(57)【要約】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。
2018536085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
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。
【０００９】
【図１】図１は、本開示の側面による、レーザ溶融物高度センサシステムを有する真空溶融物チャンバを示す、真空溶融システムの略図である。
【図２】図２は、本開示の側面による、真空溶融物チャンバのためのレーザ溶融物高度センサシステムの動作のプログラマブル論理フローチャートである。
【図３Ａ】図３Ａは、本開示の側面による、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例証である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本開示の側面による、レーザ溶融物高度センサシステムを有する、図３Ａに示されるような真空溶融炉の側面断面図例証である。
【図４】図４は、本開示の側面による、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の方法を図示する、フローチャートである。
【図５】図５は、本開示の側面による、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略図である。
【図６】図６は、本開示の側面による、電子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。
【図７】図７は、本開示の側面による、プラズマアークトーチ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。
【図８】図８は、本開示の側面による、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の略図である。
【図９】図９Ａ、９Ｂ、および９Ｃは、本開示の側面による、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る。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【国際調査報告】
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