DE4021390A1 - Ofenhuelle mit einem klaren sichtpfad - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Schema, nach dem ein Ofen, der zur Schmelzverarbeitung von Legierungen bei hoher Temperatur unter Anwendung des Plasmalicht­ bogen-Schmelzens (PAM) oder des Elektronenstrahl-Schmelzens (EBM) benutzt wird, visuell beobachtet werden kann. Mehr im besonderen bezieht sie sich auf ein Schema zur Schaf­ fung und Erhaltung eines optischen Pfades in die Ofen­ kammer, während die Schmelzverarbeitung stattfindet, der die Betrachtung fast des gesamten Inneren der Ofenkammer durch einen Spiegel mit einer sauberen Oberfläche ge­ stattet.

Es ist festgestellt worden, daß teilchenförmiges Material, das aus der Schmelzoberfläche von PAM- oder EBM-Proben stammt, sich auf Sichtöffnungen und der damit verbundenen Vorrichtung, die zum Überwachung des Schmelzverarbeitens dieser Proben, sei es visuell oder optisch, benutzt wird, abscheidet. Solche Abscheidungen von teilchenförmigem Material beeinträchtigen die visuelle Beobachtung, die zur Überwachung des Verfahrens benutzt wird, und sie be­ einträchtigen auch quantitative IR-Temperaturmessungen, die für die Verfahrenskontrolle ausgeführt werden, so wie auch andere optische Techniken, wie die Spiegelbe­ trachtung, die entweder zur Prozeßkontrolle oder zur Überwachung des im Ofen stattfindenden Verarbeitens be­ nutzt wird. So ist zum Beispiel die visuelle Beobach­ tung der Schmelzbadhöhe manchmal erforderlich, um diese Höhe für Verarbeitungszwecke zu überwachen.

Frühere Lösungsversuche betreffend die Beeinträchtigung eines Fensters eines Sichtpfades dieser Art haben eine Vielfalt mechanischen und optischen Zubehörs benutzt.

Einige davon schlossen zum Beispiel bewegbare Filme, Wischer, Bürsten, Lochlinsen, Spiegel und eine Vielfalt von Verschlüssen, Klappen bzw. Blenden ein. Keine dieser Einrichtungen hat sich jedoch für einen längeren Gebrauch als geeignet erwiesen.

So waren die bewegbaren Filme nicht zuverlässig, und wenn der Film versagt, dann ergibt sich eine Möglichkeit, Fremdmaterial in die Schmelzkammer einzuführen. Weiter sind solche Filme nicht immer geeignet, sei es hinsicht­ lich der optischen Qualität oder hinsichtlich des spek­ tralen Ansprechens, wo eine instrumentelle Beobachtung benutzt wird.

Wischer und Bürsten werden periodisch zur Reinigung der inneren Oberfläche einer Sichtöffnung oder eines dazu­ gehörigen Spiegels benutzt. Dies läßt die optischen Eigenschaften dieser Fenster und Spiegel jedoch zeitab­ hängig sein und somit größtenteils unvorhersagbar. Die bei einem solchen Abwischen oder Abbürsten von der Fen­ ster- oder Spiegeloberfläche entfernten Abscheidungen können jedoch in die Kammer und in die Schmelze fallen und somit die Verunreinigung der Schmelze verursachen.

Es wurden sowohl manuell als auch motorbetriebene Ver­ schlüsse benutzt. Die Verschlüsse vermindern jedoch nur die Abscheidungsrate, schließen eine solche Abscheidung jedoch nicht aus. Darüber hinaus führen Verschlüsse be­ wegliche Teile und Dichtungen ein, und diese Einführung kann die Ofenatmosphäre beeinträchtigen. Der Gebrauch von Verschlüssen bedeutet, daß die An- oder Abwesenheit der Fenster- oder Spiegelabscheidungen zeitabhängig bleibt und daß es keine kontinuierliche Betrachtung gibt, wenn sich der Verschlußmechanismus in Betrieb be­ findet.

Übliche gasgespülte Fenster oder Spiegel waren zur Ver­ hinderung der Abscheidung nicht geeignet. Das übliche Gasspülen schließt eine starke Gasströmung vorbei an einem Fenster ein und diese starke Strömung führt zu Wirbelströmen, die ein Rückströmen des verunreinigenden teilchenförmigen Materials verursachen, was zu einer irregulären Abscheidung des Materials auf dem Fenster­ inneren führt. Die nicht gleichmäßige Abscheidung ver­ stärkt jedoch das Problem der Benutzung solcher Sicht­ öffnungen noch.

Ein erfolgreiches Fenster ist in einer anderen Patent­ anmeldung beschrieben, für die u.a. die Priorität der US- Patentanmeldung Serial Nr. 3 90 052 vom 7. August 1989 in Anspruch genommen ist. Dieser Mechanismus erfordert eine Gasströmung, und eine solche Strömung ist für viele Ofenoperationen geeignet. Zum Elektronenstrahl-Schmelzen muß jedoch in der Kammer ein gutes Vakuum aufrechterhal­ ten werden. Wird ein Reinigungsgas benutzt oder ist ein solches erforderlich, dann kann ein solches Vakuum nicht aufrechterhalten werden. Darüber hinaus ist die mittlere freie Weglänge von Gasteilchen bei geringem Druck sehr groß, und es mag ein sehr langes Abfangrohr erforderlich sein, wo eine Sichtöffnung oder ein Spiegel zusammen mit einer Gasspülung benutzt wird, wie in der vorgenannten anderen Anmeldung beschrieben.

Einige der Probleme, eine Spiegeloberfläche frei von Verunreinigung durch abgeschiedenes dampfförmiges oder teilchenförmiges Material zu halten, sind besonders akut. Die tatsächlichen Vorteile des Gebrauches einer Spiegel­ oberfläche zusammen mit einer Sichtöffnung bestehen da­ rin, daß man sehr viel weitere Zonen innerhalb der Ofen­ hülle betrachten kann. In anderen Worten ist der optische Pfad, der für eine Sichtöffnung verfügbar ist, auf das beschränkt, was direkt vor dem transparenten Element liegt, durch das das Betrachten erfolgt. Es ist jedoch häufig erwünscht, in Teile der Ofenkammer zu sehen, die mit der Sichtöffnung nicht optisch ausgerichtet sind.

Anstrengungen, reflektierende Oberflächen zu schaffen, hatten die gleichen Probleme, wie die Sichtöffnungen selbst. Absorption von Feststoffen und insbesondere fein zerteilten Feststoffen, die merkliche Sauerstoffmengen enthalten, verdecken die Oberfläche und erfordern eine Zusatzausrüstung oder Zusatzoperationen, wie oben be­ schrieben, um sie sauberzuhalten.

Die Sichtöffnung befindet sich jedoch üblicherweise ent­ fernt von dem Punkt, wo große Wärmemengen angewandt und das feine teilchenförmige Material erzeugt wird. Eine Spiegeloberfläche befindet sich näher an der Verunreini­ gungsquelle und ist daher der Verunreinigung mehr aus­ gesetzt.

Es wurde nun eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung des optischen Pfades durch eine Sichtöffnung in einer Vor­ richtung geschaffen, die ein Erhitzen hoher Intensität anwendet, wie PAM oder EBM oder eine ähnliche Einrich­ tung zum hochintensiven Erhitzen, wobei dieses Erhitzen hoher Intensität zur Bildung teilchenförmigen Materials führt, das innerhalb einer Ofenkammer eine Wolke oder einen Nebel bildet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders geeignet zum Gebrauch im Zusammenhang mit dem Erhitzen des Ober­ teiles eines Metallbades mit hoher Intensität, wie durch einen Elektronenstrahl oder ein Plasma. Ein solches hoch­ intensives Oberflächenerhitzen verursacht die Erzeugung beträchtlicher Mengen von Metalldampf und/oder sehr feiner Teilchen. Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vermin­ derung der Beeinträchtigung und Verunreinigung optischer Pfade innerhalb der Ofenkammer durch Dämpfe und feine Teilchen gerichtet.

Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen klaren optischen Pfad zum großen Teil des Inneren einer Ofenhülle zu schaffen, in der feines, teilchen­ förmiges Material erzeugt wird. Es soll insbesondere ein Verfahren geschaffen werden, mit dem ein Spiegel in einer solchen Ofenhülle klar gehalten wird.

Eine andere Aufgabe besteht darin, eine Ofenvorrichtung zu schaffen, die über im wesentlichen das gesamte Innere beobachtet werden kann, obwohl darin feines, teilchen­ förmiges Material erzeugt wird. Insbesondere soll ein Spiegel geschaffen werden, der innerhalb der Ofenhülle, in der verunreinigendes, teilchenförmiges Material er­ zeugt wird, verhältnismäßig klar bleibt.

Gemäß einem seiner weiteren Aspekte werden diese Auf­ gaben der vorliegenden Erfindung gelöst durch Schaffen einer Ofenhülle für ein Erhitzen von Metallen mit hoher Intensität, wie durch Elektronenstrahl und/oder Plasma. Durch eine Ofenwandung wird eine Sichtöffnung geschaf­ fen. Innerhalb der Ofenhülle ist eine Metallspiegel­ oberfläche vorgesehen. Eine Einrichtung zum Drehen der Spiegeloberfläche gestattet die Schaffung eines opti­ schen Pfades zwischen der Sichtöffnung und einem großen Teil des Ofeninneren. Es wird eine Bestimmung ausge­ führt, ob die Ladung auf den Teilchen einer Wolke, die in der Kammer durch hochintensives Erhitzen gebildet wird, positiv oder negativ ist. Die Metallspiegeloberfläche wird mit einer Ladung versehen, die von gleichem Vor­ zeichen ist wie die Ladung auf den Teilchen, um die Ab­ scheidung von teilchenförmigem Material auf der Spiegel­ oberfläche zu vermeiden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Darstellung des Inneren einer Ofenhülle wiedergibt, die ein Plasmaerhitzen eines Herdes und die Anordnung eines geladenen Metallspiegels in der Ofen­ hülle veranschaulicht.

Die Öfen und die Ofenkammer, die bei der Schmelzverar­ beitung von Metallen benutzt werden, hält man so klein als möglich in Übereinstimmung mit den Anforderungen zum Betreiben des Ofens. Es gibt einen komplizierten Satz von Verarbeitungs- und Überwachungsausrüstung, der er­ forderlich ist, damit ein Schmelzofen die bei hohen Tem­ peraturen schmelzenden Metalle während einer Schmelz­ stufe verarbeitet. Obwohl in der einzigen Figur der Zeichnung nur ein Plasmabrenner gezeigt ist, benutzt man doch häufig mehr als einen Brenner, um die Schmelze innerhalb eines Tiegels in den optimalen Zustand zur Verarbeitung zu überführen. Es gibt weitere Hilfsaus­ rüstung, wie Gaseinlässe und -auslässe, sowie Anzeige­ einrichtungen, die erforderlich sind, um die optimalen Verarbeitungsbedingungen für eine Schmelze innerhalb eines Ofens sicherzustellen. Wegen der Enge innerhalb eines solchen Ofens, ist es nicht möglich, einen idealen Ort für jedes Stück des Ofenzubehörs auszuwählen. Die verschiedenen Zubehörteile stehen vielmehr im Wettbe­ werb für den Wandraum der Ofenhülle und sie stehen auch intern im Wettbewerb, um den optimalen Zugang zur Schmelze für die verschiedenen Funktionen zu haben, die die Zu­ behörteile ausüben.

Die einzige Figur gibt eine schematische Darstellung einer Ofenhülle und von Zubehörausrüstung wieder. Die Hülle 10 umschließt einen Herd 12, in dem eine Schmelze 14 durch Plasmalichtbogen-Erhitzen verarbeitet wird. Der Plasmabogen wird von einem Plasmabrenner 16 gelie­ fert, der am Boden einer Trägerleitung 18 angeordnet ist, die ein äußeres Rohrteil aufweist, das das erfor­ derliche Gas sowie die elektrische Zufuhreinrichtung enthält. Das Teil 18 erstreckt sich durch die Ofenwandung 20 an einer mechanischen Dichtung 22, die die Bewegung des Teils 18 nach innen und nach außen sowie ein Schwen­ ken gestattet, damit der Brenner 16 in verschiedenen Zonen innerhalb des Ofens 10 angeordnet werden kann. Ein äußerer Teil 24 des Rohrteils 18 endet in einer kombinierten Zu­ fuhreinheit 26 für Gas und Elektrizität. Wie oben er­ wähnt, kann mehr als ein Brenner 16 für eine Schmelzver­ arbeitung benutzt werden, insbesondere wo der Herd 14 größere Abmessungen hat, er zum Beispiel ein langge­ streckter Herd ist.

Zusätzlich zu mehreren Dichtungen 22, durch die sich Teile 18 erstrecken, gibt es eine Hilfsausrüstung, die für den richtigen Ofenbetrieb erforderlich ist. Eine solche Ausrüstung ist die Vakuumöffnung 30, die im Schnitt gezeigt ist. Eine Instrumentenöffnung 32 kann benutzt werden, um einen Laserstrahl in den Ofen 10 einzuführen, um die Höhe des Metalles zu messen, und der reflektierte Strahl kann an einer Instrumentenöffnung 34 wahrgenommen werden. Eine Öffnung 36 für eine Gasprobenentnahme ge­ stattet die Abnahme von Gas, um die Konzentration der Gasmischungen in der Ofenkammer zu bestimmen. Eine Gas­ zufuhröffnung 38 gestattet die Einführung inerter oder reduzierender Gase in Abhängigkeit von der Ofenaktivität.

Bei tatsächlich benutzten Vorrichtungen gibt es eine solche Fülle von Zubehörausrüstung, insbesondere am oberen Teil der Ofenkammer, daß es manchmal erforderlich ist, gewisse Arten von Operationen vorher auszuführen, weil nicht genug Raum zur Verfügung steht, um die er­ forderliche Zubehörausrüstung mit dem Ofen zu verbinden.

Zubehörausrüstung für die vorliegende Erfindung umfaßt zum Beispiel einen Spiegel 40, der innerhalb des Ofens in einer Position angeordnet ist, die die Betrachtung der Schmelzoberfläche gestattet. Eine Sichtöffnung 42 ist in einer Seitenwand des Ofens an einer Stelle ange­ ordnet, die der des Spiegels gegenüberliegt und mit dieser ausgerichtet ist. Der Spiegel wird von einem Steuerstab 44 getragen, der sich durch eine Dichtung 46 in der Seitenwand 48 zur Handhabe 50 erstreckt. Die Handhabe 50 gestattet die Rotation des Spiegels um die Achse des Steuerstabes 44. Die Handhabe gestattet auch die Verstellung des Spiegels zu einem größeren oder kleineren Winkel bezüglich der Horizontalen, und zwar durch eine übliche Bewegungssteuereinrichtung, die aber nicht dargestellt ist. Weiter gestattet die Handhabe das Herausziehen und das seitliche Bewegen des Spiegels innerhalb der Kammer. Der Spiegel ist in einer teil­ weise herausgezogenen Position bei 40′ gezeigt, bei der die Handhabe zu einer mit 50′ bezeichneten Position be­ wegt ist, und der Kontrollstab ist zu einer mit 44′ be­ zeichneten Position zurückgezogen. Die Bewegung des Spiegels in verschiedener Weise bei aufrechterhaltener Ausrichtung des Spiegels mit der Betrachtungslinie der Sichtöffnung 42 gestattet eine Betrachtung und visuelle Untersuchung einer großen Teiles des Inneren der Ofen­ kammer von der Sichtöffnung 42 aus. Eine solche Sicht­ linie durch die Sichtöffnung ist durch die gestrichelte Linie 52 dargestellt. Die reflektierte Sichtlinie 54 bringt die obere Oberfläche der Schmelze 56 in das Ge­ sichtsfeld, wenn sich der Spiegel in der Position 40 befindet.

Ist der Spiegel aber in die Position 40′ zurückgezogen, dann bleibt zwar die Sichtlinie 52 die gleiche, doch verläuft die durch den Spiegel erkennbare Reflektion längs der Sichtlinie 58, so daß die Ünterseite der Kammerwandung 20 untersucht werden kann, um festzu­ stellen, ob sich irgendwelche Abscheidungen zu einem Grade angesammelt haben, bei dem sie sich lösen und in die Schmelze 56 fallen können.

Eine Leistungszuführung 60 führt dem Spiegel 40 durch den Leiter 62 eine hohe Spannung zu. Der Leiter 64 von der Leistungszuführung ist an der Seitenwand 66 der Ofen­ hülle geerdet. Es wird eine Spannung von 5 bis 30 kV an den Spiegel gelegt, und der Spiegel wird geladen, so daß um ihn herum ein elektrisches Feld existiert, das das gleiche Vorzeichen (positiv oder negativ) wie die Ladung auf den Teilchen hat.

Ein einfacher Weg zur Bestimmung der Ladung auf den Teil­ chen besteht darin, auf eine Platte eine Ladung aufzu­ bringen und durch eine Sichtöffnung zu beobachten, ob sich auf der Platte Teilchen abscheiden oder nicht. Die folgende Beschreibung erfolgt unter der Annahme, daß die Ladung auf den Teilchen negativ ist.

Es wurde festgestellt, daß beim Aufbringen einer negativen Ladung auf eine Metalloberfläche in einer Umgebung, in der ein Plasmalichtbogen oder ein Elektronenstrahl zum Erhitzen der Oberfläche einer Schmelze mit hoher Inten­ sität benutzt wird, das teilchenförmige und dampfförmige Material, das bei einem solchen Erhitzen mit hoher Intensität erzeugt wird, allgemein eine negative Ladung hat und von positiv geladenen Elementen angezogen und von negativ geladenen Elementen abgestoßen wird.

Es wird daher gemäß der Erfindung eine negative Ladung auf eine spiegelnde Metalloberfläche aufgebracht, damit die Oberfläche die Abscheidung negativ geladenen teil­ chenförmigen oder dampfförmigen Materials verhindert und demgemäß eine klare Oberfläche und somit einen klaren optischen Pfad für Licht aufrechterhält, das auf die geladene Metalloberfläche auftrifft.

Das Metall des Metallspiegels ist vorzugsweise ein inertes Metall, wie eines der Edelmetalle. Das Edelmetall, wie Gold oder Platin, kann auf eine glatte Metallplatte auf­ gebracht werden, um eine hochreflektierende und leitende Oberfläche zu erhalten.

Die Höhe der Spannung, die in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, hängt von der eingesetzten Vorrichtung ab. Bei einer experimentellen Vorrichtung konnte eine Span­ nung von 5 bis zu 30 kV angelegt werden. Für industrielle Vorrichtungen können höhere Spannungen bis zu etwa 80 kV oder mehr üblicherweise benutzt werden, um den opti­ schen Pfad innerhalb einer Ofenkammer zu verbessern.

Claims (12)

1. Verfahren zum Schaffen eines klaren optischen Pfades in das Innere eines Ofens, in dem ein Erhitzen der Oberfläche von Metall mit hoher Intensität statt­ findet, umfassend:
Schaffung einer Ofenhülle,
Schaffung einer Sichtöffnung durch eine Wandung der Hülle,
Schaffung einer drehbaren Metallspiegeloberfläche in der Hülle, die optisch mit der Sichtöffnung ausgerich­ tet ist und eine Ladung hat, die der von Teilchen gleicht,
Bestimmung der Ladung auf Teilchen, die vom Oberflächenerhitzen des Metalles in dem Ofen mit hoher Intensität stammen, und
Schaffen einer Quelle hoher elektrischer Spannung und Anlegen der hohen Spannung an den Metallspiegel, wodurch teilchenförmiges Material in dem Ofen von der Metallspie­ geloberfläche abgestoßen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Spiegel­ oberfläche eine polierte Metalloberfläche ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Spiegel­ oberfläche ein Edelmetall ist, mit dem die polierte Metallplattenoberfläche überzogen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Quelle hoher Spannung bis zu 30 kV reicht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Quelle hoher Spannung im Bereich von 5 bis 80 kV liegt.

6. Vorrichtung zum Schaffen eines verbesserten optischen Pfades durch einen Ofen zum Erhitzen von Metall mit hoher Intensität, umfassend:
eine Ofenhülle, die für ein Erhitzen von Metall mit hoher Intensität geeignet ist,
eine Sichtöffnung in einer Wandung der Hülle,
einen Metallspiegel, der optisch mit der Sicht­ öffnung ausgerichtet ist und
eine Einrichtung zum Anlegen einer Hochspannung an den Metallspiegel.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin der Ofen ein Schmelzofen mit Elektronenstrahl ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin der Ofen ein Ofen zur Abscheidung mittels Plasmazerstäubung ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Ofen ein Plasmalichtbogen-Schmelzofen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Spannungs­ einrichtung eine Kapazität von bis zu 30 kV hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Spannungs­ einrichtung eine Spannung zwischen 5 und 80 kV anlegen kann.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Metall­ spiegel eine mit Gold überzogene polierte Platte ist.