JP7325836B2 - 放電の位置の感知及び制御 - Google Patents
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Description
本出願は、(i)2018年1月12日にMatthew A.Cibula、Joshua R.Motley、C.Rigel Woodside、及びPaul E.Kingの名義で出願された「Vacuum Arc Control using Arc Position Sensing and Induced Magnetic Fields」と題する米国仮特許出願第62/617,036号明細書、(ii)2018年3月28日にMatthew A.Cibula、Joshua R.Motley、C.Rigel Woodside、及びPaul E.Kingの名義で出願された「Sensing and control of position of an electrical discharge」と題する米国仮特許出願第62/649,570号明細書、及び(iii)2018年12月3月4日にMatthew A.Cibula、Joshua R.Motley、C.Rigel Woodside、及びPaul E.Kingの名義で出願された「Sensing and control of position of an electrical discharge」と題する米国非仮出願第16/209,943号明細書の優先権を主張する。上記仮出願及び非仮出願のそれぞれが、本明細書に完全に明記されているように参照により本明細書に組み込まれる。
-1955年12月20日にBoyerに発行された「Titanium furnace」と題する米国特許第2,727,936号明細書
-1955年12月20日にBoyerに発行された「High-vacuum titanium furnace」と題する米国特許第2,727,937号明細書
-1960年9月6日にYeomansらに発行された「Method of operating an electric arc furnace」と題する米国特許第2,951,890号明細書
-1961年2月21日にWroeに発行された「Stabilisation of low pressure D.C.arc discharges」と題する米国特許第2,972,695号明細書
-1961年4月4日にGruberらに発行された「Magnetic field coil for concentrating the arc in a vacuum arc furnace」と題する米国特許第2,978,525号明細書
-1968年8月20日にDe Corsoに発行された「Non-consumable arc electrode」と題する米国特許第3,398,229号明細書
-1970年12月8日にDe Corsoに発行された「Non-consumable electrode vacuum arc furnaces for steel,zirconium,titanium and other metals and processes for working said metals」と題する米国特許第3,546,348号明細書
-1971年12月21日にBruningに発行された「Electric arc vacuum remelting processes」と題する米国特許第3,628,948号明細書
-1972年8月1日にDe Corsoに発行された「Non-consumable electrode vacuum arc furnaces for steel,zirconium,titanium and other metals and processes for working said metals」と題する米国特許第3,680,163号明細書
-1973年1月2日にDe Corsoに発行された「Process of refining metal in a vacuum with coaxially mounted non-consumable electrodes」と題する米国特許第3,708,279号明細書
-1978年10月24日にKarinskyに発行された「Electric arc heating vacuum apparatus」と題する米国特許第4,122,292号明細書
-1986年4月8日にMathewsらに発行された「Electric arc melting apparatus and associated method」と題する米国特許第4,581,745明細書
-1988年8月9日にOginoらに発行された「Arc melting and casting method and apparatus thereof」と題する米国特許第4,762,165明細書
-1994年12月13日にZannerらに発行された「Metals purification by improved vacuum arc remelting」と題する米国特許第5,373,529号明細書
-2012年2月7日にKingらに発行された「Electrical current locator」と題する米国特許第8,111,059号明細書
-2018年3月29日にCibulaら名義で公表された「Estimation of arc location in three dimensions」と題する米国特許出願公開第2018/0088164号明細書
-2018年12月3月4日にMatthew A.Cibula、Joshua R.Motley、C.Rigel Woodside、及びPaul E.Kingの名義で出願された「Sensing and control of position of an electrical discharge」と題する米国非仮出願第16/209,943号明細書
-1985年5月2日に株式会社神戸製鋼所名義で公表された「Manufacture of ingot by vacuum-arc remelting」と題する特開昭60-077939号公報
-1991年12月5日に大同特殊鋼株式会社名義で公表された「Vacuum arc melting」と題する特開平3-274382号公報
-Zanner et al;Observations of melt rate as a function of...during vacuum consumable arc remelting of...;Metallurgical & Materials Transactions B v15 p117(1984)
-Zanner et al;On the Origin of Defects in VAR Ingots;International Symposium on Liquid Metal Processing and Casting,Santa Fe,NM,USA,p13(2005)
-WARD et al;Ensemble Arc Motion & Solidification During the Vacuum Arc Remelting of a Nickel-based Superalloy;Int’l Symp on Liquid Metal Processing & Casting;p49(2005)
-Woodside;Investigating arc behavior in a DC vacuum arc remelting furnace using magnetic flux density measurements;masters thesis,Oregon State University;(2008)
-Woodside;Arc Distribution and Motion During the Vacuum Arc Remelting Process As Detected with a Magnetostatic Approach;PhD dissertation,Oregon State University(2010)
-Woodside et al;A Measurement System for Determining the Positions of Arcs During Vacuum Arc Remelting;IEEE Int’l Instrumentation & Measurement Tech Conf;p452(2010)
-Woodside et al: Characterizing Arc Motion and Distribution During Vacuum Arc Remelting;Int’l Symp on Liquid Metal Processing & Casting;v75(2009)
-Woodside et al;Arc Distribution During the Vacuum Arc Remelting of Ti-6Al-4V;Metallurgical & Materials Transactions B v44 n1 p154(2012)
Claims (32)
- 1つ又は複数の磁界センサと、1つ又は複数の磁界ソースと、コンピュータシステムを含む制御及びデータ取得システムと、を備える装置において、
(a)前記1つ又は複数の磁界センサが、(i)電流包含体内で端と端に配置され、放電ギャップにより分離される第1の及び第2の縦型導電体の少なくとも一部を通して、(ii)前記放電ギャップにまたがり、前記第1の及び第2の導電体間の前記放電ギャップ内の2つの横方向次元内で移動可能な1つ又は複数の一次放電として、一次電流が主に縦方向に流れる前記電流包含体の側表面の周りに配列され、
(b)前記1つ又は複数の磁界センサのうちの各1つが、(i)前記制御及び取得システムに動作可能に連結され、(ii)前記電流包含体の前記側表面の周りに配列される対応センサ位置に配置され、(iii)1つ又は複数の対応センサ校正パラメータによって特徴付けられ、(iv)2以上の次元で磁界成分を測定するように配列され、
(c)前記1つ又は複数の磁界ソースのうちの各1つが、(i)前記制御及び取得システムに動作可能に連結され、(ii)前記電流包含体の前記側表面の周りに配列される対応ソース位置に配置され、(iii)1つ又は複数のソース校正パラメータによって特徴付けられ、(iv)対応制御信号に応答して、前記放電ギャップを含む前記電流包含体の少なくとも一部を横断する方向の対応非ゼロ成分を有する対応する印加磁界を印加するように配列され、
(d)前記コンピュータシステムが、1つ又は複数の電子プロセッサと、前記電子プロセッサに連結される1つ又は複数のデジタル記憶媒体を含み、(i)前記放電ギャップ内の前記1つ又は複数の一次放電の推定横方向位置を計算し、計算が、1つ若しくは複数の対応センサ位置又はセンサ校正パラメータと共に測定された前記磁界成分の2つ以上の少なくとも一部に基づき、(ii)結果として生じる前記印加磁界が、選択された放電横軌道又は選択された放電横分布に従って前記一次放電の推定位置を制御又は変更するように、1つ若しくは複数の対応ソース位置又はソース校正パラメータと共に前記1つ又は複数の一次放電の前記推定横方向位置に少なくとも一部基づいて、前記対応制御信号を生成し、前記1つ又は複数の磁界ソースに送信するように構築され、接続され、プログラムされる、
ことを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、前記1つ又は複数の一次放電の前記推定横方向位置が、前記1つ又は複数の一次放電の総電流密度の重心の推定横方向位置を含むことを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記1つ又は複数の一次放電の前記推定横方向位置が、複数の一次放電の各1つの対応する推定横方向位置を含むことを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記選択された放電横軌道が、ラスタパターン、1つ若しくは複数の円形経路、1つ若しくは複数の楕円経路、螺旋経路、1つ若しくは複数の線形経路、又は不規則経路を含むことを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記選択された放電分布が、略一様分布、ガウス分布、頂点が平坦なガウス分布、又はドーナツ分布を含み得ることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記装置が、前記対応する印加磁界が前記放電ギャップを含む前記電流包含体の少なくとも一部を横断する方向の対応非ゼロ成分を有し、前記対応する非ゼロ横方向磁界成分が互いに平行ではないように配列され、それによって2つの横方向次元において前記一次放電の前記推定位置を制御又は変更することを可能にする、前記磁界ソースのうちの2つ以上を含むことを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記対応する印加磁界が、前記放電ギャップ内で実質的に均一の非ゼロ振幅を有し、前記放電ギャップを実質的に横断する方向に向けられるように、前記1つ又は複数の磁界ソースのうちの各1つが配列されることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記1つ又は複数の磁界ソースのうちの各1つが、導電コイルの対応する対を含み、前記導電コイルの対応する対は、(i)実質的に同一直線上にあり、実質的に横方向に向けられた対応コイル軸を有して前記電流包含体の反対側の側面に配列され、(ii)前記制御及び取得システムによって提供される電流が前記導電コイルを通って流れ、前記対応する印加磁界を発生させるように前記制御及び取得システムに接続されることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記放電ギャップが、前記電流包含体内で縦方向に移動可能であり、印加磁界が、前記放電ギャップが位置し得る前記電流包含体の全ての部分を横切る非ゼロ横方向成分を有するように、前記1つ又は複数の磁界ソースが配列されることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記対応する印加磁界が前記放電ギャップから縦方向に変位される前記電流包含体の少なくとも一部においてゼロ振幅のみを有するように、前記1つ又は複数の磁界ソースのうちの各1つが配列されることを特徴とする装置。
- 請求項10に記載の装置において、(i)前記放電ギャップが、前記電流包含体内で縦方向に移動可能であり、(ii)前記1つ又は複数の磁界ソースの少なくとも1つが、前記電流包含体に対して縦方向に移動可能であるように配列され、(iii)前記制御及び取得システムが、前記放電ギャップの縦方向移動に応答して前記少なくとも1つの移動可能な磁界ソースの縦方向移動をもたらすように構築され、プログラムされ、接続されることを特徴とする装置。
- 請求項10に記載の装置において、(i)前記放電ギャップが、前記電流包含体内で縦方向に移動可能であり、(ii)前記1つ又は複数の磁界ソースのうちの少なくとも1つの前記電流包含体に沿った対応する縦方向位置が、前記1つ又は複数の磁界ソースの他の少なくとも1つの前記電流包含体に沿った対応する縦方向位置とは異なり、(iii)前記制御及び取得システムが、前記放電ギャップの縦方向移動に応答して前記1つ又は複数の磁界ソースのうちの各1つの選択的なアクティブ化又は非アクティブ化をもたらすように構築され、プログラムされ、接続されることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、(i)前記放電ギャップが、前記電流包含体内で縦方向に移動可能であり、(ii)1つ又は複数の磁気センサのうちの少なくとも1つが、前記電流包含体に対して縦方向に移動可能であるように配列され、(iii)前記制御及び取得システムが、前記放電ギャップ又は少なくとも1つの移動可能な磁界ソースの縦方向移動に応答して、少なくとも1つの移動可能な磁界センサの縦方向移動をもたらすように構築され、プログラムされ、接続されることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記制御及び取得システムが、1つ又は複数の以前送信された制御信号、及び前記以前送信された制御信号の結果として印加される前記対応する磁界からもたらされる前記一次放電の前記推定横方向位置に少なくとも一部基づいて、前記1つ又は複数の磁界ソースの少なくとも1つについて前記1つ又は複数のソース校正パラメータを更新するように構築され、プログラムされ、接続されることを特徴とする装置。
- 請求項14に記載の装置において、(i)前記放電ギャップが、前記電流包含体内で縦方向に移動可能であり、(ii)前記1つ又は複数のソース校正パラメータを更新することが、前記放電ギャップの観測された縦方向移動を考慮するように1つ又は複数の校正パラメータを修正すること又は置換することを含むことを特徴とする装置。
- 請求項14に記載の装置において、前記1つ又は複数のソース校正パラメータを更新することが、前記印加磁界の方向に対する前記一次放電の前記推定位置の観測された移動方向の反転を考慮するように1つ又は複数の校正パラメータを修正すること又は置換することを含むことを特徴とする装置。
- 請求項14に記載の装置において、(i)前記ソース校正パラメータが、前記1つ又は複数の磁界ソースに以前送信された対応制御信号の関数として、前記一次放電の以前の推定位置の表を含み、(ii)前記1つ又は複数のソース校正パラメータを更新することが、現在の推定位置と制御信号の所与の値又は範囲に対応する以前の推定位置との間の偏差を観測すると、制御信号の所与の値又は範囲に対応する、前記現在の推定位置を含めるように前記表を更新することを含むことを特徴とする装置。
- 請求項14に記載の装置において、(i)前記ソース校正パラメータが、前記一次放電の前記推定位置に応答して前記1つ又は複数の磁界ソースを制御するための1つ又は複数の対応するフィードバック係数を含み、(ii)前記1つ又は複数のソース校正パラメータを更新することが、前記1つ又は複数の対応するフィードバック係数を更新することを含むことを特徴とする装置。
- 請求項18に記載の装置において、前記制御及び取得システムが、前記一次放電の現在の推定位置及び対応する現在送信される制御信号に応答して前記フィードバック係数を更新するように構築され、プログラムされ、接続されることを特徴とする装置。
- 請求項18に記載の装置において、(i)各対応制御信号が、重畳された振動ディザー信号を含み、(ii)前記制御及び取得システムが、前記磁界センサの1つ又は複数によって測定される前記磁界成分のうちの1つ又は複数の振動成分を検出し、対応する更新済みフィードバック係数を前記振動成分から計算するように構築され、プログラムされ、接続されることを特徴とする装置。
- 請求項18に記載の装置において、更新済みの前記フィードバック係数のうちの1つ又は複数が、対応する以前のフィードバック係数と反対の符号を有することを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記装置が、前記磁界センサのうちの2つ以上を含み、前記センサ位置が、前記電流包含体に沿った2つ以上の別個の縦方向位置の中に、又は前記電流包含体の前記側表面の周りの2つ以上の別個の円周方向位置の中に配列されることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記装置が、前記磁界センサのうちの2つ以上を含み、前記センサ位置が、前記電流包含体に沿った2つ以上の別個の縦方向位置の中に、且つ前記電流包含体の前記側表面の周りの2つ以上の別個の円周方向位置の中に配列されることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、各センサが、2つの実質的に横方向の次元又は3次元において磁界成分を測定するように配列されることを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、(i)前記放電ギャップが、前記電流包含体内で縦方向に移動可能であり、(ii)前記センサ校正パラメータが、前記放電ギャップの縦方向移動に従って変化することを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記一次放電の前記推定位置を計算することが、(i)前記電流包含体内へ前記一次電流を搬送し、若しくは前記電流包含体からリターン電流を搬送する外部導電体、(ii)電流搬送体が入っている外部磁界、(iii)前記1つ若しくは複数の磁界ソースによって印加される前記磁界、又は(iv)前記ソースに電流を搬送する外部導電体(もしあれば)から生じる磁界成分についての補正を含むことを特徴とする装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記電流包含体が、前記電流包含体の前記側表面を定義するチャンバ内に封入され、前記センサ及びソースの位置が、前記チャンバ外に位置することを特徴とする装置。
- 請求項27に記載の装置において、前記チャンバをさらに備え、前記チャンバが電気アーク炉を含み、前記第1の導電体が、前記炉の電極を含み、前記第2の導電体が、前記炉内に形成されるインゴットを含み、前記一次電流が溶融期間中に流れるときに前記放電ギャップが前記炉を通って縦方向に移動するように前記炉が配列され、前記電極を溶融及び収縮させ、前記インゴットを成長させることを特徴とする装置。
- 請求項28に記載の装置において、前記制御及び取得システムが、前記一次電流が前記溶融期間中に流れるときに溶融時間と共に変化する推定放電ギャップの縦方向位置を計算するように構築され、プログラムされ、接続されることを特徴とする装置。
- 請求項1~29のいずれか一項に記載の装置を用いて、第1の及び第2の縦型導電体の間の放電ギャップ内で1つ又は複数の一次放電の推定横方向位置を制御又は変更する方法において、
(A)1つ又は複数の磁界センサを用いて、各対応センサ位置において2以上の次元で対応する磁界成分を測定することと、
(B)コンピュータシステムを用いて、前記放電ギャップ内の前記1つ又は複数の一次放電の前記推定横方向位置を計算することと、
(C)前記コンピュータシステムを用いて、対応制御信号を生成し1つ又は複数の磁界ソースに送信することと、
(D)前記1つ又は複数の磁界ソースを用いて、前記対応制御信号に応答して対応する印加磁界を印加し、それによって、前記1つ又は複数の一次放電の前記推定横方向位置を制御すること又は変更することと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項30に記載の方法において、(E)前記コンピュータシステムを用いて、1つ又は複数の以前送信された制御信号、及び前記以前送信された制御信号の結果として印加される前記対応する磁界からもたらされる前記一次放電の前記推定横方向位置に少なくとも一部基づいて、前記1つ又は複数の磁界ソースの少なくとも1つについて1つ又は複数のソース校正パラメータを更新することをさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項30に記載の方法において、
(E)電流包含体が、前記電流包含体の側表面を定義する電気アーク炉内に封入され、前記センサ及びソースの位置が、前記炉の外部に位置し、
(F)前記第1の導電体が、前記炉の電極を含み、前記第2の導電体が、前記炉内に形成されるインゴットを含み、一次電流が溶融期間中に流れるときに前記放電ギャップが前記炉を通って縦方向に移動するように前記炉が配列され、前記電極を溶融及び収縮させ、前記インゴットを成長させ、
(G)(A)~(D)の部分が、前記溶融期間中に実行されることを特徴とする方法。
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