KR20180048284A

KR20180048284A - 파워 입력에 기초하여 진공 아크 재용융 화로를 제어하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20180048284A
Application number: KR1020170098138A
Authority: KR
Inventors: 알기다스 언더리스
Original assignee: 에이.핀클 앤드 선스 컴퍼니
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2018-05-10
Also published as: RU2017120069A; US20180120029A1; BR102017020731B1; CA2964592A1; EP3315889B1; TW201817886A; AU2017202846B2; AU2017202846A1; RU2017120069A3; RU2732550C2; CN108018432B; JP2018070993A; MX2017013614A; CN108018432A; EP3315889A1; BR102017020731A2; KR102035386B1; JP6869790B2; US10591217B2; TWI725178B

Abstract

직류 파워 소스, 램 구동부, 전압 드립 쇼트 센서, 및 프로세서를 구비한 콘트롤러를 포함하는, 금속의 진공 아크 재용융(VAR) 공정을 위한 제어 시스템이 제공된다. 상기 드립 쇼트 센서는 소정 시간 기간에 걸쳐서 전기 아크의 드립 쇼트 빈도를 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 콘트롤러는 상기 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이 간의 상호관계에 기초하여 상기 용융 풀과 전극 말단 사이의 실시간 아크 갭 길이를 판별하도록 구성된다. 또한 상기 콘트롤러는, 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 상기 전극에 입력되는 입력 파워 레벨을 결정함으로써, 상기 직류 파워 공급부에 의해 상기 전극에 입력되는 파워를 제어하도록 구성되며, 상기 입력 파워 레벨은 입력 파워 레벨에서 상기 직류 파워 공급부에 의하여 요망되는 아크 갭 길이가 생성되도록 정해진다.

Description

파워 입력에 기초하여 진공 아크 재용융 화로를 제어하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING A VACUUM ARC REMELTING FURNACE BASED ON POWER INPUT}

본 발명은 일반적으로 진공 아크 재용융에 관한 것이고, 구체적으로는 진공 아크 재용융 공정에서 이용되는 제어 시스템에 관한 것이다.

진공 아크 재용융(VAR) 공정은 2차 용융 공정과 같은 금속 잉곳의 생산에 흔히 이용된다. 금속 잉곳에 대해 VAR 공정을 채택함으로써, VAR 공정에서 생산된 결과적인 잉곳은 증가된 화학적 그리고/또는 기계적 균일성을 가질 수 있으며, 이것은 높은 요구의 산업 적용예들에서 사용되는 금속에서 바람직한 것이다. 또한, VAR 공정 동안 금속의 고화 시간이 훨씬 더 신속할 수 있기 때문에, VAR 공정을 이용함으로써 잉곳 금속의 미세구조 특성을 보다 우수하게 통제함이 가능하게 된다. VAR 공정을 통해서 흔히 재용융되는 예시적인 금속에는 니켈, 티타늄, 스틸, 및 이러한 금속 또는 다른 금속으로부터 도출된 임의의 합금이 포함될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.

VAR 공정에서는 진공 챔버 내에서 금속을 재용융시키기 위하여 직류 전력을 사용하는 VAR 화로가 사용될 수 있다. VAR 화로는 직류 파워 공급부에 연결된 이동가능한 램(ram)과 용융 챔버를 포함할 수 있다. 재용융될 금속은 전극으로서 VAR 공정을 시작할 수 있으며, 상기 전극은 상기 이동가능한 램에 연결된다. 재용융되는 금속은 용융 챔버 내에서 수냉식 구리 도가니 안의 잉곳으로서 재용융될 수 있다. (용융되는 금속과 반응할 수 있는) 산소의 무시가능한 함량을 포함하는 분위기(atmosphere)를 제공하기 위하여, 그리고 용융 챔버로부터의 분순물을 제거하기 위하여, VAR 화로는 진공 소스를 포함할 수 있다. 또한 일부 VAR 화로의 경우에는, 상기 용융 챔버로부터 열을 추출하기 위하여 냉각 시스템이 포함된다.

VAR 시스템의 제어는 잉곳 및/또는 도가니 위에서 재용융 동낭에 형성되는 용융 풀과 전극의 단부 사이의 아크 갭을 제어함에 기초할 수 있다. VAR의 실제에 있어서, 상대적으로 일정한 아크 갭을 유지함이 VAR 공정 동안에 일관된 재용융 결과를 낳는데에 도움이 된다는 것이 관찰되었다. 따라서, VAR 공정의 제어는 적어도 부분적으로, 상기 아크 갭을 제어함에 기초할 수 있다. 그러나, VAR 공정 동안에 아크 갭을 육안으로 관찰하는 것이 종종 불가능하거나 현실적으로 어려운 것이기 때문에, 아크 갭은 상대적으로 접근성이 좋은 다른 데이터에 기초하여 도출 또는 판별될 수 있다. 예를 들어, 어떤 제어 방법에서는 상기 아크의 길이와 아크의 저항(예를 들어 상기 아크에 의해 유발되는 전압 강하)이 상호관계를 갖는다는 것을 전제로 한다.

또한 재용융 공정 동안에는, 재용융 동안에 짧은 지속 시간(예를 들어, 수 밀리초) 동안의 회로 단락(short circuit)이 발생하는 것으로 관찰되었다. 또한, 회로 단락의 빈도가 아크 갭에 대해 상호관계를 갖는다는 점이 관찰되었다. 이와 같은 정보는 상기 아크 갭을 제어 및/또는 유지하는데에 이용될 수 있다. 종래의 제어 방법에서는, 아크 갭을 동적으로 제어 및/또는 유지하기 위하여 상기 램의 속도가 변경되고, 그 동안에 요망되는 용융률(melting rate)을 얻기 위하여 파워 입력이 선택되었다.

그러나, 결과적인 잉곳이 큰 직경(예를 들어, 750mm 보다 큰 직경)을 갖는 것이 요망되는 경우의 VAR 공정에서는, 램 속도 제어가 곤란할 수 있고, 그리고/또는 상기 속도를 제어하면 전극의 직경이 증가함으로 인하여 아크 갭에서의 동일한 변화를 위해 용융되어야 하는 금속의 양이 더 크게 되기 때문에 상기 아크 갭의 제어가 부정확하게 될 수 있다.

따라서, 아크 갭이 램 속도의 조절에 대해 독립적으로 제어될 수 있는, VAR 공정을 위한 개선된 제어 시스템이 필요하다.

본 발명의 일 형태에 따라서 금속의 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting; VAR) 공정을 위한 제어 시스템이 제공된다. 상기 VAR 공정에서는 VAR 화로가 이용되고, 상기 VAR 화로는 금속으로 이루어진 잉곳이 형성되는 도가니, 상기 금속으로 형성된 전극과 작동상 연계된 램(ram), 진공 챔버, 및 상기 진공 챔버와 연계된 진공 소스(vacuum source)를 포함한다. 상기 제어 시스템은 직류(DC) 파워 소스, 램 구동부, 드립 쇼트 센서, 및 프로세서(processor)를 포함하는 콘트롤러를 포함할 수 있다. 상기 직류 파워 소스는, 상기 전극과 작동상 연계될 수 있고, 또한 상기 잉곳의 용융 풀(melt pool)과 상기 전극의 전극 말단 사이에 전기 아크를 생성시키도록 구성될 수 있다. 상기 램 구동부(ram drive)는, 상기 램과 작동상 연계될 수 있고, 상기 램을 구동하도록 구성될 수 있다. 상기 드립 쇼트 센서(drip short sensor)는, 소정의 시간 기간(period of time)에 걸쳐서 상기 전기 아크의 드립 쇼트 빈도(drip short frequency)를 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 콘트롤러는, 상기 직류 파워 소스, 램 구동부, 및 드립 쇼트 센서와 작동상 연계될 수 있고, 또한 상기 전극에 대해 요망되는 용융률(melt rate)을 달성하기 위한 램 속도(ram velocity)인 상기 VAR 공정에서의 램 속도를 결정하는 램 제어 모듈(ram control module)을 이용하고, 상기 램 속도에 기초하여 상기 램을 구동하는 램 구동부에 지시를 제공함으로써, 상기 램의 램 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 콘트롤러는 상기 드립 쇼트 센서에 의해 측정되는 상기 시간 기간 동안의 드립 쇼트 빈도를 이용하고, 상기 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이 간의 상호관계에 기초해서 실시간 아크 갭 길이를 판별하는 갭 판별 모듈(gap determination module)을 이용하여, 상기 용융 풀과 상기 전극 말단 사이의 실시간 아크 갭 길이(real time arc gap length)를 판별하도록 더 구성될 수 있다. 또한 상기 콘트롤러는 직류 파워 공급부(DC power supply)에 의하여 전달되는 파워가 상기 용융 풀과 전극 말단 사이에 요망되는 아크 갭 길이가 생성되게 하는 레벨인 상기 전극에 대한 입력 파워 레벨(input power level)을 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 결정하는 파워 제어 모듈을 이용해서, 상기 직류 파워 공급부에 의하여 상기 전극에 입력되는 파워를 제어하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 일 형태에 따라 진공 아크 재용융(VAR) 공정을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 상기 VAR 공정에서는 VAR 화로가 이용될 수 있고, 상기 VAR 화로는 금속으로 이루어진 잉곳이 형성되는 도가니, 상기 금속으로 형성된 전극과 작동상 연계된 램, 진공 챔버, 및 상기 진공 챔버와 연계된 진공 소스를 포함할 수 있다. 상기 제어 방법은: 상기 전극과 작동상 연계된 직류(DC) 파워 소스를 이용하여 상기 잉곳의 용융 풀과 상기 전극의 전극 말단 사이에 전기 아크를 생성시킴; 상기 램과 작동상 연계된 램 구동부를 이용하여, 상기 램을 상기 전극에 대하여 요망되는 용융률을 달성하기 위한 램 속도로 구동함; 및 드립 쇼트 센서를 이용하여, 소정 시간 기간에 걸친 상기 전기 아크의 드립 쇼트 빈도를 판별함;을 포함할 수 있다. 또한 상기 제어 방법은: 상기 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이 간의 상호관계에 기초하여, 상기 시간 기간에 걸친 드립 쇼트 빈도를 이용해서 상기 용융 풀과 전극 말단 사이의 실시간 아크 갭 길이를 판별함;을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 제어 방법은: 직류 파워 공급부에 의하여 전달되는 파워가 상기 용융 풀과 전극 말단 사이에 요망되는 아크 갭 길이가 생성되게 하는 레벨인 상기 전극에 대한 입력 파워 레벨을 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 결정함; 및 상기 입력 파워 레벨에 기초하여, 상기 직류 파워 공급부에 의해서 상기 전극에 입력되는 파워를 제어함;을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 형태에 따라서, 금속의 진공 아크 재용융(VAR) 공정을 수행하기 위한 VAR 화로가 제공된다. 상기 VAR 화로는: 금속으로 이루어진 잉곳이 형성되는 도가니; 상기 금속으로 형성된 전극과 작동상 연계된 램; 진공 챔버; 및 상기 진공 챔버와 연계된 진공 소스;를 포함할 수 있다. 상기 VAR 화로는: 직류(DC) 파워 소스, 램 구동부, 드립 쇼트 센서, 및 콘트롤러(프로세서를 포함)를 포함할 수 있다. 상기 직류 파워 소스는, 상기 전극과 작동상 연계될 수 있고, 상기 잉곳의 용융 풀과 상기 전극의 전극 말단 사이에 전기 아크를 생성시키도록 구성될 수 있다. 상기 램 구동부는, 상기 램과 작동상 연계될 수 있고, 상기 램을 구동하도록 구성될 수 있다. 상기 드립 쇼트 센서는, 소정 시간 기간에 걸쳐서 상기 전기 아크의 드립 쇼트 빈도를 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 콘트롤러는 상기 직류 파워 소스, 램 구동부, 및 드립 쇼트 센서와 작동상 연계될 수 있고, 또한 상기 전극에 대해 요망되는 용융률을 달성하기 위한 램 속도인 상기 VAR 공정에서의 램 속도를 결정하고, 상기 램 속도에 기초하여 상기 램을 구동하는 램 구동부에 지시를 제공함으로써, 상기 램의 램 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 또한 상기 콘트롤러는, 상기 드립 쇼트 센서에 의해 측정되는 상기 시간 기간에 걸친 상기 전기 아크의 드립 쇼트 빈도를 이용하고, 상기 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이 간의 상호관계에 기초해서 실시간 아크 갭 길이를 결정함으로써, 상기 용융 풀과 상기 전극 말단 사이의 실시간 아크 갭 길이를 판별하도록 구성될 수 있다. 또한 상기 콘트롤러는, 직류 파워 공급부에 의하여 전달되는 파워가 상기 용융 풀과 전극 말단 사이에 요망되는 아크 갭 길이가 생성되게 하는 레벨인 상기 전극에 대한 입력 파워 레벨(input power level)을 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 결정함으로써, 상기 직류 파워 공급부에 의하여 상기 전극에 입력되는 파워를 제어하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 상기 형태들 및 특징들, 그리고 다른 형태들 및 특징들은, 아래의 첨부 도면들을 참조로 하는 하기의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 관련 제어 시스템의 구성요소들 및 진공 아크 재용융(VAR) 화로를 도시하는 개략도이다.
도 2 는 도 1 의 VAR 화로의 잉곳 및 전극 사이의 아크 갭을 도시하는 확대도인데, 여기에는 본 발명 및 도 1 에 따른 아크 갭 안에 배치된 전기 아크가 도시되어 있다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예 및 도 1 및 2 에 따른, 도 1 의 VAR 화로를 활용한 VAR 공정을 제어하기 위한 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 VAR 화로를 활용하는 VAR 공정을 제어하기 위한 방법을 도시하는 예시적인 흐름도이다.

소정의 예시적인 실시예들에 관한 아래의 상세한 설명에서, 도면들은 축적에 맞게 도시된 것이 아니고, 제시된 실시예들은 종종 개략적으로 또는 부분적으로 도시된 것이라는 점이 이해되어야 할 것이다. 또한, 어떤 경우에는 본 발명의 이해에 반드시 필요하지 않거나 다른 상세부분과 관련하여 이해가 곤란한 상세부분은 생략되어 있을 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에서 개시 및 제시된 특정의 실시예들에만 국한되는 것이 아니고, 상세한 설명은 본 발명, 청구범위에 기재된 발명, 및 이에 균등한 발명을 이해하기에 적절한 정도로 제공된다.

이제 도면들, 특히 도 1 을 참조하면, 예시적인 진공 아크 재용융(VAR) 화로(10)는 VAR 화로(10)의 용융 챔버(14) 내에 금속으로 이루어진 전극(12)을 용융시킴으로써 금속을 재용융시키도록 구성된 것일 수 있다. 상기 용융 챔버(14) 내에서, 전극(12)은 도가니(16) 내에 배치될 수 있다. 일부 예들에 있어서는, 구리가 요망되는 열 특성 및/또는 전기 전도성을 제공할 수 있기 때문에 상기 도가니(16)가 구리로 형성된 것일 수 잇으나, 도가니(16)는 구리로 형성되는 것으로만 국한되는 것이 아니며 VAR 공정을 위하여 요망되는 열 특성 및/또는 전기 전도성을 제공하는 임의의 재료로 형성될 수 있다.

일부 예에서는 상기 도가니(16)가 예를 들어 냉각 시스템(20)에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 냉각 시스템(20)은 예를 들어 냉각제 소스(22)를 포함할 수 있는데, 상기 냉각제 소스(22)는 하나 이상의 냉각제 채널(24)을 통하여 상기 도가니(16) 안으로 냉각제 유체를 유입시킨다. 상기 냉각제는 냉각제 유출부(26)를 통해서 도가니(16) 밖으로 배출될 수 있으며, 여기에서 상기 냉각제가 폐기되거나, 저온화되어서 냉각제 소스(22)를 통하여 냉각제로서 다시 도가니(16) 안으로 재진입할 수 있다. 상기 냉각제는 예를 들어 물이거나, 또는 물을 기반으로 하는 임의의 냉각제일 수 있다. 다만 상기 냉각제가 반드시 물이거나 물을 기반으로 하는 것에만 국한되는 것은 아니며, VAR 공정에서 사용되기 전, 사용되는 동안, 및/또는 사용된 후에 도가니(16)를 냉각시킬 수 있는 임의의 적절한 냉각제일 수 있다.

전극(12)을 VAR 화로(10) 안에서 도가니(16)에 대해 상대적으로 배치하기 위하여 VAR 화로(10)는 램(28)을 더 포함할 수 있는데, 상기 램(28)은 전극(12)과 작동상 연계된다. 램(28) 및 전극(12)은 VAR 화로(10)의 진공 챔버(30) 안에서 이동할 수 있다. 진공 챔버(30)에서는 불순물이 제거되고 그리고/또는 진공 챔버(30)의 환경 조건이 진공 챔버(30) 및 용융 챔버(14) 내에서의 진공 밀봉을 생성하기 위한 것으로 맞춰진다. 진공 챔버(30)를 진공화시키기 위해서, 진공 소스(32)가 구비될 수 있다. 전극(12)을 도가니(16)에 대해 상대적으로 배치시키기 위하여, 램(28) 및 이와 연계된 전극(12)을 이동시키는 램 구동부(34)가 포함될 수 있다. 램 구동부(34)는 램(28)을 거쳐서 전극(12)을 배치시키기 위하여 채택될 수 있는, 본 기술분야에서 알려진 임의의 적합한 구동 메카니즘일 수 있다. 예를 들어, 램 구동부(34)가 서보 모터, 감속 기어 구동부, 임의의 공지된 모터, 솔레노이드 밸브 피스톤 구동부, 유압식 구동부, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.

도가니(16) 내의 전극(12)의 금속의 재용융물인 잉곳(38)의 용융 풀(36)에 대해서 전극(12)의 위치를 선정하기 위하여 램 구동부(34)가 활용될 수 있다. VAR 화로(10)의 작동 동안에, 파워 소스(40)는 램(28)과 전극(12)을 통해서 상대적으로 낮은 전압 및 높은 전류세기(amperage)를 갖는 전류를 통전시킬 수 있다. 일부 예들에 있어서, 그러한 전류는 대략 20 내지 30 볼트의 상대적으로 낮은 전압과 예를 들어 1 kiloampere 이상의 상대적으로 높은 전류세기를 가질 수 있다. 전류가 12 으로 통전됨에 따라서, 잉곳(38)의 용융 풀(36)과 전극(12)의 말단(44) 사이에 전기 아크(42)가 생성된다. 전기 아크(42)는 도 2 에서 확대된 모습으로 도시되어 있다. 전기 아크(42)의 생성을 위하여 전극(12)에 전류를 인가함으로써, 전극(12)이 저속으로 용융 풀(36) 안으로 용융되어 들어감이 유발될 수 있다.

그와 같이 저속으로 용융된 것은 용융 챔버(14) 및/또는 진공 챔버(30)의 진공 밀봉된 환경 안에 담겨진다. 전극(12)에 인가되는 전류는 음의 전압일 수 있으며, 따라서 잉곳(38)과 잉곳(38)의 용융 풀(36)은 접지 전압으로 유지될 수 있다. 일부 예들에 있어서는 잉곳(38)의 온도가 냉각 시스템(20)에 의하여 제어될 수 있으며, 이에 의한 잉곳(38)의 냉각으로 인하여 제한된 용융 풀(36)이 유지되는 한편 잉곳(38)의 냉각된 부분이 고체로 유지될 수 있다.

인가된 전류로 인하여 금속이 전극(12)으로부터 용융됨에 따라서, 용융되어 이탈하는 금속이 잉곳(38) 상으로 떨어진다. 따라서, 상기 용융으로 인하여, 전극(12)으로부터 용융되어 떨어지는 재료는 잉곳(38)에 부가되는 재료에 비례한다. 그러나, 통상적으로 전극(12)이 도가니(16), 그리고 이에 따라 잉곳(38)의 직경보다 작은 직경을 갖기 때문에, 램(28)이 전극(12)을 잉곳(38)의 성장률을 초과하는 비율로 잉곳(38)을 향하여 구동할 수 있다.

재용융이 일어남에 따라서 램 구동부(34)는 램(28)을 잉곳(38)을 향하여 구동하도록 구성된다. 재용융 동안에는 아크 갭(46)이 형성되는데, 이것은 잉곳(38)의 용융 풀(36)과 전극(12)의 말단(44) 사이의 간극으로서 정의될 수 있다. 아크 갭(46)은 VAR 공정에 걸쳐서 최적 성능을 위해서 상대적으로 일정하게 유지되어야 한다.

그러나, VAR 화로(10)를 이용하는 VAR 공정 동안에 아크 갭(46)을 육안으로 관찰하는 것은 불가능하거나 사실상 불가능할 수 있으며, 따라서 아크 갭(46)은 보다 접근가능한 다른 데이터에 기초하여 도출 또는 판별될 수 있다. 예를 들어, 도시된 아크 갭(46)의 경우에서, 아크 갭(46)은 전기 아크(42)에 의해 유발되는 드립 쇼트들 및/또는 드립 쇼트 빈도와 아크 길이 간의 상호관계에 기초하여 판별될 수 있다. 상기 전기 아크(42)에 의해서 유발되는 드립 쇼트 빈도는 드립 쇼트 센서(48)를 이용함으로써 판별될 수 있으며, 드립 쇼트 센서(48)는 전기 아크(42)에 의해 유발되는 드립 쇼트 빈도를 판별할 수 있는, 본 기술분야에서 알려진 임의의 센서일 수 있다. 드립 쇼트 센서(48)는 소정 시간 기간에 걸쳐서 전기 아크(42)에 의해서 유발되는 드립 쇼트 빈도를 판별하는데에 유용할 수 있는, 전기 아크(42)에 걸친 전압, 전기 아크(42)에 걸친 전류, 전기 아크(42)에 걸친 저항, 및/또는 전기 아크(42) 및/또는 아크 갭(46)에 관련된 임의의 다른 데이터를 판별할 수 있는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 일부 예들에 있어서, 드립 쇼트 센서(48)는 전기 아크(42)의 전압 측정치에 기초하여 드립 쇼트들을 판별할 수 있다. 이에 부가적으로 또는 대안적으로, 위와 같은 전압 측정치들은 드립 쇼트 센서(48)에 의하여 콘트롤러(52)로 제공될 수 있는데, 여기에서 콘트롤러(52)는 전기 아크(42)의 드립 쇼트 빈도를 판별할 수 있다. 드립 쇼트 센서(48)는 제어 시스템(50)의 일부이거나 또는 이와 조합된 것으로서 이용될 수 있으며, 상기 제어 시스템(50)은 콘트롤러(52)를 포함하는 것으로서, 도 3 에 개략적으로 도시되어 있고 아래에서 보다 상세히 설명되는 VAR 화로(10)의 VAR 공정을 제어하도록 구성된다.

제어 시스템(50)은, 적어도 프로세서(54)를 포함하는 콘트롤러(52)를 포함할 수 있다. 콘트롤러(52)는, 작업들의 수행, 제어 알고리듬의 실행, 데이터 저장, 데이터 추출, 데이터 수집, 및/또는 요망되는 임의의 다른 계산 또는 제어 업무를 수행하도록 작동하는, 프로세서를 포함하는 계산 시스템 또는 임의의 전자 콘트롤러일 수 있다. 콘트롤러(52)는, 램 구동부(34), 파워 소스(40), 드립 쇼트 센서(48), 및 선택적으로 출력 장치(들)(56) 및/또는 입력 장치(들)(58)과 상호작용하도록 구성된 하나 이상의 콘트롤러를 포함하거나 또는 단일의 콘트롤러일 수 있다. 상기 입력 장치(58)는 예를 들어 키보드, 마우스, 터치스크린, 트랙패드, 트랙볼, 및/또는 음성인식 시스템으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 입력 장치(58)는 데이터를 콘트롤러(52)로 입력하기 위하여 유선 또는 무선으로 연결하는 임의의 장치를 포함할 수 있다. 상기 출력 장치(28)는 오디오 출력 장치, 시각 출력 장치, 촉각 출력 장치, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나를 포함할 수 있다.

콘트롤러(52)의 기능은 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 방식으로 구현될 수 있으며, 한 가지 이상의 데이터 맵(data map)에 의존할 수 있다. 이를 위하여, 콘트롤러(52)는 메모리(60)를 포함하거나 메모리(60)와 연계될 수 있으며, 상기 메모리(60)는 데이터베이스 또는 서버와 같은 외부 메모리 및 내부 메모리 중 어느 한 가지 또는 둘 다에 해당될 수 있다. 메모리(60)는 ROM(read only memory), RAM(random access memory), 휴대용 메모리, 등 중 한 가지 이상을 포함할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다. 이와 같은 메모리 매체는 비휘발성 메모리 매체의 예들이다.

VAR 화로(10)의 VAR 공정 동안에 램(28)의 램 속도를 제어하기 위하여, 콘트롤러(52)는 램 제어 모듈(62)를 실행할 수 있다. 램 제어 모듈(62)은 프로세서(54)에 의하여 실행되는, 기계에 의해 독출가능한 지시(machine readable instruction)들에 해당될 수 있으며, 예를 들어 메모리(60)에 저장될 수 있다. 램 제어 모듈(62)은 현재의 VAR 공정에 필요한 램 속도를 결정할 수 있다. 일부 예들에 있어서, 램 속도는 VAR 공정 동안에 전극(12)에 대해 요망되는 용융률에 기초한 것일 수 있다. 예를 들어, 램 속도는 램 제어 모듈(62)에 의하여 동적으로 변경될 수 있으며, 이로써 요망되는 용융률을 얻기 위해 전극(12)의 용융률을 변화시킬 수 있다.

상기 결정된 램 속도에 기초하여, 램 제어 모듈(62)은 램 구동부(34)에 램 속도 지시들을 제공함으로써 램(28)의 램 속도를 제어할 수 있다. 일부 예들에 있어서, 램 구동부(34)는 구동 액츄에이터(64)를 구동할 수 있는데, 이것은 램 속도 지시들에 기초하여 램(28)을 배치 및/또는 이동시킬 것이다.

VAR 화로(10)의 VAR 공정 동안에 현재의 아크 갭(46)을 판별 및/또는 산출하기 위하여, 콘트롤러(52)가 갭 판별 모듈(66)을 실행할 수 있다. 갭 판별 모듈(66)은 드립 쇼트 센서(48)로부터의 입력을 수신할 수 있다. 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이 간의 알려진 상호관계를 활용하여, 갭 판별 모듈(66)은 아크 갭(46)의 실시간 길이를 판별할 수 있다. 일부 예들에 있어서, 갭 판별 모듈(66)은 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이의 상호관계에 기초하여 실시간 아크 갭 길이를 판별할 수 있는데, 그것은 일부 예들에 있어서는 전기 아크(42)의 전압 측정치로부터 판별될 수 있다.

전극(12)의 금속이 전극(12)으로부터 잉곳(38)으로 전달되는 때에 용융 금속 칼럼(molten metal column)의 형성 및 파단은 아크 갭(46) 내에서 형성되는바, 도 2 에 용융 금속 칼럼(68)이 도시되어 있다. 이와 같은 칼럼은 전극(12)과 잉곳(38) 사이에 낮은 저항의 브리지(low resistance bridge)를 형성하며, 이것이 드립 쇼트를 유발한다. 드립 쇼트로 인하여 전기 아크(42)가 일시적으로 소멸됨이 유발되고, 이것이 아크 전압의 강하로 귀결되며, 이것은 드립 쇼트 센서(48)에 의하여 모니터링된다. 이와 같은 전압 강하는 VAR 공정에 있어서의 드립 쇼트 빈도를 판별하기 위하여 소정 시간 기간에 걸쳐 모니터링될 수 있다. 본 기술분야에서 알려진 바와 같이, 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이는 밀접한 관계를 가지며, 따라서 그러한 상호관계에 기초하여 갭 판별 모듈(66)이 아크 갭(46)의 실시간 길이를 판별할 수 있다.

상기 실시간 아크 갭 길이는, 전극(12)에 입력되는 파워 레벨의 변경 및/또는 제어를 위해서 파워 제어 모듈(70)에 의해 활용될 수 있다. 파워 제어 모듈(70)은 베이스 파워 레벨(base power level)에서 작동할 수 있는데, 상기 베이스 파워 레벨은 주어진 VAR 공정에 대한 미리 결정된 파워 레벨에 기초한 것으로서, 메모리(60)에 저장되거나 또는 입력 장치(58)로부터 입력될 수 있다. 만일 갭 판별 모듈(66)로부터 수신된 실시간 아크 갭 길이가 현재의 VAR 공정에서 요망되는 아크 갭 길이와 상이하다면, 파워 제어 모듈(70)은 상기 전극(12)에 입력되는 파워를 상기 베이스 파워 레벨을 기초로 하여 변경할 수 있다. 만일 상기 실시간 아크 갭 길이가 요망되는 아크 갭 길이와 상이하다면, 파워 제어 모듈이 파워 레벨을 상승 또는 하강시키라는 지시를 파워 소스(40)에 제공할 수 있으며, 이로써 아크 갭(46)의 아크 갭 길이가 하강 또는 상승된다. 예를 들어, 실시간 아크 갭이 요망되는 아크 갭 길이에 비하여 너무 작다면, 파워 제어 모듈(70)은 파워 소스(40)에 의하여 전극(12)으로 입력되는 파워를 상승시킬 수 있으며, 이로 인하여 시간당 전극(12)으로부터 용융되어 이탈하는 금속의 양이 더 크게 되고 더 많은 금속이 더 신속히 용융되기 때문에, 아크 갭 길이가 요망되는 아크 갭 길이를 충족시키도록 증가할 것이다. 한편 현재의 아크 갭 길이가 요망되는 아크 갭 길이에 비하여 너무 크다고 판별된다면, 파워 제어 모듈(70)은 파워 소스(40)에 이하여 전극(12)으로 입력되는 파워 레벨을 하강시킬 수 있으며, 이로 인하여 시간당 전극(12)으로부터 용융되어 이탈하는 금속이 더 적게되고 소정 시간 기간 동안 더 적은 금속이 용융되기 때문에, 아크 갭 길이가 상기 요망되는 아크 갭 길이를 충족시키도록 감소할 것이다.

최적의 금속공학적 성질을 가진 잉곳(38)을 적절히 형성하기 위하여, 제어 시스템(50)이 VAR 화로(10)와 조합되어 활용될 수 있다. 제어 시스템(50)은 VAR 화로(10)를 활용하는 VAR 공정을 제어하기 위한 방법(100)과 함께, 또는 그에 부가하여 활용될 수 있다. VAR 공정 제어 방법(100)은 도 4 의 흐름도로서 예시될 수 있다. 아래에서 제시되는 VAR 공정 제어 방법(100)은 제어 시스템(50) 및 VAR 화로(10)를 참조하여 설명되지만, VAR 공정 제어 방법(100)은 대안적인 구성요소들을 이용하여 구현될 수 있으며, 반드시 제어 시스템(50) 및/또는 제어 시스템(50)의 구성요소들을 이용하여 구현되는 것으로만 국한되는 것으로 고려되어서는 안될 것이다.

VAR 공정 제어 방법(100)은 블록(110)에 도시된 바와 같이, 파워 소스(40)를 이용하여 용융 풀(36)과 전극 말단(44) 사이에 전기 아크(42)를 발생시킴으로써 시작될 수 있다. 블록(120)에 도시된 바와 같이, 예를 들어 램 구동부(34)를 활용함으로써, 램이 램 속도로 구동될 수 있다. 상기 램 속도는 전술된 바와 같이, 전극(12)에 대해 요망되는 용융률이 달성되도록 정해질 수 있다. VAR 공정 제어 방법(100)은, 블록(130)에 도시된 바와 같이, 드립 쇼트 센서(48)를 이용해서 소정 시간 기간에 걸쳐서 전기 아크(42)의 드립 쇼트 빈도를 판별함을 더 포함할 수 있다.

VAR 공정 제어 방법(100)은, 블록(150)에 도시된 바와 같이, 적어도 드립 쇼트 빈도를 기초로 하여, 아크 갭 길이와 드립 쇼트 빈도 간의 상호관계에 기초해서 용융 풀(36)과 전극 말단(44) 사이의 실시간 아크 갭 길이를 판별할 수 있다.

VAR 공정 제어 방법(100)은, 블록(160)에 도시된 바와 같이, 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 전극(12)에 대한 입력 파워 레벨을 결정함을 포함할 수 있는데, 상기 입력 파워 레벨은 파워 소스(40)에 의하여 파워가 입력 파워 레벨로 전달되는 때에 용융 풀(36)과 전극 말단(44) 사이에 요망되는 아크 갭 길이가 생성되도록 정해진다. 일부 예들에 있어서, 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 전극(12)에 대한 입력 파워 레벨을 결정함은, 상기 실시간 아크 갭 길이가 요망되는 아크 갭 길이보다 더 큰 경우에 파워 소스(40)의 파워 감소를 결정함을 포함할 수 있다. 이에 부가하여 또는 대안적으로, 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 전극(12)에 대한 입력 파워 레벨을 결정함은, 상기 실시간 아크 갭 길이가 요망되는 아크 갭 길이보다 더 작은 경우에 파워 소스(40)의 파워 증가를 결정함을 포함할 수 있다. 블록(170)에 도시된 바와 같이, VAR 공정 제어 방법(100)은 입력 파워 레벨에 기초하여, 파워 소스(40)를 이용해서 전극(12)에 대한 파워 입력을 제어할 수 있다.

본 발명은 일반적으로 재용융 공정을 이용하는 금속공학적 고순도화, 특히 잉곳 생산을 포함하는 다양한 산업에서 이용될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다. 여기에서 개시되는 시스템 및 방법을 이용함으로써, 더 높은 순도 및/또는 구조적 무결성을 갖는 금속이 VAR 공정 동안에 얻어질 수 있다. 또한, 여기에서 개시된, 파워를 기초로 하는 아크 갭 제어 시스템 및 방법을 활용함으로써, 큰 내측 직경을 갖는 도가니를 구비한 VAR 화로에서 더 큰 직경을 갖는 잉곳을 생산하는 때에 적절한 아크 갭의 제어가 달성될 수 있다.

예를 들어 도 1 에 도시된 바와 같이, 도가니(16)는 도가니 내에서 생산되는 잉곳(38)의 직경과 상호관련된 내측 직경(72)을 가질 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 내측 직경(72)은 750 mm 보다 더 클 수 있다. 그와 같은 일부 예들에서, 내측 직경(72)은 1000 내지 1100 mm 의 범위 내에 있을 수 있다. 그와 같이 큰 직경을 갖는 잉곳을 생산하기 위하여 VAR 공정이 수행되는 때에, 아크 갭(46)을 유지 및/또는 보정하기 위하여 램 속력을 제어하는 것은 비현실적이거나 어려운 것일 수 있다. 따라서 램 속도를 변경함으로써 아크 갭을 보정하는 종래의 제어 시스템은, 생산되는 잉곳의 크기가 위와 같이 큰 경우에는, VAR 공정 동안에 아크 갭을 제어하는데에 적절하지 못할 수 있다. 따라서, 여기에서 개시되는 방법 및 시스템은, 램 속력의 변경에 부가하여 또는 그에 대해 대안적으로, 파워 소스(40)에 의하여 입력되는 파워에 기초해서 아크 갭을 제어함으로써, 아크 갭, 그리고 그에 따라 VAR 공정 자체에 대한 더 우수한 제어를 제공한다.

본 발명은 진공 아크 재용융 제어 시스템, VAR 제어 방법, VAR 화로, 그리고 구체적으로는 파워 입력에 기초하여 아크 갭을 제어하는 VAR 제어 시스템 및 방법을 제공한다는 것이 이해될 것이다. 위에서는 일부 실시예들에 대해서만 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 설명으로부터 다른 변형예들 및 변경예들이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 이와 같은 다른 실시예들과 대안예들은 첨부된 청구범위 및 본 발명의 범위와 취지 안에성 균등한 것으로 고려되어야 할 것이다.

Claims

금속의 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting; VAR) 공정을 위한 제어 시스템으로서, 상기 VAR 공정에서는 VAR 화로가 이용되고, 상기 VAR 화로는 금속으로 이루어진 잉곳이 형성되는 도가니, 상기 금속으로 형성된 전극과 작동상 연계된 램(ram), 진공 챔버, 및 상기 진공 챔버와 연계된 진공 소스(vacuum source)를 포함하고, 상기 제어 시스템은:
상기 전극과 작동상 연계된 직류(DC) 파워 소스로서, 상기 잉곳의 용융 풀(melt pool)과 상기 전극의 전극 말단 사이에 전기 아크를 생성시키는, 직류 파워 소스;
상기 램과 작동상 연계되고, 상기 램을 구동하는, 램 구동부(ram drive);
시간 기간(period of time)에 걸쳐서 상기 전기 아크의 드립 쇼트 빈도(drip short frequency)를 측정하는 드립 쇼트 센서(drip short sensor); 및
상기 직류 파워 소스, 램 구동부, 및 드립 쇼트 센서와 작동상 연계되고, 프로세서(processor)를 포함하는, 콘트롤러;를 포함하며,
상기 콘트롤러는:
상기 드립 쇼트 센서에 의해 측정되는 상기 시간 기간 동안의 드립 쇼트 빈도를 이용하고, 상기 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이 간의 상호관계에 기초해서 실시간 아크 갭 길이를 판별하는 갭 판별 모듈(gap determination module)을 이용하여, 상기 용융 풀과 상기 전극 말단 사이의 실시간 아크 갭 길이(real time arc gap length)를 판별하고;
상기 전극에 대해 요망되는 용융률(melt rate)을 달성하기 위한 램 속도(ram velocity)인 상기 VAR 공정에서의 램 속도를 결정하는 램 제어 모듈(ram control module)을 이용하고, 상기 램 속도에 기초하여 상기 램을 구동하는 램 구동부에 지시를 제공함으로써, 상기 램의 램 속도를 제어하며;
직류 파워 공급부(DC power supply)에 의하여 전달되는 파워가 상기 용융 풀과 전극 말단 사이에 요망되는 아크 갭 길이가 생성되게 하는 레벨인 상기 전극에 대한 입력 파워 레벨(input power level)을 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 결정하는 파워 제어 모듈을 이용해서, 상기 직류 파워 공급부에 의하여 상기 전극에 입력되는 파워를 제어하는, 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 파워 제어 모듈은, 상기 실시간 아크 갭 길이가 상기 요망되는 아크 갭 길이보다 더 큰 경우에 상기 직류 파워 공급부의 파워를 감소시키는, 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 파워 제어 모듈은, 상기 실시간 아크 갭 길이가 상기 요망되는 아크 갭 길이보다 더 작은 경우에 상기 직류 파워 공급부의 파워를 상승시키는, 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 도가니의 내측 직경은 상기 잉곳의 잉곳 직경에 대응되고, 상기 내측 직경은 750 mm 와 같거나 이보다 더 큰, 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 도가니의 내측 직경은 상기 잉곳의 잉곳 직경에 대응되고, 상기 내측 직경은 1000 내지 1100 mm 의 범위 내에 있는, 제어 시스템.
진공 아크 재용융(VAR) 공정을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 VAR 공정에서는 VAR 화로가 이용되고, 상기 VAR 화로는 금속으로 이루어진 잉곳이 형성되는 도가니, 상기 금속으로 형성된 전극과 작동상 연계된 램, 진공 챔버, 및 상기 진공 챔버와 연계된 진공 소스를 포함하고, 상기 제어 방법은:
상기 전극과 작동상 연계된 직류(DC) 파워 소스를 이용하여 상기 잉곳의 용융 풀과 상기 전극의 전극 말단 사이에 전기 아크를 생성시킴;
상기 램과 작동상 연계된 램 구동부를 이용하여, 상기 램을 상기 전극에 대하여 요망되는 용융률을 달성하기 위한 램 속도로 구동함;
드립 쇼트 센서를 이용하여, 시간 기간에 걸친 상기 전기 아크의 드립 쇼트 빈도를 판별함;
상기 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이 간의 상호관계에 기초하여, 상기 시간 기간에 걸친 드립 쇼트 빈도를 이용해서 상기 용융 풀과 전극 말단 사이의 실시간 아크 갭 길이를 판별함;
직류 파워 공급부에 의하여 전달되는 파워가 상기 용융 풀과 전극 말단 사이에 요망되는 아크 갭 길이가 생성되게 하는 레벨인 상기 전극에 대한 입력 파워 레벨을 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 결정함; 및
상기 입력 파워 레벨에 기초하여, 상기 직류 파워 공급부에 의해서 상기 전극에 입력되는 파워를 제어함;을 포함하는, 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 전극에 대한 입력 파워 레벨을 상기 현재의 아크 갭 길이에 기초하여 결정함은, 상기 실시간 아크 갭 길이가 상기 요망되는 아크 갭 길이보다 더 큰 경우에 상기 직류 파워 공급부의 파워 감소를 결정함을 포함하는, 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 전극에 대한 입력 파워 레벨을 상기 현재의 아크 갭 길이에 기초하여 결정함은, 상기 실시간 아크 갭 길이가 상기 요망되는 아크 갭 길이보다 더 작은 경우에 상기 직류 파워 공급부의 파워 증가를 결정함을 포함하는, 제어 방법.
금속의 진공 아크 재용융(VAR) 공정을 수행하기 위한 VAR 화로로서,
상기 VAR 화로는:
금속으로 이루어진 잉곳이 형성되는 도가니;
상기 금속으로 형성된 전극과 작동상 연계된 램;
진공 챔버;
상기 진공 챔버와 연계된 진공 소스;
상기 전극과 작동상 연계되고, 상기 잉곳의 용융 풀과 상기 전극의 전극 말단 사이에 전기 아크를 생성시키는, 직류 파워 소스;
상기 램과 작동상 연계되고, 상기 램을 구동하는, 램 구동부;
시간 기간에 걸쳐서 상기 전기 아크의 드립 쇼트 빈도를 측정하는, 드립 쇼트 센서; 및
상기 직류 파워 소스, 램 구동부, 및 드립 쇼트 센서와 작동상 연계되고, 프로세서를 포함하는, 콘트롤러;를 포함하고,
상기 콘트롤러는:
상기 드립 쇼트 센서에 의해 측정되는 상기 시간 기간에 걸친 상기 전기 아크의 드립 쇼트 빈도를 이용하고, 상기 드립 쇼트 빈도와 아크 갭 길이 간의 상호관계에 기초해서 실시간 아크 갭 길이를 결정함으로써, 상기 용융 풀과 상기 전극 말단 사이의 실시간 아크 갭 길이를 판별하고;
상기 전극에 대해 요망되는 용융률을 달성하기 위한 램 속도인 상기 VAR 공정에서의 램 속도를 결정하고, 상기 램 속도에 기초하여 상기 램을 구동하는 램 구동부에 지시를 제공함으로써, 상기 램의 램 속도를 제어하며;
직류 파워 공급부에 의하여 전달되는 파워가 상기 용융 풀과 전극 말단 사이에 요망되는 아크 갭 길이가 생성되게 하는 레벨인 상기 전극에 대한 입력 파워 레벨(input power level)을 상기 실시간 아크 갭 길이에 기초하여 결정함으로써, 상기 직류 파워 공급부에 의하여 상기 전극에 입력되는 파워를 제어하는, VAR 화로.
제9항에 있어서,
VAR 공정 동안에 상기 도가니 내의 잉곳을 냉각시키는 냉각 시스템을 더 포함하는, VAR 화로.
제9항에 있어서,
상기 도가니의 내측 직경은 상기 잉곳의 잉곳 직경에 대응되고, 상기 내측 직경은 750 mm 와 같거나 이보다 더 큰, VAR 화로.
제9항에 있어서,
상기 도가니의 내측 직경은 상기 잉곳의 잉곳 직경에 대응되고, 상기 내측 직경은 1000 내지 1100 mm 의 범위 내에 있는, VAR 화로.
제9항에 있어서,
상기 콘트롤러에 의한 입력되는 파워의 제어는, 상기 현재의 아크 갭 길이가 상기 요망되는 아크 갭 길이보다 더 큰 경우에 상기 직류 파워 공급부의 파워를 감소시킴을 포함하는, VAR 화로.
제9항에 있어서,
상기 콘트롤러에 의한 입력되는 파워의 제어는, 상기 현재의 아크 갭 길이가 상기 요망되는 아크 갭 길이보다 더 작은 경우에 상기 직류 파워 공급부의 파워를 증가시킴을 포함하는, VAR 화로.