を示す。ステップ202では、レベル設定点は、溶鉱炉システム容器の構造および/または動作特性に心合される、または別様にそれに基づく高度の範囲であり得る、所与の溶鉱炉システム容器内の溶融物レベルのために確立される。合流点204では、レベル設定点は、測定されたレベル値(LMHS測定から判定される測定出力)と比較される。ステップ206では、レベル設定点および測定されたレベル値の比較に基づく測定された誤差は、比例・積分・微分(PID)コントローラに提供される。ステップ208では、PIDコントローラは、溶融物レベルをレベル設定点に戻すために必要とされる補正値を判定することができる。ステップ210では、システム入力が、PIDコントローラから補正値に対応するように提供される。ステップ212では、溶鉱炉システム容器内の溶融物レベルが、調節される。溶融物レベルの調節は、溶鉱炉システム容器からの材料(例えば、鋳塊)の抜去、材料を溶鉱炉システム容器に提供する材料供給部の傾注角度、材料供給部への未加工材料の供給レート、または任意のそれらの組み合わせを増加、維持、または減少させることによって遂行されることができる。ステップ214では、システム出力が、達成される(出力は、新しいまたは更新された溶融物レベルである)。ステップ216では、レーザ溶融物高度センサシステムは、溶鉱炉システム容器内の溶融物レベルの測定を行うことができる。ステップ218では、レーザ溶融物高度センサシステムは、レベル設定点との比較のために、溶融物レベル測定をフィードバック出力として提供し、溶鉱炉システム容器の溶融物レベルをさらに制御および調節する。
種々の側面および実施形態では、複数のLMHSフィードバックループが、複数の別個の溶鉱炉システム容器に関連する所与の真空溶融物チャンバ内に存在することができる。複数の溶鉱炉システム容器内の溶融物レベルの維持は、真空溶融物チャンバ内の溶融材料および鋳塊鋳造の全体的フローを制御するように協調および平衡化されることができる。フィードバック信号の考慮および計算のための要因は、限定ではないが、溶鉱炉システム容器のためのレベル設定点に関する値およびPIDコントローラの個々の観点を含むことができる。
図3Aは、一連の炉およびレーザセンサを有する、真空溶融物チャンバの内部部分の斜視図300である。図3Aに示される例示的一連の炉では、原材料が、入口301を通して第1の炉302に提供される。いくつかの側面では、入口301は、前述のように材料供給部であることができ、入口301は、固体金属/合金原材料の一方または両方を提供することができる。いくつかの実施形態では、第1の炉302は、溶融炉として特徴付けられる、またはそのように機能することができる。第1の測定点303は、第1の炉302によって画定された面積内に位置することができ、第1のLMHSは、放出されるそのレーザが、第1の測定点303上に心合され、反射したレーザ信号に基づいて、第1のLMHSが、それによって、第1の測定点303において第1の炉302内の溶融物レベルを測定するように位置付けられることができる。
第1の炉302から、溶融材料は、第2の炉304の中に通過することができる。いくつかの実施形態では、第2の炉304は、精製炉として特徴付けられることができる。第2の炉304は、両方とも第2の炉304によって画定された面積内に位置する、第2の測定点305および第3の測定点307を有することができる。第2のLMHSは、放出されるそのレーザが第2の測定点305上に心合されるように位置付けられることができ、同様に、第3のLMHSは、放出されるそのレーザが第3の測定点307上に心合されるように位置付けられることができる。第2のLMHSおよび第3のLMHSの一方または両方によって受信された反射したレーザ信号は、それによって、第2の炉304内の溶融物レベルを測定する。いくつかの側面では、第2の炉304内の溶融物レベルは、第2のLMHSおよび第3のLMHSによって受信されたレーザ信号の平均として、第2のLMHSおよび第3のLMHSによって受信されたレーザ信号の加重された組み合わせとして、または第2の炉304の異なる領域に関する2つの別個の測定のセットとして測定されることができる。
第2の炉304から、溶融材料は、例えば、鋳塊の鋳造のために使用され得る、金型306の中に通過することができる。金型306は、第4の測定点309を有することができ、第4のLMHSは、放出されるそのレーザが第4の測定点309上に心合されるように位置付けられることができる。第4のLMHSによって受信された反射したレーザ信号は、それによって、金型306内の溶融物レベルを測定する。
図3Bは、図3Aに示されるような真空溶融炉の側面断面図300’であって、金型306内の第4の測定点309においてレーザを放出する、LMHS308(この場合、図3Aで参照された第4のLMHS)をさらに図示する。測定点の全てにおける組み合わせられた測定のセットは、フィードバックとして使用され、第1の炉302に提供される原材料のレートおよび/または量および第1の炉302から第2の炉304、または、第2の炉304から金型306に通過される溶融材料のレートおよび/または量を調整するようにコントローラを誘導することができる。
図4は、レーザ溶融物高度センサシステムを有する、真空溶融システムの動作400の方法を図示する、フローチャートである。動作400の方法は、概して、真空溶融システムに電子的に結合され、その装置を制御する、コントローラ(部分的に、非一過性コンピュータ可読媒体および/またはユーザインターフェースを含む、プロセッサを有する)によって制御されることができる。ステップ402では、原材料は、材料供給部に提供され、原材料は、金属/合金であって、固体形態、溶融形態、またはそれらの組み合わせで提供されることができ、材料供給部は、原材料を第1の炉に指向する。ステップ404では、加熱ユニットに結合される、第1の炉は、原材料を完全に溶融状態にする。言い換えると、固体のままである任意の量の原材料は、第1の炉内で溶融されるであろう。第1の炉は、プラズマアークトーチ、電子ビームガン、誘導加熱コイル、または同等物等の種々の加熱ユニットのいずれかに動作可能に結合されることができる。いくつかの実施形態では、第1の炉は、溶融炉と称される、またはそのようなものとして使用されることができる。ステップ406では、第1のLMHSは、第1の炉内の材料の溶融物高度を測定し、測定データをコントローラに提供する。第1の炉は、次いで、溶融材料を後続炉に提供する。
ステップ408では、N番目の炉として識別された後続炉は、真空溶融システム内の上流から溶融材料を受容する。第1の炉からN番目の炉への一連の溶融材料は、2つの炉間で指向されることができる、または中間炉(図示せず)を通して通過する1つまたはそれを上回る中間ステップを含むことができる。いくつかの実施形態では、N番目の炉は、精製炉と称される、またはそのようなものとして使用されることができ、さらなる実施形態では、任意の中間炉が、全体的真空溶融システムの一部として精製炉に追加されることができる。加熱ユニットに結合される、N番目の炉は、溶融材料を後続溶鉱炉システム容器に提供する前に、溶融材料を加熱し続ける。N番目の炉は、プラズマアークトーチ、電子ビームガン、誘導加熱コイル、または同等物等の種々の加熱ユニットのいずれかに動作可能に結合され、N番目の炉内の溶融材料を加熱することができる。ステップ410では、N番目のLMHSは、N番目の炉内の材料の溶融物高度を測定し、測定データをコントローラに提供する。N番目の炉は、次いで、溶融材料を後続溶鉱炉システム容器に提供する。
ステップ412では、溶融材料は、金型によってN番目の炉から受容され、溶融材料は、金型内に鋳塊を形成する。鋳塊が金型内で鋳造されるにつれて、ステップ414では、最後のLMHSが、金型内の材料の溶融物高度を測定し、測定データをコントローラに提供する。ステップ416では、抜去アクチュエータが、鋳造された鋳塊を金型から除去し、いくつかの側面では、鋳塊の固体部分が金型から引き出される一方、付加的溶融材料が金型の上部に添加され続け、全体的鋳塊を形成および延長させることを含むことができる。ステップ412の代替実施形態では、溶融材料は、タンディシュ等の溶鉱炉容器によって受容されることができ、溶融材料は、次いで、例えば、ガス粉末化プロセスを通して処理される。
ステップ406、ステップ410、およびステップ414においてコントローラに提供されるデータは、真空溶融システムの装置のフィードバックベースの制御を可能にする。特に、コントローラは、ステップ402における材料供給部による原材料の送達のレート、ステップ404における第1の炉が溶融材料を後続炉に提供するレート、ステップ412における後続(N番目の)炉が溶融材料を金型、タンディシュ、または他の溶鉱炉システム容器に提供するレート、およびステップ416における抜去アクチュエータが鋳塊を金型から抜去するレートのそれぞれおよび/または全てを調節することができる。
図5は、レーザセンサを有する、真空溶融システムの略図である。示されるように、VM溶鉱炉システム500は、真空冶金チャンバ502内に位置する。真空冶金チャンバ502内には、材料供給部504と、遷移容器506と、鋳造金型508とがあり、鋳造金型508は、上部開放および底部開放型金型である。材料供給部504は、システムの一部であることができ、材料供給部504内の原材料(金属/合金)は、鋳造金型506に提供される前に溶融される。遷移容器506は、加熱ユニットに結合される溶鉱炉システム容器であることができ、材料供給部504から受容された原材料505は、さらに加熱、溶融、および/または精製され、溶融金属/合金の溶融物507を形成することができる。いくつかの側面では、鋳造金型508は、真空冶金チャンバ502内で垂直に配向される、水冷金型および/または区画化金型であることができる。遷移容器506内の溶融材料である、溶融物507は、鋳造金型508に傾注または別様に提供される。
いくつかの実施形態では、溶融物507は、遷移容器506を送達位置に移動させ、溶融物507を傾注切り欠きを通して傾きを付けて傾注させることによって、鋳造金型508に移送されることができる。いったん溶融物507が移送されると、遷移容器506は、受容および/または溶融位置に戻されることができ、原材料505は、さらなる溶融物507への後続溶融のために、材料供給部504から遷移容器506の中に指向される。
いくつかの側面では、材料供給部504内の金属/合金は、材料供給部504に近接して位置付けられる誘導コイル等の加熱要素によって溶融状態にされることができる。種々の実施形態では、材料供給部504は、真空冶金チャンバ502の内側に、真空冶金チャンバ502の外側に、または図5に図示されるように、真空冶金チャンバ502壁の一部であるポートとして位置付けられることができる。
鋳造金型508の金型壁510は、水冷導管512を介して冷却されることができる。鋳塊511は、溶融物507から鋳造金型506内で形成される。鋳塊511が形成されるにつれて、鋳塊位置アクチュエータ514は、鋳塊511を鋳造金型506内で移動させることができる。いくつかの側面では、鋳塊位置アクチュエータ514は、鋳塊511を受容するように構成される、抜去ヘッド516を有する。鋳塊位置アクチュエータ514が鋳塊511を鋳造金型506から引き出すにつれて、付加的溶融物507が、鋳塊511の高度を金型壁510内の標的レベル509またはその周囲に維持するために、鋳造金型508に提供されることができる。
コントローラ518は、鋳塊位置アクチュエータ514と、遷移容器506と、材料供給部504と、金型壁508に結合される熱センサまたはビデオカメラ等のセンサとを含む、VM溶鉱炉システム500の作動構成要素に電子的に結合されることができる。コントローラはさらに、真空冶金チャンバ502の外側において鋳造金型508の上方に位置付けられる、LMHS520に電子的に結合されることができる。LMHS520は、レーザ全体的システムの一部として、レーザエミッタと、レーザ検出器とを有することができる。LMHS520は、レーザビームを放出光学経路519に沿って真空冶金チャンバ502の中へと真空冶金チャンバ502の壁内の視認ポート522を通して放出するように配列されることができる。レーザビームは、鋳塊511および鋳塊511の上部に静置する任意の溶融物507と界面接触し、そこから反射し、LMHS520に向かって反射光学経路521に沿って同一視認ポート522を通して戻ることができる。
いくつかの側面では、LMHS520は、溶融物高度を約10ミリメートル(±10mm)以内まで判定することが可能な感度を有することができる。さらなる側面では、LMHS520は、溶融物高度を約5ミリメートル(±5mm)、約3ミリメートル(±3mm)、約2ミリメートル(±2mm)、または約1ミリメートル(±1mm)以内まで判定することが可能な感度を有することができる。LMHS520は、溶融物高度をコントローラ518に提供し、コントローラ518が、材料供給部504から遷移炉506に提供される原材料505のレート、遷移炉506から鋳造金型508に提供される溶融物507のレート、鋳塊位置アクチュエータ514によって抜去される鋳塊511のレート、またはコントローラ518および全体的VM溶鉱炉システム500に結合される任意の他のスループットおよびプロセスフロー機能のそれぞれまたは全てを調節する(例えば、増加、減少、または維持する)ことを可能にする。
視認ポート522は、種々の金属酸化物、金属窒化物、金属間化合物、および同等物の薄膜層を含み得る、特殊層状ガラスから作製されることができる。任意の所与の視認ポート522は、種々の材料および層から構築され、所与のLMHSおよび標的溶鉱炉システム容器の機能および動作に適応することができ、視認ポートは、ガス粉末化、電子ビーム加熱、プラズマアークトーチ加熱、またはVM溶鉱炉システムのために業界において使用される他の用途を含み得る用途のための必要に応じて、異なる構造、設計、および光学特性を有することができる。
LMHS520のレーザ検出器によって反射光学経路521に沿って受信された信号に基づいて、コントローラ518は、LMHS520と鋳塊511の上部表面との間の距離を判定し(鋳造金型508内の鋳塊511の上部の任意の溶融物507の存在を考慮して)、それによって、鋳造金型508内の材料の溶融物高度を判定することができる。動作時、鋳造金型508の中に傾注される溶融物507の量は、鋳塊511および溶融物507の上部を、連続、半連続、バッチ、または反復生産モードのいずれかにおける標的レベル509またはその周囲のある範囲に維持するように制御されることができる。いくつかの側面では、鋳塊511を形成するときの溶融物高度および鋳塊511に添加される溶融物507の関連レートの慎重かつ精密な制御は、概して均質のまたは均一に均質である粒度構造、100マイクロメートル未満またはそれに等しい粒度サイズ(≦100μm)を伴う構造、またはさらに50マイクロメートル未満またはそれに等しい粒度サイズ(≦50μm)を伴う構造等、有利または所望の粒度構造を有する鋳塊を提供することができる。
図6は、電子ビームシステムおよびレーザセンサシステムのセットを有する、真空溶融システムの略図である。示されるように、VM溶鉱炉システム600は、真空冶金チャンバ602内に位置する。真空冶金チャンバ602内には、材料供給部604と、溶融炉606と、精製炉610と、鋳造金型614とがあり、鋳造金型614は、上部開放および底部開放型金型である。いくつかの実施形態では、溶鉱炉システム600は、2つまたはそれを上回る精製炉を有することができる。材料供給部604は、原材料605(金属/合金)を溶融炉606に提供し、原材料605を溶融状態にするように構成されることができる。溶融炉606からの溶融材料は、第1の溶融物607として精製炉610に提供されることができ、溶融材料は、精製炉610内で精製され、次いで、第2の溶融物611として鋳造金型614に提供される。いくつかの側面では、鋳造金型614は、真空冶金チャンバ602内に垂直に配向される水冷金型および/または区画化金型であることができる。
溶融炉606内の原材料605は、第1の電子ビームガン608を用いて溶融され、溶融炉606の開放上部に標的化および集束されることができる。第1の電子ビームガン608は、それによって、溶融炉606内に保持される任意の固体金属/合金を溶融状態である第1の溶融物607にすることができる。精製炉610内の溶融原材料は、第2の電子ビームガン612を用いて加熱および精製され、精製炉610の開放上部に標的化および集束されることができる。第2の電子ビームガン612は、それによって、精製炉610内に保持される溶融材料を溶融されるように加熱し続けることができ、これは、それによって、鋳造金型614に運搬されるべき第2の溶融物611となることができる。いくつかの側面では、第1の電子ビームガン608は、一次指向型加熱ユニットと称されることができ、第2の電子ビームガン612は、二次指向型加熱ユニットと称されることができる。
鋳造金型614の金型壁616は、水冷導管618を介して冷却されることができる。鋳塊615は、少なくとも部分的に、第2の溶融物611から鋳造金型614内で形成される。鋳塊615が形成されるにつれて、鋳塊位置アクチュエータ620は、鋳塊615を鋳造金型614内で移動させることができる。いくつかの側面では、鋳塊位置アクチュエータ620は、鋳塊615を受容するように構成される、抜去ヘッド622を有する。鋳塊位置アクチュエータ620が、鋳塊615を鋳造金型614から引き出すにつれて、第2の溶融物611の付加的量が、鋳造金型614内の鋳塊615の高度を金型壁616内の標的レベル617またはその周囲に維持するために、鋳造金型614に提供されることができる。
コントローラ624は、鋳塊位置アクチュエータ620と、材料供給部604と、金型壁616に結合される熱センサ等のセンサとを含む、VM溶鉱炉システム600の作動構成要素に電子的に結合されることができる。コントローラはさらに、真空冶金チャンバ602の外側において溶融炉606、精製炉610、および鋳造金型614の上方に位置付けられるLMHSのセットに電子的に結合されることができる。LMHSはそれぞれ、全体的LMHSレーザシステムの一部として、レーザエミッタと、レーザ検出器とを有することができる。さらに、溶鉱炉システム600内のLMHSはそれぞれ、炉または金型内の鋳塊および/または溶融材料の溶融物高度を約10ミリメートル(±10mm)、約5ミリメートル(±5mm)、約3ミリメートル(±3mm)、約2ミリメートル(±2mm)、または約1ミリメートル(±1mm)以内まで判定可能な感度を有することができる。
図示されるように、第1のLMHS626は、溶融炉606の上方に位置付けられ、レーザビームを第1の放出光学経路625に沿って真空冶金チャンバ602の中に真空冶金チャンバ602の壁内の第1の視認ポート628を通して放出するように配向されることができる。第1のLMHS626からのレーザビームは、溶融炉606内に保持される溶融材料と界面接触し、そこから反射し、第1のLMHS626に向かって第1の反射光学経路627に沿って第1の視認ポート628を通して戻ることができる。第1の反射光学経路627に沿って第1のLMHS626のレーザ検出器によって受信された信号に基づいて、コントローラ624は、第1のLMHS626と溶融炉606内に保持される溶融材料との間の距離を判定し、それによって、溶融炉606内の溶融物高度を判定することができる。
同様に、第2のLMHS630は、精製炉610の上方に位置付けられ、レーザビームを第2の放出光学経路629に沿って真空冶金チャンバ602の中に真空冶金チャンバ602の壁内の第2の視認ポート632を通して放出するように配向されることができる。第2のLMHS630からのレーザビームは、精製炉610(例えば、精製炉610の中に傾注される第1の溶融物607)内に保持される溶融材料と界面接触し、そこから反射し、第2のLMHS630に向かって第2の反射光学経路631に沿って第2の視認ポート632を通して戻ることができる。第2の反射光学経路631に沿って第2のLMHS630のレーザ検出器によって受信された信号に基づいて、コントローラ624は、第2のLMHS630と精製炉610内に保持される溶融材料との間の距離を判定し、それによって、精製炉610内の溶融物高度を判定することができる。
第3のLMHS634は、レーザビームを第3の放出光学経路633に沿って真空冶金チャンバ602の中に真空冶金チャンバ602の壁内の第3の視認ポート636を通して放出するように配列されることができる。レーザビームは、鋳造金型614内の鋳塊615および鋳塊615の上部に静置する第2の溶融物611のいずれかと界面接触し、そこから反射し、第3のLMHS634に向かって第3の反射光学経路635に沿って第3の視認ポート638を通して戻ることができる。第3の反射光学経路635に沿って第3のLMHS636のレーザ検出器によって受信された信号に基づいて、コントローラ624は、第3のLMHS634と鋳造金型614内の鋳塊615との間の距離を判定し、それによって、鋳造金型614内の溶融物高度を判定することができる。いくつかの実施形態では、第1の視認ポート628、第2の視認ポート632、および第3の視認ポート638はそれぞれ、その中に放出する1つまたはそれを上回る電子ビームガンを有する、真空冶金チャンバ602を通したレーザビームの伝送を促進するように具体的に設計された層状ガラス製品であることができる。
真空冶金チャンバ602の視認ポートは、真空冶金チャンバ602内の電子ビームガンと組み合わせたLMHSのうちの1つまたはそれを上回るものの機能および動作およびその中の関連環境条件に適応するように種々の材料および層から構築された特殊層状ガラスから作製されることができる。
個別の溶融物高度をコントローラ624に提供する、第1のLMHS626、第2のLMHS630、および第3のLMHS634は、コントローラ624が、材料供給部604から溶融炉606に提供される原材料605のレート、溶融炉606から精製炉610に提供される第1の溶融物607のレート、精製炉610から鋳造金型614に提供される第2の溶融物611のレート、鋳塊位置アクチュエータ620によって抜去される鋳塊615のレート、またはコントローラ624および全体的VM溶鉱炉システム600に結合される任意の他のスループットおよびプロセスフロー機能のそれぞれまたは全てを調節する(例えば、増加、減少、または維持する)ことを可能にする。
例示的動作モードでは、鋳造金型614の中に傾注される第2の溶融物611の量は、コントローラ624によって制御され、連続、半連続、バッチ、または反復生産モードのいずれかにおいて、鋳塊615および第2の溶融物611の上部を標的レベル617またはその周囲の範囲に維持することができる。いくつかの側面では、鋳塊615を形成するときの溶融物高度および鋳塊615に添加される第2の溶融物611の関連レートの慎重かつ精密な制御は、概して均質のまたは均一に均質である粒度構造、100マイクロメートル未満またはそれに等しい粒度サイズ(≦100μm)を伴う構造、またはさらに50マイクロメートル未満またはそれに等しい粒度サイズ(≦50μm)を伴う構造等、有利または所望の粒度構造を有する鋳塊615を提供することができる。
図7は、プラズマビームシステムおよびレーザ溶融物高度センサシステムのセットを有する、真空溶融システムの略図である。示されるように、VM溶鉱炉システム700は、真空冶金チャンバ702内に位置する。真空冶金チャンバ702内には、材料供給部704と、溶融炉706と、第1の精製炉710aと、第2の精製炉710bと、鋳造金型714とがあり、鋳造金型714は、上部開放および底部開放型金型である。いくつかの実施形態では、溶鉱炉システム700は、溶融材料流が1つの精製炉から他の精製炉に連続して移動するように直列に配列される、第1の精製炉710aと、第2の精製炉710bとを有することができ、溶融炉706は、精製炉の上流にあって、鋳造金型714は、下流にある。他の実施形態では、溶鉱炉システム700は、両方の精製炉が溶融材料を同一溶融炉706源から受容し、両方とも同一鋳造金型714の中に供給するように並列に配列される、第1の精製炉710aと、第2の精製炉710bとを有することができる。材料供給部704は、原材料705(金属/合金)を溶融炉706に提供し、原材料705を溶融状態にするように構成されることができる。溶融炉706からの溶融材料は、第1の溶融物707として第1の精製炉710aおよび第2の精製炉710bの一方または両方に提供されることができ、溶融材料は、精製炉内で精製され、次いで、第2の溶融物711として鋳造金型714に提供される。いくつかの側面では、鋳造金型714は、真空冶金チャンバ702内で垂直に配向される、水冷金型、および/または区画化金型であることができる。
溶融炉706内の原材料705は、第1のプラズマアークトーチ708を用いて溶融され、溶融炉706の開放上部に標的化および集束されることができる。第1のプラズマアークトーチ708は、それによって、溶融炉706内に保持される任意の固体金属/合金を溶融された状態である第1の溶融物707にすることができる。第1の精製炉710a内の溶融原材料は、第2のプラズマアークトーチ712aを用いて加熱および精製され、第1の精製炉710aの開放上部に標的化および集束されることができる。第2の精製炉710b内の溶融原材料は、第3のプラズマアークトーチ712bを用いて加熱および精製され、第2の精製炉710bの開放上部に標的化および集束されることができる。いくつかの実施形態では、単一プラズマアークトーチは、両方の第1の精製炉710aおよび第2の精製炉710b内の材料を精製するために使用されることができる。第2のプラズマアークトーチ712aおよび第3のプラズマアークトーチ712bは、それによって、それぞれ、第1の精製炉710aおよび第2の精製炉710b内に保持される溶融材料を加熱し続けることができ、これは、それによって、鋳造金型714に運搬されるべき第2の溶融物711となることができる。いくつかの側面では、第1のプラズマアークトーチ708は、一次指向型加熱ユニットと称されることができる一方、第2のプラズマアークトーチ712aおよび/または第3のプラズマアークトーチ712bは、二次指向型加熱ユニットと称されることができる。
鋳造金型714の金型壁716は、水冷導管718を介して冷却されることができる。鋳塊715は、少なくとも部分的に、第2の溶融物711から鋳造金型714内で形成される。鋳塊715が形成されるにつれて、鋳塊位置アクチュエータ720は、鋳塊715を鋳造金型714内で移動させることができる。いくつかの側面では、鋳塊位置アクチュエータ720は、鋳塊715を受容するように構成される、抜去ヘッド722を有する。鋳塊位置アクチュエータ720が、鋳塊715を鋳造金型714から引き出すにつれて、第2の溶融物711の付加的量が、鋳造金型714内の鋳塊715の高度を金型壁716内の標的レベル717またはその周囲に維持するために、鋳造金型714に提供されることができる。
コントローラ724は、鋳塊位置アクチュエータ720と、材料供給部704と、金型壁716に結合される熱センサ等のセンサとを含む、VM溶鉱炉システム700の作動構成要素に電子的に結合されることができる。コントローラはさらに、真空冶金チャンバ702の外側において溶融炉706、第1の精製炉710a、第2の精製炉710b、および鋳造金型714の上方に位置付けられるLMHSのセットに電子的に結合されることができる。LMHSはそれぞれ、全体的LMHSレーザシステムの一部として、レーザエミッタと、レーザ検出器とを有することができる。さらに、溶鉱炉システム700内のLMHSはそれぞれ、炉または金型内の鋳塊および/または溶融材料の溶融物高度を約10ミリメートル(±10mm)、5ミリメートル(±5mm)、3ミリメートル(±3mm)、2ミリメートル(±2mm)、または1ミリメートル(±1mm)以内まで判定可能な感度を有することができる。
図示されるように、第1のLMHS726は、溶融炉706の上方に位置付けられ、レーザビームを第1の放出光学経路725に沿って真空冶金チャンバ702の中に真空冶金チャンバ702の壁内の第1の視認ポート728を通して放出するように配向されることができる。第1のLMHS726からのレーザビームは、溶融炉706内に保持される溶融材料と界面接触し、そこから反射し、第1のLMHS726に向かって第1の反射光学経路727に沿って第1の視認ポート728を通して戻ることができる。第1の反射光学経路727に沿って第1のLMHS726のレーザ検出器によって受信された信号に基づいて、コントローラ724は、第1のLMHS726と溶融炉706内に保持される溶融材料との間の距離を判定し、それによって、溶融炉706内の溶融物高度を判定することができる。
同様に、第2のLMHS730aは、第1の精製炉710aの上方に位置付けられ、レーザビームを第2の放出光学経路729aに沿って真空冶金チャンバ702の中に真空冶金チャンバ702の壁内の第2の視認ポート732aを通して放出するように配向されることができる。第2のLMHS730aからのレーザビームは、第1の精製炉710a内に保持される溶融材料(例えば、第1の精製炉710aの中に傾注される第1の溶融物707の一部)と界面接触し、そこから反射し、第2のLMHS730aに向かって第2の反射光学経路731aに沿って第2の視認ポート732を通して戻ることができる。第2の反射光学経路731aに沿って第2のLMHS730aのレーザ検出器によって受信された信号に基づいて、コントローラ724は、第2のLMHS730aと第1の精製炉710a内に保持される溶融材料との間の距離を判定し、それによって、第1の精製炉710a内の溶融物高度を判定することができる。
また、同様に、第3のLMHS730bは、第2の精製炉710bの上方に位置付けられ、レーザビームを第3の放出光学経路729bに沿って真空冶金チャンバ702の中に真空冶金チャンバ702の壁内の第3の視認ポート732bを通して放出するように配向されることができる。第3のLMHS730bからのレーザビームは、第2の精製炉710b内に保持される溶融材料(例えば、第2の精製炉710bの中に傾注される第1の溶融物707の一部)と界面接触し、そこから反射し、第3のLMHS730bに向かって第3の反射光学経路731bに沿って第3の視認ポート732bを通して戻ることができる。第3の反射光学経路731bに沿って第3のLMHS730bのレーザ検出器によって受信された信号に基づいて、コントローラ724は、第3のLMHS730bと第2の精製炉710b内に保持される溶融材料との間の距離を判定し、それによって、第2の精製炉710b内の溶融物高度を判定することができる。
第4のLMHS734は、レーザビームを第4の放出光学経路733に沿って真空冶金チャンバ702の中に真空冶金チャンバ702の壁内の第4の視認ポート736を通して放出するように配列されることができる。レーザビームは、鋳造金型714内の鋳塊715および鋳塊715の上部に静置する第2の溶融物711のいずれかと界面接触し、そこから反射し、第4のLMHS734に向かって第4の反射光学経路735に沿って第4の視認ポート736を通して戻ることができる。第4の反射光学経路735に沿って第4のLMHS734のレーザ検出器によって受信された信号に基づいて、コントローラ724は、第4のLMHS734と鋳造金型714内の鋳塊715との間の距離を判定し、それによって、鋳造金型714内の溶融物高度を判定することができる。いくつかの実施形態では、第1の視認ポート728、第2の視認ポート732a、第3の視認ポート732b、および第4の視認ポート736はそれぞれ、その中で動作する1つまたはそれを上回るプラズマアークトーチを有する、真空冶金チャンバ702を通したレーザビームの伝送を促進するように具体的に設計された層状ガラス製品であることができる。
真空冶金チャンバ702の視認ポートは、真空冶金チャンバ702内のプラズマアークトーチと組み合わせたLMHSのうちの1つまたはそれを上回るものの機能および動作およびその中の関連環境条件に適応するように種々の材料および層から構築された特殊層状ガラスから作製されることができる。
第1のLMHS726、第2のLMHS730a、第3のLMHS730b、および第4のLMHS734は、個別の溶融物高度をコントローラ724に提供し、コントローラ724が、材料供給部704から溶融炉706に提供される原材料705のレート、溶融炉706から第1の精製炉710aおよび第2の精製炉710bの両方に提供される第1の溶融物707のレート、第1の精製炉710aおよび第2の精製炉710bの両方から鋳造金型714に提供される第2の溶融物711のレート、鋳塊位置アクチュエータ720によって抜去される鋳塊715のレート、またはコントローラ724および全体的VM溶鉱炉システム700に結合される任意の他のスループットおよびプロセスフロー機能のそれぞれまたは全てを調節する(例えば、増加、減少、または維持する)ことを可能にする。
例示的動作モードでは、鋳造金型714の中に傾注される第2の溶融物711の量は、コントローラ724によって制御され、連続、半連続、バッチ、または反復生産モードのいずれかにおいて、鋳塊715および第2の溶融物711の上部を標的レベル717またはその周囲の範囲に維持することができる。いくつかの側面では、鋳塊715を形成するときの溶融物高度および鋳塊715に添加される第2の溶融物711の関連レートの慎重かつ精密な制御は、概して均質のまたは均一に均質である粒度構造、100マイクロメートル未満またはそれに等しい粒度サイズ(≦100μm)を伴う構造、またはさらに50マイクロメートル未満またはそれに等しい粒度サイズ(≦50μm)を伴う構造等、有利または所望の粒度構造を有する鋳塊715を提供することができる。
図8は、タンディシュおよびレーザ溶融物高度センサシステムを有する、ガス粉末化システム800の略図である。示されるように、VM溶鉱炉システム800は、真空冶金チャンバ802内に位置する。真空冶金チャンバ802内には、溶融るつぼ804と、タンディシュ810と、真空冶金チャンバ802を上側領域803および下側領域809に分離する、内部支持構造808とがある。真空冶金チャンバ802の壁内のポート806は、原材料を溶融るつぼ804に提供するためのアクセスまたは装填点を提供することができる。概して、タンディシュ810に提供される原材料(例えば、任意の所与の金属/合金)は、直接または間接的にのいずれかにおける溶融るつぼ804からの溶融物805としての溶融形態にあるであろう。内部支持構造808によって支持されるタンディシュ810は、溶融物805を受容し、溶融物を粉末化出口に流し込む、または別様に指向することができる。粉末化出口から、溶融物805は、下側領域809に進入し、金属/合金粉末812に粉末化されることができる。金属/合金粉末812は、収集され、関連用途のために使用されることができる。
図示されるように、LMHS814は、タンディシュ810の上方に位置付けられ、レーザビームを放出光学経路813に沿って真空冶金チャンバ802の上側領域803の中に真空冶金チャンバ802の壁内の視認ポート816を通して放出するように配向されることができる。LMHS814からのレーザビームは、タンディシュ810内に保持される溶融材料と界面接触し、そこから反射し、LMHS814に向かって反射光学経路815に沿って第1の視認ポート816を通して戻ることができる。コントローラ818は、溶融るつぼ804を含む、VM溶鉱炉システム800の作動構成要素に電子的に結合されることができる。反射光学経路815に沿ってLMHS814のレーザ検出器によって受信された信号に基づいて、コントローラ818は、LMHS814とタンディシュ810内に保持される溶融材料との間の距離を判定し、それによって、タンディシュ810内の溶融物高度を判定することができる。故に、コントローラ818は、溶融物805がタンディシュ810に提供されるレートを調整し(例えば、増加、減少、または維持し)、それによって、金属/合金粉末812の生産レートを制御することができる。いくつかの側面では、金属/合金粉末812を形成するときの溶融物高度およびタンディシュ810に添加される溶融物805の関連レートの慎重かつ精密な制御は、100マイクロメートル未満またはそれに等しい一貫した所望の粒度サイズ(≦100μm)またはさらに50マイクロメートル未満またはそれに等しい一貫した粒度サイズ(≦50μm)を有する、金属/合金粉末812を提供することができる。
真空冶金チャンバ802の視認ポートは、真空冶金チャンバ802内の溶融るつぼ804と組み合わせたLMHSのうちの1つまたはそれを上回るものの機能および動作およびその中の関連環境条件に適応するように種々の材料および層から構築された特殊層状ガラスから作製されることができる。
例示的実施形態では、本明細書に開示されるような溶融物レベル監視システムは、ガス粉末化プロセスにおいて溶融るつぼからの溶融物傾注の間、タンディシュ内の溶融物レベルを維持するために使用された。溶融物は、3,000ポンド(3,000lbs)溶融るつぼ溶鉱炉ボックスから150ポンド(150lbs)タンディシュの中に傾注された。LMHSは、溶融傾注レートが、ガス粉末化の間、一貫して維持されるように、タンディシュ内の溶融物レベルの高度を一定に保つために制御されるレートで溶融るつぼからタンディシュへの溶融物の供給を調節可能であった。
図9A、9B、および9Cは、レーザ溶融物高度センサシステムと連動してチャンバ内で使用するための視認ポート窓の層構造の略図であって、視認ポートは、ガラスと称され得る。本明細書で検討される視認ポートガラスは全て、真空下、超高真空(UHV)下、および圧力下でシールされたシステムと動作可能である。図9Aは、溶融金属/合金のガス粉末化のために構成されるVMシステムおよび/またはプラズマアークトーチ加熱ユニットを有する鋳塊を鋳造するためのVMシステムと併用するための単層視認ポートガラス900aの層構造を表す。示されるように、単層視認ポートガラス900aは、種々の実施形態では、パイレックス(登録商標)タイプガラス、サファイア、溶融石英、溶融シリカを含み得、さらなる実施形態では、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、フッ化カルシウム、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム、酸化ケイ素、または同等物でドープされ得る、ガラスから作製される、単一の一次層902を含む。
図9Bは、溶融金属/合金のガス粉末化のために構成されるVMシステムおよび/またはプラズマアークトーチ加熱ユニットを有する鋳塊を鋳造するためのVMシステムと併用するための二重層視認ポートガラス900bの代替層構造を表す。示されるように、二重層視認ポートガラス900bは、溶鉱炉環境の内部に向かって面する内側犠牲層904を伴う、一次層902を含む。二重層視認ポートガラス900bに関して、一次層902は、二重層視認ポートガラス900bの構造支持を提供することができる一方、犠牲層904は、VMシステムチャンバの熱、凝縮物、および他の環境条件に耐える、および/またはそれによって摩耗され得る。犠牲層904は、二重層視認ポートガラス900b、それによって、VMシステムチャンバのシールを保存することに役立つ。犠牲層904は、一次層902と同一または異なる材料から作製されることができ、犠牲層904は、一次層902の厚さ未満、それに等しい、またはそれを上回る厚さを有することができる。
図9Cは、電子ビーム加熱ユニットを有する鋳塊を鋳造するためのVMシステムと併用するための三重層視認ポートガラス900cの層構造を表す。示されるように、視認ポートガラス900cは、一次層902と、犠牲層904と、一次層902と犠牲層904との間に配置される鉛ガラス層906とを含む。電子ビーム動作では、X線が、VMシステムチャンバ内の電子ビームガンによって放出されることができる。故に、任意のオペレータを部分的に保護するために、三重層視認ポートガラス900cは、鉛ガラス層906を含み、視認ポートを通して伝送する任意のX線を最小限にする、低減させる、または排除することができる。三重層視認ポートガラス900cに関して、一次層902および鉛ガラス層906の一方または両方は、二重層視認ポートガラス900bの構造支持を提供することができる一方、犠牲層904は、VMシステムチャンバの熱、凝縮物、および他の環境条件に耐える、および/またはそれによって摩耗し得る。犠牲層904は、三重層視認ポートガラス900c、それによって、VMシステムチャンバのシールを保存することに役立つ。犠牲層904は、一次層902と同一または異なる材料から作製されることができ、犠牲層904は、一次層902または鉛ガラス層906のいずれかの厚さ未満、それに等しい、またはそれを上回る厚さを有することができる。同様に、鉛ガラス層906は、一次層902の厚さ未満、それに等しい、またはそれを上回る厚さを有することができる。いくつかの側面では、鉛ガラス層906は、一次層902に関して議論されるような材料および/またはドーパントを含むことができる。
種々の実施形態では、三重層視認ポートガラス900cはまた、溶融金属/合金のガス粉末化のために構成されるVMシステムおよび/またはプラズマアークトーチ加熱ユニットを有する鋳塊を鋳造するためのVMシステムの用途のために使用されることができる。さらなる側面では、単層視認ポートガラス900a、二重層視認ポートガラス900b、または三重層視認ポートガラス900cのいずれかは、視認ポートガラスの内部および/または外部側上に堆積される、視認ポートガラスを通した光学伝送を修正、制御、または別様に考慮する、薄膜コーティング(図示せず)を含むことができる。任意の所与のVMシステムチャンバに関して、視認ポートガラスは、本明細書に提供されるように、単層視認ポートガラス900a、二重層視認ポートガラス900b、または三重層視認ポートガラス900cの任意の組み合わせを含むことができる。
いくつかの側面では、ガス粉末化プロセスは、溶融物がさらなる粉末化のためにタンディシュに添加されるため、付加プロセスと見なされ得る。他の側面では、金型鋳造プロセスは、鋳塊が金型の開放底部端部から抜去されるにつれて溶融物が鋳造金型に添加されるため、除去プロセスと見なされ得る。本開示の全実施形態では、鋳塊位置の上部が金型内で変化するにつれて(鋳塊を適切なマニピュレータを用いて下方に物理的に移動させること、または溶融材料を金型の上部に添加することのいずれかによって)、またはタンディシュ内の溶融材料を粉末化することによってのいずれかにおいて、溶鉱炉システム容器内の溶融物レベルが変化するにつれて、任意の溶融容器内の溶融材料の量を所望の溶融物高度に制御するための能力は、LMHSによって著しく促進される。
本開示の代替実施形態では、LMHSは、レーザエミッタおよびレーザ検出器が相互に別個であるよう構成されるように構成されることができる。さらなる代替実施形態では、溶融物チャンバに入射するレーザビームは、第1の視認ポートを通して入射することができ、溶融材料から跳ね返った反射したレーザビームは、溶融物チャンバから第1の視認ポートと異なる第2の視認ポートを通して出射することができる。
本明細書に提供される例示的データは、開示される構造詳細のみに限定されないことを理解されたい。実際、本明細書に開示されるシステムおよび方法は、本業界において生産されるような任意の幅/直径の鋳塊に適用可能であって、金型内で鋳造されている鋳塊または炉内の溶融材料の溶融物高度の監視および関連測定を可能にする。比較的により大きい幅/直径では、付加的またはより大きい誤差境界が存在し得るが、溶融物高度測定の原理は、適用可能なままである。開示されるシステムおよび方法はさらに、そのような溶鉱炉システム内で処理され得る全金属および/または合金に適用可能である。
溶鉱炉システム、特に、コントローラおよび(1つまたはそれを上回る)LMHSはそれぞれ、さらに、溶鉱炉器具類の動作を制御し、溶鉱炉システムの測定を記録し得る、処理デバイスの構成要素でもあり得る、マイクロプロセッサを含むことができる。これらの処理デバイスは、バスを介して、不揮発性メモリデバイスに通信可能に結合されることができる。不揮発性メモリデバイスは、電源がオフにされると、記憶された情報を留保する、任意のタイプのメモリデバイスを含んでもよい。メモリデバイスの非限定的実施例は、電気的に消去可能なプログラマブル読取専用メモリ(「ROM」)、フラッシュメモリ、または任意の他のタイプの不揮発性メモリを含む。いくつかの側面では、メモリデバイスの少なくともいくつかは、処理デバイスが命令を読み取ることができる、非一過性媒体またはメモリデバイスを含むことができる。非一過性コンピュータ可読媒体は、電子、光学、磁気、または処理デバイスにコンピュータ可読命令または他のプログラムコードを提供可能な他の記憶デバイスを含むことができる。非一過性コンピュータ可読媒体の非限定的実施例は、磁気ディスク、メモリチップ、ROM、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、ASIC、構成されたプロセッサ、光学記憶、および/またはコンピュータプロセッサが命令を読み取ることができる任意の他の媒体を含む(但し、限定ではない)。命令は、例えば、C、C++、C#、Java(登録商標)、Python、Perl、JavaScript(登録商標)等を含む、任意の好適なコンピュータプログラミング言語で書かれたコードからコンパイラおよび/またはインタープリタによって生成されたプロセッサ特有の命令を含んでもよい。
前述の説明は、例証であって、制限ではなく、本開示の精査に応じて、当業者に明白となるであろうように、本発明は、その本質的特性から逸脱することなく、他の具体的形態で具現化されてもよい。例えば、前述の側面のいずれかは、1つまたはいくつかの異なる構成に組み合わせられてもよく、それぞれ、側面のサブセットを有する。さらに、前述の説明全体を通して、説明目的のために、多数の具体的詳細が、本発明の完全理解を提供するために記載された。しかしながら、これらの実施形態が、これらの具体的詳細のうちのいくつかを伴わずに実践されてもよいことは、当業者に明白となるであろう。これらの他の実施形態は、本発明の精神および範囲内に含まれることが意図される。故に、本発明の範囲は、したがって、前述の説明を参照して判定されるべきではなく、代わりに、以下の係属中の請求項とともに、その均等物の全範囲を参照して判定されるべきである。
Claims (19)
- ガス粉末化システムであって、
視認ポートを有する、真空チャンバと、
溶融るつぼと、
溶融材料を前記溶融るつぼから受容するように構成される、タンディシュと、
ガス粉末器と、
レーザビームを放出し、レーザ信号を受信し、前記タンディシュ内の前記溶融材料のレベルを判定するように構成される、レーザ溶融物高度センサシステムと、
を備える、システム。 - 前記タンディシュは、前記視認ポートの下方に位置付けられ、前記レーザ溶融物高度センサシステムは、前記真空チャンバの外側において、前記タンディシュおよび視認ポートの上方に位置付けられる、請求項1に記載のシステム。
- 前記レーザ溶融物高度センサシステムおよび前記溶融るつぼに電子的に結合され、前記レーザ溶融物高度センサシステムによって受信されたレーザ信号に基づいて、前記溶融るつぼが溶融材料を前記タンディシュに提供するレートを制御するように構成される、コントローラをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記視認ポートは、レーザビームをガス粉末化プロセスを促進する環境を有する前記真空チャンバの中に伝送するように構成される、層状ガラス構造から形成される、請求項1に記載のシステム。
- 真空溶融システムであって、
1つまたはそれを上回る視認ポートを有する、真空チャンバと、
材料供給部と、
原材料を前記材料供給部から受容し、前記原材料を溶融材料にするように構成され、一次加熱ユニットと動作可能に結合される、溶融炉と、
1つまたはそれを上回る精製炉であって、各々が前記溶融材料を前記溶融炉から受容するように構成され、各々がそれぞれ1つまたはそれを上回る二次加熱ユニットと動作可能に結合される、精製炉と、
前記溶融材料を前記1つまたはそれを上回る精製炉から受容するように構成される、上部開放および底部開放型鋳造金型と、
レーザ溶融物高度センサシステムのセットであって、各々がレーザビームを放出し、レーザ信号を受信するように構成され、前記溶融炉内の溶融材料、前記1つまたはそれを上回る精製炉、および前記鋳造金型のレベルを判定するように構成される、レーザ溶融物高度センサシステムと、
を備える、システム。 - 前記溶融炉、1つまたはそれを上回る精製炉、および鋳造金型の各々は、別々の視認ポートの下方に位置付けられ、別々のレーザ溶融物高度センサシステムは、前記真空チャンバの外側において、前記溶融炉、1つまたはそれを上回る精製炉、および鋳造金型の各々の上方に位置付けられる、請求項5に記載のシステム。
- 前記一次加熱ユニットおよび前記1つまたはそれを上回る二次加熱ユニットは、電子ビームガンである、請求項5に記載のシステム。
- 前記1つまたはそれを上回る視認ポートは、レーザビームを電子ビームガンを伴う環境を有する前記真空チャンバの中に伝送するように構成される、層状ガラス構造から形成される、請求項7に記載のシステム。
- 前記一次加熱ユニットおよび前記1つまたはそれを上回る二次加熱ユニットは、プラズマアークトーチである、請求項5に記載のシステム。
- 前記1つまたはそれを上回る視認ポートは、レーザビームをプラズマアークトーチを伴う環境を有する前記真空チャンバの中に伝送するように構成される、層状ガラス構造から形成される、請求項9に記載のシステム。
- 前記レーザ溶融物高度センサシステムのセット、前記材料供給部、前記溶融炉、および前記1つまたはそれを上回る精製炉に電子的に結合されたコントローラであって、前記レーザ溶融物高度センサシステムによって受信されたレーザ信号に基づいて、溶融材料が前記溶融炉、前記1つまたはそれを上回る精製炉、および前記鋳造金型に提供されるレートを制御するように構成される、コントローラ
をさらに備える、請求項5に記載のシステム。 - 前記鋳造金型内で形成される鋳塊の位置を制御するように構成される、鋳塊位置アクチュエータをさらに備え、前記コントローラはさらに、前記鋳塊位置アクチュエータに電子的に結合され、前記レーザ溶融物高度センサシステムによって受信されたレーザ信号に基づいて、本鋳塊が前記鋳造金型から抜去されるレートを制御するように構成される、請求項11に記載のシステム。
- 溶融材料のレベルを監視するための方法であって、
溶融材料を溶鉱炉システム容器に提供するステップと、
レーザ溶融物高度センサシステムを用いて、前記溶融材料にレーザビームを放出するステップと、
レーザ溶融物高度センサシステムを用いて、前記溶融材料から反射したレーザ放出を検出するステップと、
前記レーザ溶融物高度センサシステムによって検出された前記レーザ放出に基づいて、前記溶融材料を提供するレートを制御するステップと、
を含む、方法。 - 前記レーザ溶融物高度センサシステムによって検出された前記レーザ放出に基づいて、鋳造金型からの鋳塊抜去のレートを制御するステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 前記溶鉱炉システム容器内の溶融材料を加熱ユニットを用いて加熱するステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 前記加熱ユニットは、溶融るつぼ、電子ビームガン、またはプラズマアークトーチのうちの1つである、請求項15に記載の方法。
- 前記レーザビームは、パルスまたは連続モードのいずれかで放出される、請求項13に記載の方法。
- 前記レーザビームは、約950nmの波長で放出される、請求項13に記載の方法。
- 前記レーザ放出は、約100Hzのサンプリングレートで検出される、請求項13に記載の方法。
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