JP6843551B2 - 低減された断面積の鋳型内のインゴットの位置を感知するための方法およびシステム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１５年８月２４日に出願された米国仮特許出願第１４／８３４，１８９号の利益を主張するものであり、その開示の全体は、参照により本明細書中に援用される。

（本発明の背景）
産業界においては、単一の操作プロセスにおいて原料から直接的に活性金属または耐火性金属および／またはそれらの合金の高品質なインゴッドを生成するために、真空冶金溶解システムが構築され、操作されてきた。いくつかのこのようなシステムにおいては、原料は、鋳型の少なくとも一部分を包囲している加熱誘導コイルを有している開放頂部および開放底部の鋳型の中に提供され得る。原料（または供給材料）は、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、および／またはそれらの合金等の金属であり得、固体形態または融解形態で真空冶金システムの鋳型の中に提供され得る。融解形態にされるとき、これらの金属は、一般的には誘導溶解坩堝を作製するために使用される酸化物耐火物によって汚され得る。それ故、汚れを回避するために、これらの金属は、典型的には、水冷銅製容器内で溶解されるが、この溶解技術は、熱的に約２５％効率的であるにすぎない。

真空冶金溶解システムを用いて作製された活性金属／合金または耐火性金属／合金の比較的小さな断面積のインゴット、バー、鋳物が、航空宇宙業界、自動車業界、エネルギー業界、および医療業界にわたって使用されている。これらは、無数の形状に機械加工または鍛造され得る。これらは、ワイヤへと引き伸ばされるかまたは粉末状金属にされることになる原料として使用され得る。このような小さな断面積のバーは、典型的には、高温へと徐々に加熱されてその後に所望のサイズに鍛造されるより大きなインゴットから作製される。しかしながら、鍛造プロセスは、かなりの収率損失につながり得る（典型的には、使用可能な金属の６０−７０％の収率である）。これは、部分的には、多数の鍛造ステップの後のインゴットの端部の変形に起因する。さらに、インゴットが鍛造待ち行列においてそれ自身の順番を待つために数か月かかり得る。なおもさらに、大きなインゴットの比較的小さな表面積対体積比およびそれに関連付けられた冷却速度に起因して、最終生成物の粒径は、所望されるものまたは必要とされるものに比べて、均一性がより大きかったりまたはより小さかったりし得る。

粉末状金属から作製されたパーツは、ますます一般的になり所望されるようになっている。粉末状金属は、通常、融解材料から鋳造されたインゴットまたは鋳物を研磨することによって、または、再度溶解し噴霧することによって、形成される。その後、パーツが、粉末を直接的に最終形態へと統合することによって、または、その後に機械加工される予備形態へと統合することによってのいずれかにより、生成され得る。ほとんどの用途においては、通常、各粉末粒子が同じ組成のものであることは重要である。これは、そこから粉末が形成される金属のインゴットまたは鋳物が均一であることを保証することによってのみ達成され得、そしてこれは、そこからインゴットまたは鋳物が作製される融解金属が均一である場合にのみ達成され得る。

融解金属（および／または合金）の均一性を保証するための最も一般的な方法は、融解金属を鋳型に注入する前に、および／または、鋳型内にインゴットとして鋳造される融解金属が存在する時間の間に、融解金属を攪拌することである。別の方法は、誘導コイルを使用するものであり、出願人に譲渡された１９９９年１２月２８日付けのＨａｕｎに対する米国特許第６，００６，８２１において議論されており、該米国特許は、参照により本明細書中に援用される。また、直列に無線接続された加熱要素を有する単一の電力源を使用する加熱の代替的な実装が、出願人に譲渡され２０１３年９月１８日に出願された米国特許出願第１４／０３１，００８号において記載されており、該米国特許出願は、参照により本明細書中に援用される。

チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、アルミニウム、および／またはその他の金属等の金属間化合物から作製される比較的大きなインゴットを鋳造しようとする試みに起因する追加的な複雑性（そのようなインゴットが、小さな機械的欠陥、大きな機械的欠陥、および／または壊滅的な機械的欠陥に陥る傾向があり得るという点）が生じ得る。いくつかの場合においては、インゴットが、鋳造された後に冷却されて炉から回収される際に、インゴットの外部／表面とインゴットの内部／コアとの間に温度勾配が生じ得る。いくつかの金属および合金では、冷却の速度および温度勾配は、十分に極端であり得るか、または、十分に相違し得、その結果、インゴットがひび割れ、壊れ、またはそれ自身から剪断され得、それにより、インゴットを産業上の使用または比較的小さなインゴットにする後処理のために不適合で安全ではないものにする。

これらの理由の全てにより、インゴットをそれらの所望の最終的な断面サイズにより近くなるように鋳造することが望ましく、これは、小さな断面のインゴットに対してこれまで成し遂げられて来なかった離れ業である。さらに、当業者にとって明白な理由により、インゴットができるだけ均一であることを保証することが望ましい。

米国特許第６，００６，８２１号明細書

（本発明の概要）
本開示の発明は、誘導溶解コイルによって包囲されたセグメント化された水冷鋳型内のインゴットの位置を決定するための方法およびシステムを記載している。特に、本開示の鋳型およびコイルアセンブリは、比較的小さなまたは低減された断面寸法を有するインゴットを生成するために使用される。このようなインゴットは、例えばチタンアルミナイドまたは形状記憶ニッケルチタン等の複雑な活性または耐火性の金属合金から作製され得る。鋳型およびその内容物の誘導加熱は、高品質のインゴット（一般的に内部ボイドが無く、最小限の形成後の表面清掃を要求するインゴット）が生成され得ることを保証し得る。部分的に高品質のインゴットの生成は、インゴットの頂部が溶解のために鋳型の最適ゾーン内に一貫して配置されることを保証することにより、補助される。しかしながら、小さなまたは低減された断面積を採用するこのようなシステムにおいては、真空冶金チャンバ内に限られた視野角しか存在しないことがあり得、それにより、鋳型内のインゴットの位置の視覚的監視および後続の制御が問題含みになり得る。本開示は、誘導溶解コイル（誘導電源に接続されている）内および同調コンデンサ内の電流振幅または電流周波数を監視することにより、鋳型内のインゴットの位置を感知するための構造および手段を提供する。誘導溶解コイルの電流は、最適な溶解条件に較正される。追加的な材料が鋳型の頂部に追加されると、インゴットは、誘導溶解コイルの電流を許容範囲内に維持するために移動させられる。

いくつかの実施形態において、本開示は、真空冶金溶解システムに関しており、該システムは、入力端部および抽出端部を有するセグメント化された鋳型であって、融解金属または合金を受け取り、インゴットへと鋳造するように構成されている鋳型；セグメント化された鋳型の周囲に少なくとも部分的に位置付けられた一次加熱誘導コイルであって、セグメント化された鋳型の内部領域内に熱を誘導するように構成されている一次加熱誘導コイル；一次加熱誘導コイルに電気的に結合され、かつ、該一次加熱誘導コイルに電力供給する加熱電源；少なくとも一次加熱誘導コイル、セグメント化された鋳型、および電源を含む電気回路を同調させるように構成されている同調コンデンサ；同調コンデンサと一次加熱誘導コイルとの間の電気的結合またはコンダクタの周囲に少なくとも部分的に位置付けられた少なくとも１つの感知コイル；インゴットおよび／または融解金属または合金をセグメント化された鋳型内で支持および移動させるように位置付けられたインゴット位置アクチュエータ；および、少なくとも１つの感知コイルおよびインゴット位置アクチュエータの少なくとも両方に操作可能に結合されたインゴット位置コントローラであって、インゴット位置アクチュエータに、融解金属または合金をセグメント化された鋳型内で移動させるように命令するように構成されているインゴット位置コントローラ、を有する。

いくつかの局面において、真空冶金溶解システムは、金属および／または合金を固体形態または融解形態のいずれかまたは両方でセグメント化された鋳型の入力端部に提供するように構成されている材料供給をさらに含み得る。溶解システムは、材料供給を有し得、該材料供給は、セグメント化された鋳型の入力端部の近くに位置付けられた坩堝であって、融解金属または合金をセグメント化された鋳型の中に提供するように構成されている坩堝；坩堝内で金属または合金を溶解するように構成されている坩堝加熱システム；および、坩堝加熱システムに電気的に結合され電力供給する二次電源、をさらに含む。このような局面において、坩堝加熱システムは、可動プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、二次加熱誘導コイル、またはこれらの組み合わせをさらに含み得る。溶解システムのセグメント化された鋳型は、垂直に向けられ得、セグメント化された鋳型の主軸に沿って延びているセグメンテーションをさらに有し得る。少なくとも１つの感知コイルは、加熱電源と少なくとも１つの一次加熱誘導コイルとの間の電気的結合またはコンダクタ内で検出された電力振幅および電力周波数のいずれかまたは両方を、インゴット位置コントローラに提供される電気的制御信号に変換するように構成され得る。さらに、インゴットの頂部が一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、インゴットの頂部が溶解されるかまたは融解状態を維持されることが可能になるように、インゴットをセグメント化された鋳型内で移動させることを目的として、感知コイルの電気的制御信号は、インゴット位置コントローラを自動的に操縦するためにインゴット位置コントローラによって使用され得る。代替的に、感知コイルの電気的制御信号は、インゴットの頂部が一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、セグメント化された鋳型内でインゴットを移動させるように、インゴット位置アクチュエータを操縦するために操作者の相互作用を介して読み取りおよび使用され得る。いくつかの局面において、セグメント化された鋳型は、約７．１平方インチまたはそれ未満の断面積を有し得る。その他の局面において、セグメント化された鋳型は、約３インチまたはそれ未満の幅または直径を有し得る。

別の局面において、本開示は、真空冶金システムの鋳型内のインゴットの位置を決定するための方法に関する。本方法は、金属および／または合金をセグメント化された鋳型の中に提供するステップであって、セグメント化された鋳型は、開放頂部および開放底部の鋳型である、ステップ；セグメント化された鋳型内の金属および／または合金を、加熱誘導コイルを用いて該金属および／または合金の融点まで加熱するステップ；融解金属および／または合金を融解状態に維持し、セグメント化された鋳型内の金属および／または合金の任意の固体部分を溶解して融解状態にするステップ；融解金属および／または合金を用いてセグメント化された鋳型内にインゴットを形成するステップ；および、感知コイルを用いてセグメント化された鋳型内のインゴットの位置を決定するステップ、を含み得る。

加熱誘導コイルおよび高周波数電源は、コンデンサに電気的に接続されており、これは、誘導コイル、鋳型およびその内容物、該コンデンサ、および電源から成る電気回路を、鋳型内での溶解のために最適な電力レベルに同調させるように動作可能である。さらに、感知コイルは、加熱誘導コイルとコンデンサとの間のコンダクタにおける電流を検出するように構成されており、誘導溶解コイルおよびコンデンサを流れる電流は、感知コイル回路において比例する電流または周波数を誘導する。その他の局面において、感知コイルは、感知コイルによって検出された電流の変化を測定するように構成されている電子的位置コントローラと直列に接続され得る。本方法は、電子的位置コントローラが、感知コイルにおいて検出された電流を電気的制御信号に変換すること；インゴット位置アクチュエータに、セグメント化された鋳型内のインゴットを加熱誘導コイルの近くに移動させるように命令すること；および、インゴットの頂部を融解状態に維持すること、をさらに含み得る。いくつかの局面において、電子的位置コントローラは、操作者の相互作用を介してインゴット位置アクチュエータに命令し得る。その他の局面において、電子的位置コントローラは、自動フィードバックループを介してインゴット位置アクチュエータに命令し得る。本方法は、融解金属および／または合金の一部をセグメント化された鋳型の頂部に注入するように構成されている一次溶解容器内で金属および／合金を溶解させることをさらに含み得る。その他の局面において、本方法は、固体状態の供給材料をセグメント化された鋳型の頂部に送達するように構成されている一次供給部を使用することをさらに含み得る。その他の局面において、電子的制御信号は、加熱誘導コイルに供給される電力を調整し、それにより、鋳型内のインゴットの加熱の度合いを調整するために使用され得る。さらに、セグメント化された鋳型の中への融解金属および／または合金の注入速度は、セグメント化された鋳型内のインゴットの決定された位置に従って調整され得る。最後に、本方法は、セグメント化された鋳型からインゴットを回収することを含み得、形成されたインゴットは、低減された断面積を有し得る。
本明細書は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
真空冶金システムであって、上記システムは、
入力端部および抽出端部を有するセグメント化された鋳型であって、融解金属または合金を受け取り、インゴットへと鋳造するように構成されている鋳型と、
上記セグメント化された鋳型の周囲に少なくとも部分的に位置付けられた一次加熱誘導コイルであって、上記セグメント化された鋳型の内部領域内に熱を誘導するように構成されている一次加熱誘導コイルと、
上記一次加熱誘導コイルに電気的に結合され、かつ、上記一次加熱誘導コイルに電力供給する加熱電源と、
少なくとも上記一次加熱誘導コイル、上記セグメント化された鋳型、および上記電源を含む電気回路を同調させるように構成されている同調コンデンサと、
上記同調コンデンサと上記一次加熱誘導コイルとの間の電気的コンダクタの周囲に少なくとも部分的に位置付けられた少なくとも１つの感知コイルと、
上記インゴットおよび／または融解金属または合金を上記セグメント化された鋳型内で支持および移動させるように位置付けられたインゴット位置アクチュエータと、
上記少なくとも１つの感知コイルおよび上記インゴット位置アクチュエータの少なくとも両方に操作可能に結合されたインゴット位置コントローラであって、融解金属または合金を上記セグメント化された鋳型内で移動させるように上記インゴット位置アクチュエータに命令するように構成されているインゴット位置コントローラと
を含む、システム。
（項目２）
金属および／または合金を固体形態または融解形態のいずれかまたは両方で上記セグメント化された鋳型の上記入力端部に提供するように構成されている材料供給をさらに含む、上記項目に記載のシステム。
（項目３）
上記材料供給は、
上記セグメント化された鋳型の上記入力端部の近くに位置付けられた坩堝であって、融解金属または合金を上記セグメント化された鋳型の中に提供するように構成されている坩堝と、
上記坩堝内で金属または合金を溶解するように構成されている坩堝加熱システムと、
上記坩堝加熱システムに電気的に結合されており、上記坩堝加熱システムに電力供給する、二次電源と
をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
（項目４）
上記坩堝加熱システムは、可動プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、二次加熱誘導コイル、またはこれらの組み合わせをさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
（項目５）
上記セグメント化された鋳型は、垂直に向けられ、上記セグメント化された鋳型の主軸に沿って延びているセグメンテーションを有する、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
（項目６）
上記少なくとも１つの感知コイルは、上記加熱電源と上記少なくとも１つの一次加熱誘導コイルとの間の上記電気的コンダクタ内で検出された電流振幅および電流周波数のいずれかまたは両方を、上記インゴット位置コントローラに提供される電気的制御信号に変換するように構成されている、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
（項目７）
上記感知コイルの電気的制御信号は、上記インゴットの頂部が上記一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、上記インゴットを上記セグメント化された鋳型内で移動させるように、上記インゴット位置アクチュエータを自動的に操縦するために上記インゴット位置コントローラによって使用される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
（項目８）
上記感知コイルの電気的制御信号は、上記インゴットの頂部が上記一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、上記インゴットを上記セグメント化された鋳型内で移動させるように、上記インゴット位置アクチュエータを操縦するために操作者の相互作用を介して使用される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
（項目９）
上記セグメント化された鋳型は、約７．１平方インチまたはそれ未満の断面積を有する、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
（項目１０）
上記セグメント化された鋳型は、約３インチまたはそれ未満の幅を有する、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
（項目１１）
真空冶金システムの鋳型内のインゴットの位置を決定するための方法であって、上記方法は、
金属および／合金をセグメント化された鋳型の中に提供することであって、上記セグメント化された鋳型は、開放頂部および開放底部の鋳型である、ことと、
上記セグメント化された鋳型内の金属および／または合金を加熱誘導コイルを用いて加熱することと、
融解金属および／または合金を融解状態に維持し、上記セグメント化された鋳型内の上記金属および／または合金の任意の固体部分を溶解して融解状態にすることと、
上記融解金属および／または合金を用いて上記セグメント化された鋳型内にインゴットを形成することと、
感知コイルを用いて上記セグメント化された鋳型内の上記インゴットの位置を決定することと
を含む、方法。
（項目１２）
上記加熱誘導コイルおよび高周波数電源は、同調コンデンサに電気的に接続されており、上記方法は、
上記誘導コイル、上記鋳型およびその内容物、および上記電源から成る電気回路を、上記鋳型内での溶解のために最適な電力レベルに同調させること
をさらに含む、上記項目に記載の方法。
（項目１３）
上記感知コイルは、上記加熱誘導コイルと上記同調コンデンサとの間のコンダクタにおける電流を検出するように構成され、誘導溶解コイルおよび上記同調コンデンサを流れる電流は、感知コイル回路において比例する電流または周波数を誘導する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１４）
上記感知コイルは、上記感知コイルによって検出された電流の変化を測定するように構成された電子的位置コントローラと直列に接続されている、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１５）
上記電子的位置コントローラが、上記感知コイルにおいて検出された上記電流を電気的制御信号に変換することと、
インゴット位置アクチュエータに、上記セグメント化された鋳型内のインゴットを上記加熱誘導コイルの近くに移動させるように命令することと、
上記インゴットの頂部を融解状態に維持することと
をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１６）
上記電子的位置コントローラは、操作者の相互作用を介して上記インゴット位置アクチュエータに命令する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１７）
上記電子的位置コントローラは、自動フィードバックループを介して上記インゴット位置アクチュエータに命令する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１８）
上記電子的位置コントローラが、上記感知コイルにおいて検出された上記電流を電気的制御信号に変換することと、
上記加熱誘導コイルに供給される電力を調整し、上記セグメント化された鋳型内の上記金属および／または合金を加熱する度合いを変化させることと
をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１９）
上記セグメント化された鋳型内の上記インゴットの上記決定された位置に基づいて、上記セグメント化された鋳型の中への融解金属および／または合金の注入速度を調整することをさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２０）
上記インゴットを上記セグメント化された鋳型から回収することをさらに含み、上記インゴットは、低減された断面積を有する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（摘要）
真空冶金システムのセグメント化された鋳型内のインゴットの位置を感知するためのシステムおよび方法。誘導感知システムは、電力源と誘導加熱コイルの負荷との間の電流の変動を測定する。本システムおよび方法は、特に、鋳型が比較的低減された断面積または比較的小さな断面積を有する場合に溶解システムの鋳型内のインゴットの位置を決定するために適している。

本開示の例示的局面が、下記図面を参照しながら、以下に詳細に記載される。
図１Ａは、本開示の局面に従う、インゴットを形成するための真空冶金システムの第１の実施形態の概略的表現である。 図１Ｂは、本開示の局面に従う、インゴットを形成するための真空冶金システムの第２の実施形態の概略的表現である。 図１Ｃは、本開示の局面に従う、図１Ｂに示されているインゴットを形成するための真空冶金システムの実施形態の概略図である。 図２は、本開示の局面に従う、誘導感知システムを使用してインゴットを形成するためのプロセスを表現しているフローチャートである。 図３Ａ−３Ｇは、本開示の局面に従う、真空冶金システムのためのセグメント化された鋳型の種々の図である。

本明細書中に開示されている多くの実施形態の完全な理解を提供するために、説明を目的として、本記載の全体に亘り、多数の特定の詳細が示される。しかしながら、当業者にとって、多くの実施形態がこれらの特定の詳細のうちのいくつかが無くても実施され得ることは明白であり得る。その他の例では、既知の構造およびデバイスは、記載されている実施形態の根底にある原理を曖昧にすることを回避するために、ダイヤグラム形式または概略図形式で示されている。

本開示は、溶解システム（特に、真空冶金溶解炉システム）の鋳型内のインゴットの位置を決定するためのシステムおよび方法に関しており、インゴットは、システムの一部としての鋳型の構造、構成、および／またはその他の設計要件に起因して、容易に観察することができない。例示的な実施形態は、特に、セグメント化された鋳型（代替的にタンディッシュとしても参照される）内のインゴットの位置を決定するための誘導感知システムを含むシステムおよび方法を提供する。鋳型内のインゴットの位置を知ることにより、鋳型内のインゴットの正確な操縦（例えば、鋳型内のインゴットの位置を調整または変化させること、または、鋳型に向けられた溶解システム内の加熱デバイスの加熱特性を変更すること）が可能になる。本開示は、当該技術分野において伝統的に知られている標準的なサイズのインゴットまたはインゴットに対して低減された断面積を有するインゴットを形成するために特に有用であると考えられる。また、本開示は、その後に粉末（粉末の各微粒子の均一性に関心がある）に変換され得るインゴットおよび／または鋳物を形成するために有用であると考えられる。さらに、本開示は、標準的な製造のためのインゴットおよび／または鋳物、または、細長い鋳物を形成するために有用であると考えられる。多くの局面において、本開示は、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、アルミニウム、およびこれらの組み合わせおよび合金から成るインゴットを形成するために特に適していると考えられる。

本開示の全体に亘って、「低減された断面」、「小さな断面」、および「標準的なサイズ」という用語は、互いに対するそれらの断面のサイズに基づくものとして使用されており、産業界において使用されている通りである。本明細書中で使用されるとき、「低減された断面」および／または「小さな断面」は、約３インチ（３ｉｎ）またはそれ未満の幅または直径を有するインゴットまたは鋳物、および／または、典型的には７．１平方インチまたはそれ未満（≦７．１ｓｑ ｉｎ）の断面積を有するインゴットまたは鋳物を参照する。例えば、低減された断面積の鋳型は、約３インチまたはそれ未満（≦３．０ｉｎ）の直径を有する円形断面のインゴットを生成し得る。追加的にまたは代替的に、「低減された断面」および「小さな断面」という用語は、下記の効果、すなわち、最終的なインゴットにおけるひび割れを回避すること；最終生成物へのさらなる製造の間にインゴットが処理されているときに、該インゴットのひび割れを回避すること；インゴットが固化する間の制御された冷却を可能にすること；例えば比較的小さな粒径（例えば、１００マイクロメートルまたはそれ未満）等の任意の所望の粒径を有するインゴットを生成すること、のうちの任意の１つ以上を達成するための任意の適切なサイズの鋳型を参照し得る。

さらに、本明細書中で使用されるとき、「標準的なサイズ」は、約３−６インチ（３−６ｉｎ）またはそれよりも大きい幅または直径を有するインゴットまたは鋳物、および／または、典型的には７．１平方インチよりも大きい（＞７．１ｓｑ ｉｎ）断面積を有するインゴットおよび／または鋳物を参照する。追加的に、本明細書中で使用されるとき、「金属／合金」は、「金属、金属間化合物、および／または合金」およびそれらの変種を省略形で参照するために使用される。

特に、本開示の局面は、低減された断面積を有するインゴットを生成するためのシステムおよび方法を提供する。金属および／または合金の原料は、セグメント化された鋳型の中へと供給される。金属／合金の原料は、固体形態で、または、例えば坩堝等の容器内で溶解されている融解形態で、供給され得る。容器の周囲または下方に提供された誘導コイルは、セグメント化された鋳型内の融解金属／合金の電磁気的な加熱および／または攪拌を提供する。金属／合金が固体形態でセグメント化された鋳型の中へと（例えば、バー供給部等の一次供給部を介して）供給される場合、誘導コイルは、原料を融解形態に溶解し得る。インゴットが形成されるとき融解金属／合金の攪拌、および、融解金属／合金の特定の領域の一貫した加熱は、その他の既知のシステムと比較した場合、融解金属／合金のより優れた均一性につながり得る。

開放頂部および開放底部のセグメント化された鋳型を有する真空冶金溶解システムのいくつかの実装において、鋳型内に鋳造されたインゴットは、セグメント化された鋳型の周囲に少なくとも部分的に配列されている加熱誘導コイルにより、インゴットの頂部が融解状態を維持されている間に、鋳型の底部から回収される。いくつかの局面において、鋳型の開放頂部は、入力端部として参照され得、鋳型の開放底部は、抽出端部として参照され得る。インゴットの頂部をセグメント化された鋳型内に保つことにより、インゴットに追加された追加的な融解金属／合金は、強力な均一の結合を形成する可能性がより高くなり、それにより、最小限の機械的不具合またはその他の望ましくない不備を有するインゴットの一部となる可能性がより高くなる。したがって、インゴットの頂部を加熱することは、インゴットがセグメント化された鋳型内のどこに位置付けられるかを問わず、単一の操作または連続的な操作で高品質のインゴットを生成するために有利である。

溶解容器（代替的に、坩堝としても参照される）は、供給材料がセグメント化された鋳型へと供給される前に、供給材料の金属／合金を、融解金属／合金へと溶解するために使用され得る。供給材料は、適切な手段（例えば、バー供給部によって押されること、または、バルク供給部によって落下させられること等）により、溶解容器が供給位置および／または溶解位置にある状態で溶解容器に入る。いくつかの実施形態において、プラズマアークトーチは、底部の未溶解スカル（ｓｋｕｌｌ）および頂部の融解プールを維持している溶解容器内の供給材料を溶解させる。融解容器の融解内容物は、溶解容器を送達位置に移動させ、かつ、融解内容物（代替的に、「溶解物」としても参照される）を注入切込み部を通して傾斜注入することにより、鋳型へと移送され得る。溶解容器の融解内容物が移送されると、溶解容器は、供給位置および／または溶解位置へと戻され得、より固形化した材料が、後続の溶解のために溶解容器の中へと向けられる。

別の実施形態においては、電子ビーム銃が、水冷銅製溶解容器内で金属および／合金を溶解させるために使用され得る。そして、水冷銅製溶解容器は、融解金属／合金を鋳型の中へと傾斜注入し得る。さらなる実施形態において、溶解容器は、誘導溶解坩堝であり得、溶解容器は、金属および／合金を溶解するために、誘導加熱コイル（セグメント化された鋳型に結合された誘導加熱コイルとは別個かつ異なるもの）に結合され得る。誘導溶解坩堝は、傾斜させられて、融解金属／合金を鋳型の中へと注入し得る。上記実施形態において、プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、および溶解容器／坩堝のための誘導加熱コイルの各々は、供給材料を溶解させることに専用化された電力源によって電力供給され得る。供給材料が融解材料である実施形態において、融解材料は、最小限のこぼれ出し（例えば、溶解容器の一端部における注入切込み部を通したこぼれ出し）で、小さな断面積サイズの鋳型の中へと向けられる。低減された断面積の鋳型に対し、指向性熱源（例えば、プラズマアークトーチ等）が、鋳型の頂部における材料を加熱するために使用されるとした場合、プラズマアークの直径は、鋳型そのものを破壊するリスクを冒すために十分に大きくあり得る。

代替的な実施形態において、セグメント化された鋳型へと提供される供給材料は、固体形態の金属／合金であり得、これは、セグメント化された鋳型内で溶解される。いくつかの局面において、金属／合金は、指向性加熱装置（例えば、セグメント化された鋳型の開放頂部の上方に位置付けられたプラズマアークトーチまたは電子ビーム銃等）により、セグメント化された鋳型内で溶解され得る。その他の局面において、金属／合金は、セグメント化された鋳型の周囲に部分的に位置付けられ配列された加熱誘導コイルにより、セグメント化された鋳型内で溶解され得る。

セグメント化された鋳型は、典型的には、銅から作製され、内的には水冷式であり得、流体が通過することを可能にしかつ熱交換導管を提供するために、鋳型の内部の少なくとも一部分を通して延びているチャネルを有する。いくつかの実施形態において、セグメント化された鋳型は、小さな断面積（いくつかの実装においては、約７．１平方インチ未満であり得る）を有する。鋳型のアスペクト比（すなわち、内部長を内径で割ったもの）は、約２：１から約１０：１までの範囲であり得る。いくつかの例示的な実施形態において、セグメント化された水冷鋳型は、約５３ミリメートル（５３ｍｍ）の内径を有し得る。その他の実施形態において、セグメント化された水冷鋳型は、約５０ミリメートルから約１０２ミリメートル（〜５０ｍｍ−１０２ｍｍ）の内径を、その範囲内で、任意の増分、勾配で有し得る。

電力は、高周波数の誘導電源によってセグメント化された鋳型の一部分を包囲する誘導コイルに送達され得る。同調コンデンサは、最適な電力入力および溶解性能のための電源に負荷を同調させるために使用され得る（負荷は、一般的には、セグメント化された鋳型、それに収容されるインゴット、およびコイルを含むが、それらには限定されないと考えられる）。いくつかの局面において、同調コンデンサは、コンデンサを追加することによって変動させられ得る。負荷を同調させて、電源とのインピーダンス不整合を回避することは、最小量の入力電力で熱入力を最適化し得る。

鋳造プロセスの間に、インゴットは、鋳型の底部から回収されるが、誘導コイルの近くのインゴットの頂部は、融解状態を維持される。本明細書中で議論されているセグメント化された鋳型の比較的小さな内径、および、真空冶金チャンバの壁（または蓋）からの限られた視野角に起因して、観察者または操作者が視覚的手段によって鋳型内のインゴットの位置を正確に決定することが実際には困難になり得る。しかしながら、誘導コイルに対する固定電力入力において、インゴットは、感知コイル（代替的に、センサ誘導コイルとしても参照される）を使用して、誘導コイルと同調コンデンサとの間の循環電流を監視することにより、電気的に感知され得る。誘導コイルと同調コンデンサとの間で振動する高周波数の電流に起因して、電気的に絶縁された感知コイルが、その電流を測定するために使用され得る。感知コイルは、セグメント化された鋳型を包囲する誘導コイルへのリード線のうちの１つの周囲に配置される。感知コイルは、真空冶金チャンバの外部に搭載され得るが、同調コンデンサと誘導コイルとの間に搭載され得る。そして、感知コイルは、誘導電源によって送達された高周波数の電流に対して定格化された電流メータに電気的に接続される。これは、誘導感知システムとして参照され得る。

インゴットを適切なマニピュレータを用いて下方へと物理的に移動させること、または、融解材料を溶解容器から鋳型の頂部に追加することのいずれかにより、インゴットの頂部の位置が鋳型内で変化する際に、誘導コイルの電流が変化する。誘導電源が一定電力出力モードにおいて操作されるとすると、コイル電流は、最適な溶解条件のために必要とされる同調され較正された値から、予測可能な態様で変動する。鋳型（または鋳型の関連するセクション）が完全に一杯になっている場合、誘導コイル電流は、低値に到達する。鋳型（または鋳型の関連するセクション）がほぼ空の場合、誘導コイル電流は、高値に到達する。したがって、電流測定（電流振幅または電流周波数のいずれか、またはそれらの両方の測定であり得る）に基づいて、ならびに、インゴットがいかにして鋳型の中へと注入されるかについての理解、および／または、インゴットがいかにして鋳型から回収されるかについての理解に基づいて、鋳型内のインゴットの位置が決定され得る。インゴット鋳造プロセスのステージに依存して、インゴットは、鋳型内で、特定の処理操作のための所望の場所へと、さらに移動させられ得る。同様に、鋳型の中への供給材料の注入速度は、鋳型内のインゴットの決定された位置に基づいて調整され得る。

図１Ａおよび図１Ｂの両方において、全体のシステム１００は、真空冶金チャンバ１０２に基づいている。真空冶金チャンバ１０２内には、材料供給１０４および水冷鋳型１０６が存在する。材料供給１０４は、材料供給１０４における材料（金属／合金）が、セグメント化された鋳型１０６へと提供される前に溶解されるシステムの一部であり得る。種々の局面において、材料供給１０４は、真空チャンバ１０２の完全に内部に配置され得、真空冶金チャンバ１０２の外部に配置され得、または、真空冶金チャンバ１０２の壁におけるポートとして配置され得る。いくつかの局面において、セグメント化された鋳型１０６は、水冷鋳型であり得る。多くの実施形態において、セグメント化された鋳型１０６は、真空冶金チャンバ１０２内で垂直に向けられた開放底部の鋳型である。材料供給の加熱は、供給加熱電源１０８を有し得る。供給加熱電源１０８は、種々の加熱デバイスに電力供給し得る。図１Ａに示されている第１の実施形態において、供給加熱電源１０８は、二次加熱誘導コイル１１０に電力供給し得、該二次加熱誘導コイルは、誘導を通して金属／合金供給を加熱し得る。図１Ｂに示される第２の実施形態において、加熱電源１０８は、指向性加熱デバイス１１２に電力供給し得、該指向性加熱デバイスは、種々の実施形態においては、可動プラズマアークトーチまたは電子ビーム銃であり得る。二次加熱誘導コイル１１０または指向性加熱デバイス１１２のいずれかは、任意の所与のシステム１００に対して個別的にまたは組み合わせで使用され得る。いくつかの実施形態において、金属／合金は、溶解物１０５として、融解形態で材料供給１０４からセグメント化された鋳型１０６へと供給される。その他の実施形態において、金属／合金は、未加工（固体）形態で材料供給１０４からセグメント化された鋳型１０６へと提供される。さらなる実施形態において、溶解物１０５は、例えば追加的な専用化された溶解炉床等の中間の容器において、または、１つ以上の精製炉床において、さらに処理され得る（不図示）。

合金インゴットまたはその他の鋳物が所望される場合においては、未加工の金属／合金材料の正確な溶解および混合が極めて重要である。所望の混合を達成することは、材料供給１０４の体積が、溶解の間に原料の個別の断片を保持するために十分に大きく、かつ、金属／合金を効果的に予備混合し、原料特有の断片ごとの任意の小さな組成的変動を安定化させるためにも十分に大きい場合に、促進され得る。所望の混合は、高い融点の要素、構成要素、または合金の蓄積を回避するために、規則的に材料供給１０４を意図的に空にし、最小量のスカルを残すことによってさらに達成され得る。

材料供給１０４からの材料がセグメント化された鋳型１０６に提供されると、融解材料が、融解状態を保たれ得るか、または、材料供給１０４からの固体材料（または固体材料の任意の残余物）が、融解状態へと溶解され、インゴット１１４を形成する。インゴットは、水冷された鋳型壁１１６内で形成される。入口および出口を有する水源１１８が提供され、セグメント化された鋳型１０６へと接続されており、鋳型壁１１６の内部の少なくとも一部分を通って延びている。

インゴット位置アクチュエータ１２０は、インゴット１１４を水冷鋳型１１６内で移動させ得る。いくつかの局面において、インゴット位置アクチュエータ１２０は、回収ヘッド１２２を有し、該回収ヘッドは、金属／合金が材料供給１０４から固体または融解物として受け取られるかどうかを問わず、金属／合金が最初にセグメント化された鋳型１０６に入るときに、インゴット１１４を受け取るように構成されている。種々の実施形態において、回収ヘッド１２２は、蟻継ぎヘッド、ねじ切りされたヘッド、テーパ状ヘッド、またはねじ切りされたテーパ状ヘッドであり得る。インゴット位置アクチュエータ１２０は、セグメント化された鋳型１０６内でインゴット１４４を機械的に上下に移動させ得、インゴット１１４がセグメント化された鋳型１０６および真空冶金チャンバ１０２から完全に回収されるように後退し得る。

セグメント化された鋳型１０６は、種々の断面形状を有し得、特に、セグメント化された鋳型１０６は、円形の断面、多角形の断面、または丸みの付いた隅を有する多角形の断面を有し得る。なおもさらに、セグメント化された鋳型１０６は、一定の断面サイズまたは断面形状に限定されない。代替的に、セグメント化された鋳型１０６は、テーパ状であり得る。開示されたプロセスのために使用される所与のセグメント化された鋳型１０６は、所望の物品に依存して、多くの異なる可能な形状のうちの任意の１つを有し得る。セグメント化された鋳型１０６は、特定のパーツまたは複数のパーツを形成するように成形され得、または、特定のパーツまたは複数のパーツに変換され得る任意の予備形成された形状を形成するように成形され得る。その他の局面において、セグメント化された鋳型１０６のセグメントの間の空間は、セグメント化された鋳型１０６の主軸に沿って縦方向に延在するか、セグメント化された鋳型１０６の主軸に沿ったバンド内で水平方向に延在するか、あるいは、セグメント化された鋳型１０６の外部の周囲で繰り返し的なまたは規則的なパターンで延在し得る。

インゴット１１４は、誘導を通してインゴット１１４の少なくとも一部を融解状態に保つ一次加熱誘導コイル１２４によって部分的に融解および／または溶解された状態を保たれる。いくつかの局面において、一次加熱誘導コイル１２４は、水冷式のセグメント化された鋳型１０６の構成されたギャップを通過する渦電流によってインゴット１１４を加熱することが可能である。種々の実施形態において、一次加熱誘導コイル１２４は、セグメント化された鋳型１０６の全体またはセグメント化された鋳型１０６の領域を包囲し得るかまたは該全体または該領域に結合され得る。一次加熱誘導コイル１２４は、一次電気接続１２８を通して一次加熱電源１２６に電気的に結合され、該一次加熱電源によって電力供給される。一次加熱電源１２６は、ＡＣ電源またはＤＣ電源のいずれかであり得、必要に応じて電力インバータまたは電力変換器を採用する。同調コンデンサ１４２は、一次加熱電源１２６と一次加熱誘導コイル１２４との間の回路に配置され得、システムの電気的負荷を同調させるように動作可能であり得る。

感知コイル１３０は、一次加熱誘導コイル１２４と同調コンデンサ１４２との間の一次電気接続１２８の少なくとも一部分を包囲するように位置付けられ得る。感知コイル１３０は、一次加熱電源１２６と一次加熱誘導コイル１２４との間の一次電気接続１２８のリード線のうちの１つの周囲に配置されることのみが必要である。感知コイル１３０は、システムの負荷が変化する際に、一次電気接続１２８によって搬送される一次加熱誘導コイル１２４の電流の変動を検出し測定し得る誘導コイルである。特に、一次加熱誘導コイル１２４および同調コンデンサ１４２を流れる電流は、感知コイル１３０回路において比例する電流または周波数を誘導し、該比例する電流または周波数は、一次加熱誘導コイル１２４回路の負荷の変化を示す。感知コイル１３０は、一次加熱誘導コイル１２４とは別個の構造であり、一次加熱誘導コイル１２４に電力供給する役割または該一次加熱誘導コイルを調節する役割を有していない。いくつかの実施形態において、感知コイル１３０は、一次電気接続１２８の周囲に位置付けられた単一組コイルであり得るが、その他の実施形態においては、感知コイル１３０は、一次電気接続１２８に沿って配置された一連のまたは複数の個別のコイルであり得る。さらに、感知コイル１３０は、真空冶金チャンバ１０２の外部に配列され得る。

電子的位置コントローラ１３２は、感知コイル１３０、インゴット位置アクチュエータ１２０、鋳型センサ１３８に電子的に結合され得、これらと通信し得る。感知コイル１３０は、電子的位置コントローラ１３２にフィードバック信号１３４を提供し得、フィードバック信号１３４は、一次加熱誘導コイル１２４の電流を示す。電子的位置コントローラ１３２は、感知コイル１３０によって検出された電流の変動を測定することを目的として、電流メータを含み得る。鋳型センサ１３８は、セグメント化された鋳型１０６に結合され得、鋳型の特性（例えば、温度等）を測定し得る。さらに、鋳型センサ１３８は、ビデオデバイスに結合され得、該ビデオデバイスは、セグメント化された鋳型１０６の頂部を観察し、インゴット１１４の形成を監視するように構成されている。電子的位置コントローラ１３２によって受信された信号および測定に基づいて、電子的位置コントローラ１３２は、インゴット位置アクチュエータ１２０に制御信号１３６を送信し得、インゴット位置アクチュエータ１２０に、セグメント化された鋳型１０６内でインゴット１１４の位置を上昇、下降、および／または維持するように命令し得る。いくつかの局面において、電子的位置コントローラ１３２は、自動閉ループ電気的制御デバイスを含み得、該自動閉ループ電気的制御デバイスは、最終的には感知コイル１３０のフィードバック信号１３４によって提供された電流の変動に基づいて、電気的制御信号１３６を用いてインゴット位置アクチュエータ１２０を操作するように構成されている。

制御インターフェース１４０は、システム１００の種々の構成要素に結合され得、これらの種々の構成要素を制御し得る。制御インターフェース１４０は、器具類の操作を制御し、システムの測定を記録し得るマイクロプロセッサおよび処理デバイスを含み得る。制御インターフェース１４０は、人間の操作者が制御するためのユーザインターフェースおよび自動制御システムのいずれかまたは両方をさらに含み得る。供給加熱電源１０８、一次加熱電源１２６、電子的位置コントローラ１３２、およびインゴット位置アクチュエータ１２０に直接的または観察的に電子的に結合された制御インターフェース１４０は、セグメント化された鋳型１０６内のインゴット１１４の位置、セグメント化された鋳型１０６内の金属／合金の量、および一次加熱誘導コイル１２４によって生成されたエネルギーの強度またはインテンシティを命令および制御するために使用され得る。さらに、制御インターフェース１４０は、材料供給１０４、二次加熱誘導コイル１１０、および指向性加熱デバイス１１２のうちのいずれかまたは全てに直接的または間接的に電子的に結合され得、金属／合金材料の溶解ならびにセグメント化された鋳型１０６への金属／合金の入力を制御するように動作可能である。制御インターフェース１４０はまた、システム１００を特徴付けるために使用され得、電流測定のベースラインを確立し、該ベースラインからの変動が、鋳型壁１１６内のインゴットの場所を決定するために使用され得る。

適用時に、同調されたシステム１００は、最適化された溶解条件およびインゴット１１４鋳造条件に設定される。金属／合金が、セグメント化された鋳型１０６に追加されると、システムの負荷が変化し、一次電気接続１２８によって搬送される一次加熱誘導コイル１２４の電流の対応する変化が、感知コイル１３０によって測定される。一般的に、セグメント化された鋳型１０６の測定領域が金属／合金で完全に一杯になっている状況において、一次加熱誘導コイル１２４の電流は、最低値に到達する；したがって、測定された電流が低いとき、セグメント化された鋳型１０６内のインゴットの位置は、高い。逆に、セグメント化された鋳型１０６の測定領域がほぼ空のとき、一次加熱誘導コイル１２４の電流は、最高値に到達する；したがって、測定された電流が高いとき、セグメント化された鋳型１０６内のインゴット１１４の位置は、低い。最低電流測定および最高電流測定は、一次加熱誘導コイル１２４によって加熱され包囲されたセグメント化された鋳型１０６の領域、ならびに、炉システム１００の同調および較正に依存する。

いくつかの実施形態において、セグメント化された鋳型１０６は、セグメント化された温度制御システムを有し得、該セグメント化された温度制御システムは、セグメント化された鋳型１０６が、例えば、特に融解材料が鋳型の中へと供給される場合に、底部において（例えば、水源１１８によって）冷却され、頂部において（例えば、一次加熱誘導コイル１２４によって）加熱されることを可能にする。これは、任意の所与の時間において固化プロセスにある材料の部分よりも上方に融解材料のある一定の深さを維持する。この融解ヘッドによって形成された圧力は、孔またはその他の不備（例えば、凝固収縮ボイド）が無いインゴット１１４の形成を保証することを助け得る。さらに、一次加熱誘導コイル１２４によって形成される一定の混合効果は、化学的に均一に融解プールを保証することを助け得、それにより、インゴット１１４の長さの全体に亘る化学的な均一性の度合いを保証し得る。また、インゴット１１４の固化された材料のうちのいくつかは、融解ヘッドによって再度溶解され得、融解ヘッドを用いて混合され得、インゴット１１４の均一性を追加する。

測定された電流値に基づいて、炉システム１００は、鋳物の処理段階に依存して、さらなるアクションを取るように制御または操作され得る。例えば、測定された電流が最高値であるかまたはそれに近く、インゴット１１４がセグメント化された鋳型１０６の底部に向かっており、セグメント化された鋳型１０６が空であることを示す場合、金属／合金がインゴット１１４に追加され得、より長い鋳物を形成し得る。同様に、測定された電流が最低値であるかそれに近く、インゴット１１４がセグメント化された鋳型１０６のほとんどまたは全てを充填していることを示す場合、さらなる金属／合金の追加が停止され、インゴット位置アクチュエータ１２０が、回収ヘッド１２２を下向きに移動させ、セグメント化された鋳型１０６の開放底部から鋳造されたインゴット１１４を引き出すように操作され得る。同様に、一次加熱誘導コイル１２４に提供された電力は、セグメント化された鋳型１０６内のインゴット１１４の位置に基づいて調整され得る。

したがって、製造の連続モード、半連続モード、バッチモード、または反復モードのいずれにおいても、インゴット位置アクチュエータ１２０は、インゴット１１４と結合し得る供給材料をセグメント化された鋳型１０６の頂部に正確に追加し、その結果、インゴットが均一な粒子構造を有し得るようにするその能力により、セグメント化された鋳型１０６から所望の長さの鋳造インゴット１１４を引き出し得る。

図１Ｃは、インゴットを形成するための真空冶金システムの実施形態の概略図であり、図１Ｂに示されているような、指向性加熱デバイス１１２を伴う真空冶金チャンバ１０２の一般化された図として、炉システム１００を表している。さらに図示されているのは、材料供給アクチュエータ１４４であり、該材料供給アクチュエータは、材料供給１０４にセグメント化された鋳型１０６内でインゴット１１４にするための原料を提供するように構成されている。またさらに図示されているのは、インゴット回収チャンバ１４６であり、該インゴット回収チャンバは、真空冶金チャンバ１０２に結合され得、該回収チャンバを通して、インゴット位置アクチュエータ１２０は、真空冶金チャンバ１０２からインゴット１１４を回収し得、該回収チャンバから、鋳造インゴット１１４が、さらなる産業上の使用または処理のために除去され得る。また、一次加熱電源１２６が図示されており、一次電気接続１２８および感知コイル１３０が、一次加熱電源１２６のハウジング内、または真空冶金チャンバ１０２に接続しているハウジング内に収容され得る。

図２は、誘導感知システムを使用してインゴットを形成するためのプロセスを表すフローチャートである。ステップ２００において、材料供給が準備され、該材料供給は、活性または耐火性の金属合金またはそれらの組み合わせを含む。材料供給のための原料は、その組成が所望の混合物または合金に対する許容可能な限界内にあるように、個別の量で準備される。原料の一般的な形態は、小型ディスク；シリンダ；ブロック；ホイル内に包装されて球を形成しているばらばらの材料；包装されていないばらばらの材料；所望の金属のスクラップ断片；金属または合金の混合物を含む。しかしながら、原料は、任意の適切な形態であり得る。これにより、原料は、任意の適切な方法（例えば、バー供給部によって押されること、バルク供給部によって落下させられること、または、ばらばらの材料の場合においては、ホッパーまたはスプーン型のキャニスタを通して供給され、その後、坩堝／容器の中へと落下させられること）によって坩堝／容器に入る。

ステップ２０２において、材料供給の金属／合金は、材料供給坩堝内に保持された材料供給を加熱する加熱手段（プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、または、誘導加熱器を含み得るが、これらに限定されない）により、融解状態へと溶解される。合金インゴットが所望される状況に対し、原料の正確な溶解および混合は、極めて重要である。したがって、材料供給を保持する坩堝／容器の体積は、溶解の間に原料の個別の断片を保持するために十分に大きく、同時に、合金を効果的に予備混合し、断片ごとに原料に特有の任意の小さな組成的変動を安定化するためにも十分に大きくであるべきである。これは、高い融点の要素、構成要素、または合金の蓄積を回避するために、規則的に坩堝／容器を意図的に空にし、最小量のスカルを残すことによってさらに達成され得る。坩堝／容器は、合金を精製するために意図的に使用されることはないので、比較的長い耐久時間は要求されない。坩堝／容器の傾斜注入は、迅速な原料のターンオーバーを可能にし得、これにより、その後に鋳型に送達されるほぼ均一な液体を形成することを可能にし得る。

ステップ２０４において、材料供給の金属／合金は、同調されたシステムの一部として鋳型へと提供され、金属／合金は、固体状態で（ステップ２００から）または融解状態で（ステップ２０２から）のいずれかで受け取られ得る。材料供給が鋳型へと提供される前に溶解される実施形態において、十分な量の金属／合金が溶解され、容器の頂部に収集されると、容器は、所望の量の融解材料を鋳型の中へと注入するために、任意の適切なアクチュエータによって傾斜させられる。材料は、個別の量またはバッチで注入され得る。プロセスの代替的な実施形態において、融解状態で受け取られた金属／合金は、固体供給材料の残余物を維持し得る。ステップ２０６において、金属／合金は、鋳型を包囲しているかまたは鋳型の近くにある誘導加熱コイルを介して鋳型内で加熱され得る。誘導加熱コイルは、金属／合金を融解状態に維持し、同時に、鋳型内の材料供給の任意の固体断片を溶解するように、電力供給され得る。これにより、融解金属／合金は、鋳型内のインゴットを形成するか、または、鋳型内のインゴットに加わる。ステップ２０８において、誘導加熱コイルと該誘導加熱コイルに電力供給する電源との間の電流は、誘導加熱コイルおよびその電源によって形成される回路の負荷の変化を示す変動について測定され得る。一般的に、少なくとも１つのセンサコイルは、誘導加熱コイルとその電源との間の電流を測定するために位置付けられ、その電流において検出された電流振幅および電流周波数のいずれかまたは両方を、コントローラシステムに提供される電気的制御信号に変換するように構成される。ステップ２１０において、鋳型内のインゴットの位置（特に、インゴットの垂直場所）は、インゴット加熱コイルとその電源との間の電流の変動に基づいて決定され得る。

ステップ２１２において、鋳型内のインゴットの場所は、例えば、物理的アクチュエータによって、鋳型内のインゴットを上昇、下降、またはそうでなければ配置するように、調整され得る。インゴットは、例えば、追加的な金属／合金が所望の態様でインゴットと結合し得るように、追加的な金属／合金を誘導加熱コイルの近くで受け取るために、追加的な金属／合金が鋳型に追加されることを可能にすることを目的として、鋳型内で移動させられ得る。換言すると、インゴットの頂部は、感知コイルからのフィードバック信号に基づいて自動的にまたは操作者の相互作用を通して手動的にのいずれかにより、一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解を維持されるか、または、融解状態にさせられる。代替的に、インゴットは、鋳型からインゴットを回収するために移動させられ得る。換言すると、ある量の金属／合金が鋳型の中へと注入された後、インゴットは、下向きに移動させられ、次の量の材料が鋳型の中へと注入されるようにするために、鋳型の頂部により大きな開放空間を提供する。したがって、インゴットは、インゴットの固化された部分を任意の適切な手段（例えば、水圧式シリンダ、可動クランプ、プラーヘッド、または駆動ロール等）を用いて鋳型の底部の外へと引き出すことにより、鋳型内で連続的にまたは徐々にのいずれかにより低下させられる。また、インゴットは、インゴットの形成または延伸を継続するために、必要に応じて、鋳型内で上昇させられ得る。プロセスは、ステップ２１２から、ステップ２０４へと戻り、さらなる金属／合金を鋳型に追加し得、これにより、インゴットの長さを増大させ得る。代替的に、プロセスは、ステップ２１２から、ステップ２１４へと進み得、該ステップでは、インゴットが鋳型から回収される。

本開示の方法に従って鋳造されたインゴットが、約７．１平方インチまたはそれ未満の小さな断面積を有し得ることが理解され得る。さらに、例示的なインゴットサイズは、直径が約２ １／８インチ、長さが１２０インチまたはそれより大きいサイズであり得る。本開示の方法によって生成されたインゴットは、所望の最終的なサイズおよび形状に非常に近くあり得、インゴットが固化および冷却する方法に関係する望ましくない鋳放し特徴を除去するために最小量の機械加工しか要求しない。換言すると、このプロセスは、所望の表面仕上げを有するバーを生成することを目的として、たとえあったとしても最小限の外径の表面機械加工しか必要としない、小径のインゴットを提供し得る。さらに、本開示の方法に従って鋳造されたインゴットは、所望の表面仕上げを伴ってより一貫して反復可能に生成され得、生成物ならびに方法およびシステムの効率性の両方を向上させる。さらに、小さな断面積を有するインゴットの表面積対体積比およびそれに関連付けられた冷却、ならびに、インゴット内で確立された温度勾配は、後処理の適用のために適した所望の粒径の鋳放しを有するインゴットにつながり得る。したがって、このプロセスによって生成されたいくつかのインゴットは、鋳放し条件で鍛造され得る。いくつかの例において、チタン合金のインゴットは、約１００マイクロメートル（１００ｍｍ）またはそれ未満の鋳放し粒径を有し得る。

図３Ａ〜３Ｇは、炉システムに対するセグメント化された水冷鋳型の種々の図である。具体的には：図３Ａは、セグメント化された鋳型の側面図を示している；図３Ｂは、セグメント化された鋳型の上面図を示している；図３Ｃは、図３Ｂに示された線Ｂに沿ったセグメント化された鋳型の側方からの断面図を示している；図３Ｄは、図３Ａに示された線Ａに沿ったセグメント化された鋳型の側方からの断面図を示している；図３Ｅは、図３Ａに示された線Ｃに沿ったセグメント化された鋳型の上方からの断面図を示しており、さらに、水冷構造を受け取り可能な鋳型内の空間を示している；図３Ｆは、セグメント化された鋳型の断面斜視図を示している；そして、図３Ｇは、鋳型と結合し得る水冷構造の斜視図を示している。

（例示的なインゴット位置較正データ）
以下の表１Ａ〜１Ｄは、インゴット溶解物の頂部と鋳型内のインゴットの位置との間の関係を決定するために収集された例示的なデータを記録したものである。既に溶解されたインゴットのスタブが、切断され、鋳型の頂部から特定の距離に配置された。誘導電力が徐々に増大され、タンク回路が、ロゴウスキーベルト（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ Ｂｅｌｔ）およびそれに関連付けられたデジタル読み取りを使用して測定された。誘導電源は、操作の「一定電力」モードに設定され、該モードは、最大のパーセンテージ（１００％）の電力出力として示されている。試験が完了した後、チャンバが開放され、インゴットが除去され、インゴットの視覚的検査が行われた。

試験のために使用されたシステムは、１５０ｋＷで操作されたＰｉｌｌａｒ Ｍａｒｋ５電源、ＰＡＭ−５信号モジュレータ、および５３ミリメートル（５３ｍｍ）の内径を有する鋳型（その内部でインゴットが鋳造された）を含んでいた。表１Ａは、鋳型の頂部から７ １／８インチに位置付けられた長さが５ １／８インチの金属スタブから得られる試験を提供している。表１Ｂは、鋳型の頂部から８ １／２インチに位置付けられた長さが３ ７／８インチの金属スタブから得られる試験を提供している。表１Ｃは、鋳型の頂部から５ １／４インチに位置付けられた長さが７インチの金属スタブから得られる試験を提供している。表１Ｄは、鋳型の頂部から６インチに位置付けられた長さが６インチの金属スタブから得られる試験を提供しており、金属の追加的なチャージが溶解され、鋳型内のインゴットの一部として鋳造するために追加された。
試験のために使用される金属スタブは、チタン−ニオビウム−モリブデン（ＴＮＭ）合金から成っていた。鋳型内の材料を加熱する誘導コイルは、鋳型の開放頂部の近くに位置付けられていた。

一般的に、試験は、鋳型が空になったときに、誘導加熱コイルとそれの電源との間の回路電流（代替的に、「タンク回路電流」としても参照される）が、約１，６５０Ａｍｐの最大値に到達し得ることを示した。インゴットの頂部が鋳型内でより高くなったとき、タンク回路電流は、約１，５１０Ａｍｐのベースライン値にあった。インゴットが鋳造されたとき（表１Ｄにて反映）、炉床から連続的に注入し、インゴットを適宜回収することにより、さらに低いタンク回路電流読み取りが観察され、最も低い記録された読み取りは１，４２０Ａｍｐであった。

表１Ａに見ることができるように、スタブを鋳型の頂部から７ １／８インチに位置付けることにより、インゴットの頂部における小さな融解プールがもたらされた。これは、スタブが、誘導加熱コイルに対して鋳型内で低く位置付けられたことを示している。インゴットの頂部における小さな融解プールは、鋳造インゴットに対する追加のためには十分または理想的では必ずしもなかったであろう。表１Ｂに見ることができるように、スタブを鋳型の長具から８ １／２インチに位置付けることにより、辛うじて融解インゴットの頂部がもたらされた。これは、スタブが誘導加熱コイルに対して鋳型内で非常に低く位置付けられたという示唆を補強するものである。図１Ｃに見ることができるように、スタブを鋳型の頂部から５ １／４インチに位置付けることにより、完全に融解インゴットの頂部がもたらされ、これにより、インゴットを鋳造するためにさらなる金属／合金を追加する用意ができた。

表１Ｄに示されている試験に対し、システムの電力が８５％に設定されている期間の間に追加的なアクションが取られた。具体的には：１７．５分の時点において、プラズマアークトーチが開始された；１９分の時点において、炉床内の金属チャージに対しプラズマアークトーチを用いて溶解が行われた；２２．５分の時点において、炉床内のチャージが、完全に溶解しているとして決定され、続いて、インゴットを鋳造するために鋳型に追加された。表１Ｄに示されている試験、すなわち、スタブを鋳型の頂部から６インチに位置付け、追加的な融解材料を鋳型の中へと注入することは、およそ６００ｎｍの長さを有する鋳造インゴットをもたらした。インゴットは、後処理の適用のための許容可能な鋳放しの表面仕上げを有した。

後続のインゴット鋳造試験は、融解プールが鋳型の頂部の近くであった場合に、タンク回路電流の読み取りが、（８５％の誘導電力供給設定で）約１，３５０Ａｍｐであったことを明らかにした。しかしながら、融解プールは、適切な電力入力がないことに起因して固化を開始した。換言すると、インゴットが鋳型内で非常に高く位置付けられた場合、回路の負荷は、最適化されず、それにより、電力供給量をその最適な溶解範囲の外へと移動させた。

本明細書中に提供されている例示的なデータは、開示された構造の詳細のみに限定ンされないことが理解される。むしろ、インゴットの頂部を鋳型内で完全に融解状態にし、その結果、追加的な金属／合金がインゴットと均一に結合し得るようにすることは、本開示と整合した、インゴットの長さ、金属および合金、電力設定、加熱の持続時間、および溶解システムの構成要素の構成を使用して達成され得る。

さらに、電流の測定された変動が、溶解されている金属／合金の組成に基づいて変動し得ることが理解される。例えば、本明細書に開示された例示的な実施形態は、ＴＮＭ合金を使用し、電流の対応する変化を測定したが、異なる金属または合金（例えば、動またはチタン−アルミニウム）から成るインゴットまたはチャージは、異なる電流特性を有し得る。したがって、溶解システムの較正および操作は、システムにおいて形成されたインゴットの金属間化合物の特性に基づいて変動し得る。

本明細書に開示されたシステムおよび方法が、産業界において生成される、標準的なサイズのインゴットおよび低減されたサイズのインゴット、または、任意の幅／直径のインゴットに適用可能であり、インゴットが鋳型内に存在する間に鋳型内で鋳造された誘導コイルを用いて加熱されるインゴットの監視およびそれに関係する操縦を可能にすることが、さらに理解され得る。本システムおよび方法は、任意の長さ（システムの物理的サイズによって制約される）のインゴットを生成するために使用され得る。本システムおよび方法の幅広さは、産業界にわたって適用され得る。なぜなら、任意のサイズのインゴットに対し、鋳型内のインゴットの位置の正確な制御は、鋳放しのインゴットの粒子構造および／または表面仕上げを最適化することに役立ち得るからである。

システム、および特に制御インターフェースは、マイクロプロセッサを含み得、該マイクロプロセッサは、さらに、炉の器具類の操作を制御し、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あり得る。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得る。不揮発性メモリデバイスは、電力がオフにされたときに格納された情報を維持する任意のタイプのメモリデバイスを含み得る。メモリデバイスの非限定的な例は、電気的に消去可能でプログラム可能な読み取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）、フラッシュメモリ、または、任意のタイプの不揮発性メモリを含む。いくつかの局面において、メモリデバイスの少なくともいくつかは、非一過性媒体またはメモリデバイスを含み得、処理デバイスは、該非一過性媒体またはメモリデバイスから命令を読み取り得る。非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータ読み取り可能な命令またはその他のプログラムコードを処理デバイスに提供することが可能な、電子的格納デバイス、磁気的格納デバイス、またはその他の格納デバイスを含み得る。非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体の非限定的な例は、磁気的ディスク（単数または複数）、メモリチップ（単数または複数）、ＲＯＭ、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、ＡＳＩＣ、構成されたプロセッサ、光学的格納装置、および／または、その他の媒体（コンピュータプロセッサは、そこから命令を読み取り得る）を含む（しかし、これらに限定されるものではない）。命令は、任意の適切なコンピュータプログラミング言語（例えば、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ♯、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｐｙｔｈｏｎ， Ｐｅｒｌ，ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標）等を含む）で書かれたコードからコンパイラおよび／またはインタプリタによって生成されるプロセッサ特異命令を含み得る。

上記の記載は、例示的なものであって限定的なものではなく、本開示に接した当業者には明らかになり得るように、本発明は、本発明の本質的な特性から逸脱することなしに、その他の特定の形態で具現化され得る。例えば、上述された局面のうちの任意のものは、それぞれが局面のサブセットを有している１つまたはいくつかの異なる構成へと組み合され得る。さらに、上記の記載の全体を通して、例示を目的として、多くの特定の詳細が、本発明の完全な理解を提供するために述べられた。しかしながら、当業者にとっては、これらの実施形態が、これらの特定の詳細のうちのいくつかが無くても実施され得ることが明らかであり得る。これらの他の実施形態は、本発明の趣旨および範囲内に含まれることが意図される。したがって、本発明の開示は、それ故、上記の記載を参照することのみによって決定されるべきではなく、むしろ、以下の係属クレームをそれらの法的な均等物の全体的な範囲とともに参照することによって決定されるべきである。

Claims (19)

1. 真空冶金システムであって、前記システムは、
   入力端部および抽出端部を有するセグメント化された鋳型であって、融解された金属または合金を受け取り、インゴットへと鋳造するように構成されているセグメント化された鋳型と、
   前記セグメント化された鋳型の周囲に少なくとも部分的に位置付けられた一次加熱誘導コイルであって、前記セグメント化された鋳型の内部領域内に熱を誘導するように構成されている一次加熱誘導コイルと、
   前記一次加熱誘導コイルに電気的に結合され、かつ、前記一次加熱誘導コイルに電力供給する加熱電源と、
   少なくとも前記一次加熱誘導コイルおよび前記加熱電源を含む電気回路を同調させるように構成されている同調コンデンサであって、前記セグメント化された鋳型内で前記金属または合金を融解するための電力レベルを最適化するようにさらに構成されている同調コンデンサと、
   前記同調コンデンサと前記一次加熱誘導コイルとの間の電気的コンダクタの周囲に少なくとも部分的に位置付けられた少なくとも１つの感知コイルと、
   前記インゴットおよび／または融解された金属または合金を前記セグメント化された鋳型内で支持および移動させるように位置付けられたインゴット位置アクチュエータと、
   前記少なくとも１つの感知コイルと前記インゴット位置アクチュエータとの間に直列に動作可能に結合されたインゴット位置コントローラであって、前記インゴット位置コントローラは、前記少なくとも１つの感知コイルによって検出された電流の変化を測定することと、融解された金属または合金を前記セグメント化された鋳型内で移動させるように前記インゴット位置アクチュエータに命令することとを行うように構成されている、インゴット位置コントローラと
   を含む、システム。
2. 金属および／または合金を固体形態または融解形態のいずれかまたは両方で前記セグメント化された鋳型の前記入力端部に提供するように構成されている材料供給をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記材料供給は、
   前記セグメント化された鋳型の前記入力端部の近くに位置付けられた坩堝であって、融解された金属または合金を前記セグメント化された鋳型の中に提供するように構成されている坩堝と、
   前記坩堝内で金属または合金を溶解するように構成されている坩堝加熱システムと、
   前記坩堝加熱システムに電気的に結合されている二次電源であって、前記坩堝加熱システムに電力供給する二次電源と
   をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記坩堝加熱システムは、可動プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、二次加熱誘導コイル、または、これらの組み合わせをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記セグメント化された鋳型は、垂直に向けられ、かつ、前記セグメント化された鋳型の主軸に沿って延びているセグメンテーションを有する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの感知コイルは、前記加熱電源と前記少なくとも１つの一次加熱誘導コイルとの間の前記電気的コンダクタ内で検出された電流振幅および電流周波数のいずれかまたは両方を、前記インゴット位置コントローラに提供される電気的制御信号に変換するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記感知コイルの電気的制御信号は、前記インゴットの頂部が前記一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、前記インゴットを前記セグメント化された鋳型内で移動させるように、前記インゴット位置アクチュエータを自動的に操縦するために前記インゴット位置コントローラによって使用される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記感知コイルの電気的制御信号は、前記インゴットの頂部が前記一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、前記インゴットを前記セグメント化された鋳型内で移動させるように、前記インゴット位置アクチュエータを操縦するために操作者の相互作用を介して使用される、請求項６に記載のシステム。
9. 前記セグメント化された鋳型は、４５．８１平方センチメートル（７．１平方インチ）またはそれ未満の断面積を有する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記セグメント化された鋳型は、７．６２センチメートル（３インチ）またはそれ未満の幅を有する、請求項１に記載のシステム。
11. 真空冶金システムの鋳型内のインゴットの位置を決定するための方法であって、前記方法は、
    金属および／または合金をセグメント化された鋳型の中に提供することであって、前記セグメント化された鋳型は、開放頂部および開放底部の鋳型である、ことと、
    前記セグメント化された鋳型内の金属および／または合金を加熱誘導コイルを用いて加熱することであって、前記加熱誘導コイルおよび高周波数電源は、同調コンデンサに電気的に接続されており、前記同調コンデンサは、前記セグメント化された鋳型内で前記金属または合金を融解するための電力レベルを最適化するようにさらに構成されている、ことと、
    融解された金属および／または合金を融解状態に維持し、前記セグメント化された鋳型内の前記金属および／または合金の任意の固体部分を溶解して融解状態にすることと、
    前記融解された金属および／または合金を用いて前記セグメント化された鋳型内にインゴットを形成することと、
    感知コイルを用いて前記セグメント化された鋳型内の前記インゴットの位置を決定することであって、前記感知コイルは、電子的位置コントローラに直列に接続されており、前記電子的位置コントローラは、前記同調コンデンサと前記加熱誘導コイルとの間に位置付けられており、かつ、前記感知コイルによって検出された電流の変化を測定するように構成されている、ことと
    を含む、方法。
12. 前記方法は、
    前記セグメント化された鋳型内での溶解のために電力レベルを最適化するように、前記加熱誘導コイルと前記セグメント化された鋳型およびその内容物と前記高周波数電源とを含む電気回路を同調させること
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記感知コイルは、前記加熱誘導コイルと前記同調コンデンサとの間のコンダクタにおける電流を検出するように構成されており、前記加熱誘導コイルおよび前記同調コンデンサを流れる電流は、前記感知コイルにおいて比例する電流または周波数を誘導する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記方法は、
    前記電子的位置コントローラが、前記感知コイルにおいて検出された前記電流を電気的制御信号に変換することと、
    前記セグメント化された鋳型内の前記インゴットを前記加熱誘導コイルの近くに移動させるようにインゴット位置アクチュエータに命令することと、
    前記インゴットの頂部を融解状態に維持することと
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記電子的位置コントローラは、操作者の相互作用を介して前記インゴット位置アクチュエータに命令する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記電子的位置コントローラは、自動フィードバックループを介して前記インゴット位置アクチュエータに命令する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記方法は、
    前記電子的位置コントローラが、前記感知コイルにおいて検出された前記電流を電気的制御信号に変換することと、
    前記加熱誘導コイルに供給される電力を調整することにより、前記セグメント化された鋳型内の前記金属および／または合金を加熱する度合いを変化させることと
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記方法は、前記セグメント化された鋳型内の前記インゴットの前記決定された位置に基づいて、前記セグメント化された鋳型の中への融解された金属および／または合金の注入速度を調整することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
19. 前記方法は、前記インゴットを前記セグメント化された鋳型から回収することをさらに含み、前記インゴットは、４５．８１平方センチメートル（７．１平方インチ）またはそれ未満の断面積を有する、請求項１１に記載の方法。