NO127254B - - Google Patents

Description

Anlegg for smelting og avgassing av varmemotstandsdyk^ige materialer under høyvakuum.

Foreliggende oppfinnelse angår anlegg: for smelting og avgassing av varmemot-standsdyktige materialer under høyva-kuum, og særlig anlegg for smelting av de mere varmebestandige og i kjemisk hen-seende høyaktive metaller, som f. eks. titan og zirkon, hvilke som råmaterialer inneholder store mengder gass, hvorunder smelt-ingen skjer i et hensiktsmessig kar, som f. eks. en digel eller en muffel.

Ved de før kjente vakuumsmeltemeto-der for avgassingsøyemed anvendes enten induksjonsoppvarmning eller også lysbue-oppvarmning av smeltegodset. Induksjons-metoden er forbundet med visse ulemper i forbindelse med smelting av svampformet eller finpulverisert gods; da det usmeltete gods har høy elektrisk motstand, blir om-kostningene ved energiforbruket høye. Den grad i hvilken materialet avgasses beror i stor utstrekning på damptrykket ved overflaten av smeiten. I en lysbueutladning er damtrykket forholdsvis høyt, da bæreren av den elektriske strøm i en slik utladning i det vesentligste utgjøres av ioner, som til-føres i stor utstrekning ved at materialet i smeiten fordampes av lysbuen ved den-nes fot, samt av den frigjorte gass. Ved en nøyaktig regulering av vakuumet kan man suksessivt endre den vanlige lysbue, som har en klart avgrenset kjerne, til en glimt-utladning, som mere eller mindre fullsten- 1 dig brer seg ut over den bombarderte overflate. Denne tilstand er imidlertid van-skelig å opprettholde ved slike råmaterialer som kan ventes raskt å utvikle og avgi en forholdsvis stor gassmengde, som ville øde-legge de meget ømfintlige likevektsforhold; i i den diffuse utladningsstrøm. Oppvarm-ning ved utladning av denne type av selve karet, anvendt som elektrode, er også forbundet med ubetydelige ulemper og blir sjelden prøvet, idet utladningsstrømmens eller lysbuens ioner derunder må leveres av godset i selve karet og karet derved følgelig vil bli tæret istykker og ødelegges.

Lysbuesmelting — som det vanligvis kalles — gjennomføres også under forholdsvis lav spenning og stor strømtetthet. Lange lysbuer er alltid tilbøyelig til å bli ustabile. Den utviklete varme er proporsjonal med produktene av lysbuestrømmen og spenningsfallet over lysbuen. På den annen side har drift under høy spenning og lav strøm den fordel at der ikke kreves så stort ledningsareal som drift med stor strøm, og slike ledninger er ikke bare billigere enn ledninger med stort areal, men de bortfører også mindre varme fra smeiten.

Ifølge foreliggende oppfinnelse anvender man en kombinert elektron- og ioneutladning for tilførsel av den nødven-dige varme. Denne metode adskiller seg fra den tidligere kjente lysbueutladnings-metode på mange forskjellige måter. For det første går utladningen ut fra en elektronemitterende glødekatode. For det annet tilføres ionene, i stedet for fra den bombarderte overflate, derved at en regulert gasstrøm innføres i utladningsområdet. Her ioniseres gassen ved kollisjon med elektronene, og ved å regulere trykket innen utladningssonen, kan antallet av således frigjorte ioner nøyaktig reguleres. De således frigjorte, positive ioner søker å nøytralisere rumutladningen mellom katoden og den bombarderte overflate. Dess-uten virker de som bærere for den elektriske strøm, hvilket også gjelder for de frigjorte elektroner, slik at strømmen økes, selv om de således tilførte elektrisitetsbæ-rere er forholdsvis få, og den alt overveiende del av strømmen føres av den startete glødekatodeutladning. Utladningen blir diffus og søker å bre seg over den bombarderte anodes hele overflate, og da den er diffus, forekommer der ingen konsentra-sjon av strømmen til noe begrenset sted, hvilket ville medføre dannelsen av et lysbuekrater, hvor anodematerialet ville for-dampe, slik at der ville dannes en egentlig lysbue. Ved å regulere trykket i utladningssonen nøyaktig, kan strøm og spenning reguleres uavhengig av hverandre; spenningen bringes til å anta en verdi som mange ganger overstiger spenningen over en vir-kelig lysbue av samme dimensjoner, mens strømmen kan gjøres mange ganger så stor som den, som man ville oppnå bare ved elektronutladning fra en katode med til-svarende emisjonsareal og drevet med samme spenning. Katodens opphetning startes fortrinnsvis ved at strøm føres direkte gjennom denne, men katoden kan også være direkte oppvarmet. Oppvarm-ning av katoden foregår også som følge av at den bombarderes med positive ioner, samt ved varmestråling fra anoden, og således vil katodetemperaturen, når utladningen opprettholdes tilstrekkelig lenge til at en likevektstilstand har rukket å stabilisere seg, delvis opprettholdes ved varme-tilførsel fra disse varmekilder, hvorved den direkte tilførte varmeeffekt kan minskes.

Hovedformålet med oppfinnelsen har vært å skaffe hjelpemidler hvorved man kan utnytte fordelene ved den således re-gulerte glimutladningen for opphetning av digeler eller muffeler som inneholder sterkt gassholdig materiale, uten at gassutviklin-gen innvirker skadelig på utladningens stabilitet og forårsaker sterke fluktuasjo-ner hos den strøm som føres og energiforbruket i utladningen. I tilslutning til dette har oppfinnelsen til bi-hensikt å skaffe hjelpemidler for avgassing av varmemot-standsdyktige metaller og lignende under høyvakuum, dvs. et vakuum svarende til et absolutt trykk av størrelsesordenen 0.1 mikron Hg; videre å skaffe hjelpemidler for samtidig opprettholdelse av et trykk av flere mikron Hg i utladningsområdet uten nevneverdig å øke trykket ved overflaten av smeiten; å skaffe en konstruksjon som medfører en skarp avgrensning av det område i hvilket utladningen foregår, til å ligge mellom den elektronemitterende katode og den bombarderte digeloverflate, slik at den tilførte energi ikke absorberes av en utspredt utladning, som søker å fylle hele det evakuerte område som følge av kold-katodeemisjon og lignende, videre å skaffe hjelpemidler til å utvikle den nød-vendige varme ved hjelp av energi, som tilføres under i økonomisk og praktisk hen-seende optimalt forhold mellom spenning og strøm, hvorunder man hverken anvender så høye spenninger for kold-katode-emisjonen fra deler av det elektriske sy-stem, hvor utladning ikke er ønskelig, eller så høy strømverdi at der kreves ledninger med så stort areal, at de dels blir urimelig dyre, dels bortfører en større del av den tilførte varme ved ledning.

Andre formål og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av det følgende: Ifølge oppfinnelsen anvendes en ho-ved-vakuumtank forsynt med en stor ut-løpsåpning, som står i forbindelse med en evakueringsanordning som omfatter en vakuumpumpe med tilstrekkelig kapasitet til å holde trykket i tanken innenfor det bestemte område, uavhengig av gassutviklin-gen fra det smeltete behandlingsgods. Med denne tank er gjennom en åpning, gjennom hvilken et hensiktsmessig utformet kar kan innføres, forbundet et hjelpekammer. Dette kammer er også forsynt med en utløpsåpning, som står i forbindelse med evakueringsanordningen på en slik måte at trykket i dette kan holdes betydelig høyere enn trykket i den omgivende tank. For-bindelsen kan derunder skje gjennom en helt adskilt ledning, men fortrinnsvis kan den sistnevnte utløpsåpning helt enkelt bestå av et begrenset mellomrum mellom karet og den åpning i hvilken det er anbragt, slik at karet står i direkte forbindelse med den omgivende hovedtank, men gjennom en så liten åpning at gasstrømmen ikke en-gang når der foreligger trykkforskjell mellom kammeret og ytterbeholderen, blir tilstrekkelig til å øke trykket i hovedtanken over den øvre grense av det bestemte område.

Nevnte kar, som inneholder det gods som skal behandles, er enten utført helt av ledende materiale, f. eks. grafitt eller ceriumsulfid, eller er, hvis det ikke i seg selv er ledende — forsynt med et ledende overflatebelegg f. eks. ved påstrykning av såkalt aquadag (kollidal oppløsning av oppflaket atchesongrafitt i vann). I kammeret befinner der seg en glødekatode, som ler slik anbragt at den vender mot karets vegg når karet er anbragt på plass, hvorunder katodens emitterende overflate ligger i hovedsakelig konstant lik avstand fra karets ledende overflate. Der er en anordning for isolering av katoden fra karet, og katoden og karet er forsynt med nødven-dige elektriske tilkoblingsorganer for opp-rettelse av en elektrisk spenning mellom dem for å underholde en utladning med ønsket verdi av spenning og strøm. Sluttelig er der en anordning for å innføre i kammeret en regulert strøm av inert gass, fortrinnsvis en av edelgassene, f. eks. argon.

Den beskrevne konstruksjon krever, av hensyn til nødvendigheten av å holde de deler adskilt som må motstå den tilførte elektriske spenning, et innerkammer, hvis volum er stort i forhold til det gassvolum som kan lekke fra kammeret inn i hovedtanken ved den nødvendige maksimale trykkforskjell mellom disse to rum. Også det ytre kammer har betydelig volumkapa-sitet. Pumpesystemet har tilstrekkelig kapasitet til å holde trykket i hovedtanken innen det bestemte område, uavhengig av den forekommende ubetydelige lekkasje av inert gass til og fra kammeret, f. eks. ved et trykk av 0.4 mikron Hg ved et «grunn-trykk» (dvs. trykket uten tilførsel av inert gass) av ca. 0.1 mikron Hg.

Driftsforholdene er slike at det totale trykk i tanken prosentuelt varierer med forholdsvis små verdier også under den innledende behandling, når gassen utvikles i forholdsvis stort volum og vanligvis støt-vis. De variasjoner som i virkeligheten forekommer, innvirker derfor ikke nevneverdig på hastigheten av overstrømningen fra det indre til det ytre kammer, og strømningen av denne volumstrøm er forholdsvis så liten at selv meget større variasjoner, som bare varer en ubetydelig tid, vil ha en ubetydelig innvirkning på trykket i innerkammeret. Hvert kammer har med henblikk på gasstrømningen inn i og ut av dette forholdsvis stor tidskonstant, idet kombinasjo-nen kan betraktes som en analogi til et to-trinns lavpassfilter av motstands-kapasi-tanstypen. Ved en overstrømningskanal med gitt gjennomstrømningsareal mellom inner-og ytterkammeret, blir den utadrettete vo-lumstrøm, i det minste tilnærmelsesvis, en lineær funksjon av trykkforskjellen, og således kan trykket i innerkammeret og karakteren av utladningen mellom katoden og digelen nøyaktig reguleres ved regulering av gasstilførselen til innerkammeret.

Av det som ovenfor er anført angående anvendelsen av mellomrummet omkring digelen som utløpsåpning, fremgår det at selv om der anvender en adskilt kanal til å forbinde dette kammer med evakueringsanordningen, så kreves der allikevel aldri noen vakuumtetning, på det sted hvor digelen er innført. Hvis der anvendes en se-parat kanal eller ledning, kan man helt innføre digelen på den bestemte plass, hvorunder der herved bare sørges for at nevnte mellomrum eller sprekk på det nær-meste tillukkes helt og utstrømningen gjennom denne blir ubetydelig sammenlignet med strømningen gjennom den spesi-eller ledning eller kanal. I normale tilfeller blir imidlertid anordningen av utløpet direkte til hoyedkammeret så meget enklere og billigere enn anordningen av en særskilt utløpsledning, at det sistnevnte alter-nativ sjelden vil komme til anvendelse, og er her bare nevnt for fullstendighets skyld.

Det som ovenfor er anført skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med beskrivelse av en hensiktsmessig ut-førelsesform for oppfinnelsen i tilslutning til vedlagte tegninger. På disse viser fig. 1 en skjematisk fremstilling av et fullstendig vakuumovnsanlegg ifølge oppfinnelsen, samt et forenklet koblingsskjema over de elektriske tilkoblinger og evakueringssystemet. Fig. 2 viser et vertikalsnitt gjennom hjelpekammeret, samt en i driftsstilling anbragt behandlingsdigel. Fig. 3 viser anordningen ifølge fig. 2 i tverr- eller hori-sontalsnitt efter linjen 3—3 på den sistnevnte figur. Fig. 4 viser i vertikalsnitt hovedsakelig på samme måte som på fig. 2 et hjelpekammer av en modifisert utførelse. Fig. 5 viser sluttelig anordningen ifølge fig. 4 i tverrsnitt langs linjen 5—5 på den sistnevnte figur.

Fig. 1 illustrerer hele anlegget ifølge oppfinnelsen rent skjematisk og i vertikalsnitt. Den ytre hovedvakuumtank 1 kan være av vilkårlig kjent type. Den er på den side som vender fra betrakteren av figuren, forsynt med en mannhull-luke 3, som kan lukkes hermetisk. Tanken er videre forsynt med en stor utløpsåpning, som gjennom en utløpsledning 5 står i forbindelse med en vakuumpumpe 7. Denne er vanligvis en diffusjonspumpe som samvir-ker med en mekanisk førepumpe 9.

I hovedtanken er der et innerkammer eller en innerbeholder 11, som er montert på isolerende understøttelser 13. Konstruksjonen av dette kammer skal beskrives i de-talj senere. De komponenter som innled-ningsvis trenger å angis i forbindelse med fig. 1, er bare en elektrisk ledende digel 15, som er understøttet bare ved overkanten, og hvis legeme henger ned gjennom en åpning i innerbeholderen, fra hvilken digelen er isolert. En ledning 17 forbinder digelen med veggen av yttertanken, hvilken vegg er jordet. Isolerende gjennomføringer 19 er anbragt i tankveggen for innføring av elektriske ledninger 19' som er koblet til klem-mene for en termo-emitterende katode 21. For opphetning av katoden anvendes fortrinnsvis vekselstrøm, som kan tilføres fra en vilkårlig passende strømkilde, her skjematisk vist i form av en transformator 23, hvis sekundærvikling er forsynt med en sentral uttagning som er koblet til den negative pol på et i og for seg kjent nett-aggregat 25, hvis positive pol er jordet.

Gjennom tankens vegg er der videre ført en rørledning 27, som gjennom en nåleventil 29 står i forbindelse med et for-råd av inert gass, f. eks. et argongassrør 31.

Anlegget er i det foregående bare beskrevet i all almindelighet, mens hele ut-styret med unntagelse av innerbeholderen og de forskjellige tilbehør til denne er av helt vanlig utførelse og derfor bare trenger å beskrives i den utstrekning som kreves for å fastlegge deres relasjon til innerbeholderen.

Innerbeholderen 11 er vist betydelig mere detaljert — men fremdeles skjematisk

— på fig. 2 og 3. Hva slags materiale den er utført av er ganske uvedkommende under forutsetning av at dens forskjellige deler tåler de temperaturer som den skal utsettes for, og at dens vegger er forholdsvis tette slik at de ikke absorberer større mengder av gass og derved forsinker evakuering av beholderen. Den kan bestå enten av ledende eller ikke-ledende materiale, i sistnevnte tilfelle f. eks. av keramisk materiale. Hvis den består av ledende materiale, forenkles konstruksjonen ved at den kan arbeide ved katodepotential, dvs. adskillige tusen volt over jordpotential i hvilket tilfelle den må monteres på isolerende understøttelser 13, som også vist på fig. 1. Ved den spesielle utførelsesform som her beskrives, antas det at innerbeholderen 11 er utført av stål og har form av en temmelig lav og vid sylinder, som ved bunnen er helt lukket og oventil har et ringformet lokk, hvorunder åpningen i lokket opptar den sylindriske smeltedigel 15 og er noe videre enn denne, slik at det dannes et smalt mellomrum eller en sprekk 33 omkring omkretsen av digelen, hvilken sprekk danner hovedutløpsåpningen for de gasser som forlater det indre av innerbeholderen, dvs. innerkammeret.

I kammeret 11 er der anordnet en elektronemitterende glødekatode 21, som

fullstendig omgir digelen som henger ned i kammeret. Glødekatoden består av en til en nesten lukket sirkel bøyet volfram-stav, hvis to endepartier skyter gjennom-åpninger 35 i beholderveggen og danner et par strømtilførende ledninger 39 til katoden. Mellomrummet mellom åpningenes 35 kant og katodeledningene av volfram

kan være temmelig lite, idet potentialfor-skjellen mellom katodeledningene og beholderveggen er liten. Denne konstruksjon gjør det mulig å understøtte katoden på den side som vender bort fra ledningene ved hjelp av en metallkonsoll 37, som kan være fastsveiset til beholderens sylindriske vegg. Katoden er anbragt omtrent på midten, regnet i aksial retning, av den del av digelen 15 som ligger i selve kammeret 11.

Ledningene 39 til katoden er utenfor beholderen 11 understøttet av en konsol 41. Denne konsol bærer derunder en eller et par isolatorer 43, som igjen bærer et par klemstykker 45. Tilførselsledningene 19' er koblet til klemstykkene 45 og passerer gjennom gjennomføringsisolatorene 19 til transformatoren 23 som den allerede beskrevne måte.

Hvis beholderen 11, slik som tilfelle er ved foreliggende utførelsesform, består av stål, og temperaturen i digelen skal holdes tilstrekkelig høy til å kunne smelte f. eks. titan, må der tas forholdsregler for å hindre overopphetning av veggene i beholderen 11. En hensiktsmessig måte til å hindre stråling fra å nå veggene i noen større utstrekning består i å anordne en serie varmeskj ermer 47 i kammeret på en slik måte at de omgir både katoden og digelen. De her viste skjermer består av tynnveggete sylindre av polert, varmebestandig plate-materiale, vanligvis molybden. Skjermenes polerte, blanke overflater reflekterer en stor del av den strålingsvarme som faller inn mot dem. De sylindriske skjermer er på den måte som er vist forsynt med diametralt motstående an-ordnete åpninger for gjennomføring av konsolen 37, resp. katodeledningene 39. De flate skjermdeler som er anordnet over kammerets bunn, dannes av runde plater av samme materiale, understøttet av di-stansestykker 49. Når disse skjermer er plasert i den angitte stilling, vil beholderens 11 vegger forbli forholdsvis kolde til tross for digelens høye temperatur og dens store strålingskoeffisient, hvis den er belagt med aquadag.

Anordningen for opphengning av digelen 15 i beholderen 11 utgjøres fortrinnsvis av en grafittring 51, som er montert på lokket av beholderen 11 ved hjelp av isola-torstolper 53 av keramisk materiale. Ledningen 17 er elektrisk koblet til grafittringen 51 for jording av digelen 15. Digelen lf er opphengt i denne ring ved hjelp av en omkring digelens overkant utstikkende flens 15'. Varmeskjermer 55 av samme art som de som befinner seg i kammeret 11, er fortrinnsvis anordnet også omkring digelens oppstikkende del.

Som allerede angitt kan også andre metaller tillempes for konstruksjonen av innerbeholderen 11. Et meget hensiktsmessig materiale er grafitt, som lett kan bear-beides og er høyildfast. Hvis dette materiale anvendes, er det ikke nødvendig å ha flere varmeskj ermer mellom digelen og kammerveggene, men det medfører energi-besparing hvis man anordner i det minste en skjerm som strekker seg under bunnen av digelen og omkring sideveggene.

Det skal bemerkes at innerbeholderens vegger som består av ledende materiale tjener som en fokus-elektrode, som konsen-trerer den elektriske utladning mot digelen. Det kan kanskje virke forbausende at en ubetydelig eller ingen utladning foregår over mellomrummet eller sprekken 33 omkring digelen. Dette beror imidlertid på at der her ikke forekommer noen termisk elek-tronemisjon som ville kunne frembringe ionisering; ioniseringen forårsakes nemlig så godt som utelukkende av de fra katoden emitterende elektroner. Gasstettheten er så lav og elektronenes gjennomsnittlige fri veibane ved passeringen gjennom gassen derfra er så lang, at en meget ubetydelig sekundær-ionisering ved kollisjon kan fore-komme på dette sted, men feltet mellom kammerveggene og digelen er rettet utelukkende mot digelen, hvorved man således tilveiebringer den ovenfor angitte fokus-virkning. Den samme effekt oppnås stort sett hvis man anvender en beholder av isola-sjonsmateriale. En overflate-ladning sam-ler seg derunder på beholderveggene og økes inntil potensialet nærmer seg samme verdi som det som hersker på katoden, hvorefter veggene stort sett virker som om de var direkte forbundet med denne.

Det vil også innsees at der hersker et meget stort trykkfall i sprekken 33, idet trykkforholdet mellom sprekkens to åpne sider kan gå opp til 10 : 1. Ioner som derfor dannes i sprekken har derfor en stor sjanse til å blåses inn i et område hvor den gjennomsnittlige fri veibane er meget lengere, og der foreligger derfor under normal drift ingen risiko for at der her skulle oppstå noen energiforbrukende glimutladning.

Som allerede nevnt i det foregående i forbindelse med fig. 1 opprettholdes trykkforskjellen mellom den yttre vakuumtank og innerkammeret ved at gass slippes inn i den sistnevnte gjennom ledningen 27. Det indre endeparti av hovedledningen, som kan være av jern eller stål og innsveiset i beholderveggen er — som vist på fig. 1 — ut-ført med et nedadrettet kne. Rørkneet er forbundet med et varmebestandig rør-stykke 27', som strekker seg nedover og slutter seg til en kanal 57, som strekker seg nedover gjennom digelveggen og munner ut i beholderens indre gjennom digelens bunn-parti, slik som det fremgår av fig. 2. Rør-stykket 27' kan være av varmebestandig metall (molybden eller wolfram) eller av keramisk materiale og forbindelsesgrenene med hovedledningen 27 og kanalen 57 kan om ønskes være kittet sammen for å hindre lekkasje av gass inne i tank-kammeret. Ved denne anordning blir det unødvendig med særskilt isolering mellom gasstilførselsled-ningen og det indre av innerbeholderen 11. Av sikkerhetshensyn er tanken innrettet til å arbeide ved jordpotensial. Også digelen arbeider ved jordpotensial. Da rørlednin-gen 27 er koblet bare til kanalen i digelen, behøver den ikke være isolert under passa-sjen gjennom tankveggen, og også nålventilen holdes ved jordpotensial, slik at den kan manøvreres uten risiko, mens derimot en rørledning, som innføres i beholderen på noe annet sted ville måtte isoleres og ville enda ikke være helt risikofri, da den ville kunne utsettes for gjennomslag og forårsake ikke ønskete glimutladninger.

Slik isolering er imidlertid — naturligvis — mulig, og man kan f. eks. anvende rørledninger av keramisk materiale. Hvis innerbeholderen er utført av isolasjons-materiale, er der mange måter å frembringe gasstilførslen til innerkammeret på, og isolasjonsproblemet blir da av under-ordnet betydning.

Det er angitt i det foregående at for-bindelsene mellom hovedrøret 27, dettes forlengelse 27' og kanalen 57 gjennom digelen er kittet igjen eller tettet på annen måte, men det er åpenbart at trykket i rør-ledningen ikke er meget høyere enn trykket i kammeret 11, i det høyeste noen få mikron Hg. Ved trykk av denne størrelses-orden forekommer der meget ubetydelig sammenhengende, strømlinjeformet gass-strømning, idet strømningen hovedsakelig skjer gjennom diffusjon, og derfor er mindre lekkasjer betydningsløse. Det samme gjelder også med hensyn til overstrømnin-gen av gass fra inert-kammeret til hovedtanken. Temperaturen i innerkammeret er høy, gasshastigheten er høy og diffusjonen øker raskt, slik at trykket i dette kammer raskt utjevnes. Gasspartikler strømmer ut fra innerkammeret såvel gjennom sprekken 33 omkring digelen som åpningene 35 omkring katode-tilførselsledningene. Antallet således utstrømmende gasspartikler er for en gitt temperatur i kammeret proporsjonalt med gass-tettheten (partikkel-tettheten) i det indre av kammeret. Partikler trer også inn i kammeret gjennom disse åpninger, og antallet av inntrengende partikler er proporsjonalt med gasspartik-keltettheten utenfor beholderen 11. Som følge av innføringen av gass i innerkammeret, blir gasstettheten inne i dette kammer høyere enn utenfor, og der oppnås derfor en resulterende utadrettet gasstrøm, som er proporsjonal med trykkforskjellen mellom de to gasser. Det er tydelig at der vil stabilisere seg en likevektstilstand, ved hvilken antallet av partikler som føres inn i kammeret gjennom innløpsledningen er lik antallet partikler som trer ut gjennom de forskjellige åpninger. En vilkårlig ønsket trykkforskjell kan innen temmelig vide grenser tilveiebringes ved manøvrering av nålventilen for hensiktsmessig regulering av den gassmengde som per tidsenhet inn-føres i innerkammeret. Det som kreves for å kunne opprettholde den bestemte trykkforskjell er imidlertid at utløpsåpningenes tctale gjennomstrømningsareal er lite i sammenligning med størrelsen av den kam-mervegg hvori disse åpningen befinner seg, hvorunder der med utløpsåpning menes hver åpning gjennom hvilken innerkammeret står i stadig åpen forbindelse med tankens indre. Når de nevnte betingelser er oppfyllt, er trykkforskjellen en direkte funksjon av volumstrømmen av gass inn i innerkammeret uavhengig av størrelsen av dette kammer. Jo mindre den totale utløps-åpning er, desto mindre blir den gassvolum-strøm som kreves for å opprettholde en gitt trykkforskjell, og desto mindre energi trenger pumpen å forbruke for å holde trykket i hovedtanken ved den bestemte verdi. På den annen side er det slik at jo lengere ut-løpsåpningene er og jo mindre gjennom-strømningsareal de har, desto lengere tid tar det for systemet å nå likevektstilstan-den. I slike tilfeller hvor ovnen anvendes for intermitterende eller satsvis drift, kan det derfor være mere økonomisk å ha forholdsvis store utløpsåpninger og dimensjo-nere pumper og evakueringssystemet for

transport av større mengder tilsetnings-gass, enn å begrense gassbortføringen og

-tilførslen til det minst mulige. Karakteren og intensiteten av gass-utladningen fra katoden til digelen avhen-ger av gasstrykket (d.v.s. gasspartiklenes populasjonstetthet, eller massetetthet) i kammeret. Digelen kan opphetes ved en ren eller i det vesentligste ren elektronisk utladning, av den art som oppnås ved trykk av størrelsesordenen 0.1 mikron Hg. Hvis der ikke ble tilført gass utenfra, ville denne utladning ved de spenninger som kan tillempes over utladningsstrekningen være rumutladningsbegrenset; for å oppnå tilstrekkelig strømføring og dermed tilstrekkelig energitilførsel for opphetning av digelen, må potensialdifferansen derfor være stor og avstanden mellom katoden og digelen liten. Dette medfører en sterk elektrisk feltkonsentrasjon mellom de to elektroder, og eventuelle ujevnheter i digelen forårsaker punkter med høy feltkonsentrasjon, hvor utladningen følgelig konsentreres. Re-sultatet blir en lokal opphetning på disse steder, og denne opphetning blir kumula-tiv, slik at der dannes et lysbuekrater, som medfører fordampning av inngående materiale i digelen og dannelsen av en avgrenset kjerne-lysbue, som — når den vel er dannet — ikke kan kontrolleres på annen måte enn ved en fullstendig avbrytning av spennings-tilførslen. Enhver usymmetri hos anordningen, hvorved digelen på noe sted av sin ytterside vil befinne seg nærmere katoden enn på andre steder, medfører en lignende virkning. For en rent elektronisk utladning blir reguleringen derfor særlig kritisk og driften ustabil.

Ved anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse er katoden plasert i minst dob-belt så stor avstand fra digelen som det kreves for å oppnå samme strømføring under høyvakuum, hvilket medfører at en gitt usymmetri av anordningen medfører en meget mindre virkning, prosentuelt sett, på den fri veistrekning og feltkonsentrasjo-nen. Den gassmengde som innføres i innerkammeret er liten, og den gjennomsnittlige fri veistrekning for de ioniserte partikler er fremdeles forholdsvis lang sammenlignet med avstanden mellom katoden og digelen. Den større elektrodeavstand medfører dess-uten en mere vidstrakt feltfordeling i forhold til digelen. Elektronstrømmen fra katoden blir imidlertid ennu større, slik at sannsynligheten for kollisjon mellom elektroner og gasspartikler er stor. De negative elektroner fra den ioniserte gass blåses effektivt ut fra feltet for bombardering av digelen, mens de meget langsommere positive ioner, som tiltrekkes mot katoden, får meget lavere hastighet og derfor blir til-bake i feltet i meget lengere tid. Den resulterende virkning blir den at rumutladningen mellom katoden og digelen i meget stor utstrekning nøytraliseres. Den alt overveiende del av ladningsbærere som innføres i utladningsstrømmen utgjøres fremdeles av elektroner og katode-emisjonen tilfører derfor den aller største del av varmestrømmen, men det foreligger ikke desto mindre en ionestrøm, som oppfyller en viktig funksjon. Den tilveiebringer nemlig spredning av feltet, utbredning av utladningen, hindrer dannelsen av lokale overhetninger som kunne forårsake krater-dannelse, samt stabiliserer hele driften. Fig. 4 viser en modifisert utførelsesform av innerbeholderens konstruksjon, hvorunder denne beholder er utført av isolerende materiale. Beholderen antas således å være fremstilt av et tett, høyisolerende keramisk materiale (f. eks. i likhet med det som anvendes til fyrstikk-kjerner) f. eks. alumi-niumoksyd, steatitt eller silimanitt. Da beholderen i dette tilfelle selv er en god isola-tor, kan den hvile direkte på tankens 1 bunn, slik at støtteisolatorene 13 ikke be-høves. Beholderens 11 bunn dannes av en plate 61 av keramisk materiale av den art hvis ytterkant er utformet med en fals for opptagning av den sylindriske veggs 63 ne-dre kantparti. Beholderens lokk 65 hviler på den sylindriske veggs 63 overkant, hvor det er sikret ved hjelp av en kantfals på lignende måte som bunnplaten. Lokket 65 er ringformet og dets sentrale åpning er passe stor til med letthet å slippe gjennom digelens 15" hoveddel. Digelen er oventil forsynt med en utadrettet kantflens med hvilken den hviler på en kontaktring 51' av grafitt, til hvilken jordledningen 17 er

■ koblet. I foreliggende tilfelle hviler imidlertid grafittringen 51' umiddelbart på beholderens lokk 65 og der er anordnet sær-skilte utløpsåpninger 67 i lokket for ut-slipping av den gass, som tidligere er sprøy-tet inn gjennom tilførselsledningen 27", som tjener samme formål som ledningen 27' på fig. 2. Ledningen er koblet til be-holderkammeret gjennom en åpning 69 i kammerets sidevegg.

Katoden 21' dannes i foreliggende tilfelle av en tynn wolframplate, som er for-met som en sylinder og hviler på et antall stavformede keramikk-understøttelser 71. Stavene 71 hviler hensiktsmessig på en rund, flat varmeskj erm 47' som kan være av samme art som varmeskj ermene 47' på fig. 2 og bæres på lignende måte som denné. Som vist på tegningen kan det imidlertid i utførelsen ifølge fig. 4 være tilstrekkelig med et mindre antall varmeskj ermer enn på utførelsesformen ifølge fig. 2. Isolator-stavene 71 er i sin øvre ende forsynt med spor, i hvilke underkanten av katodesylin-drene hviler, og som tjener til å fastholde og sentrere katoden. Denne anordning er mere hensiktsmessig å anvende enn et lukket ringformet underlag for katoden, idet den medfører mindre kjøling av katoden ved ledning, og en jevnere fordeling av elektrone-emisjonen over katodeoverflaten. En eller flere sylindriske varmeksjermer 47, i likhet med skjermen 47 på fig. 2 kan med fordel anbringes på den måte som er vist omkring yttersiden av katoden 21'.

Endene av den plate som sylinderen 21' er dannet av, er bøyet omtrent radialt ut-over som vist på fig. 5, og disse endepartier er festet til kraftige forbindelsesskinner 73, til hvilke er festet de katodeledninger 39' som er trukket ut gjennom beholderveggen 63. Om disse ledninger kommer i berøring

med beholderveggen eller ikke, spiller ingen

rolle, da denne vegg er isolerende. Det

faktum at katodesylinderens utbøyete endepartier til en viss grad kjøles av for-bindelsesskinnene 73, innebærer ingen ulempe, men snarere tvertimot, da denne kjøling minsker tilkoblingenes motstands-evne, slik at tilført opphetningsstrøm konsentreres til den emitterende katodeover-flate hvor den skal utnyttes. Lekkasjen gjennom de hull i veggen 63 som er bestemt for ledningene 39' kan her være mindre enn tilfelle er ifølge fig. 2, og derved minskes den nødvendige gasstilførsel utenfra for opprettholdelse av trykkforskjellen mellom innerkammeret og hovedtanken, slik at pumpebelastningen blir noe lavere og det blir lettere å høyevakuere tanken. Denne utførelse har imidlertid også ulemper som angitt i det foregående.

Til tross for at beholderen, hvis den er utført av keramisk materiale, kan arbeide ved høyere temperaturer enn om veggene består av metall, og keramiske vegger vanligvis har bedre refleksjonskoefficient enn metallvegger, er det hensiktsmessig å anordne minst en varmeskj erm 47, 47' av samme art som beskrevet for den foregående utførelsesform, for å minske temperaturen av kammerveggen, og derved bi-beholde varmen inne i kammeret. Dette bibehold understøttes av at isolasjonsma-terialet i kammeret er en dårlig varme-leder; der oppnåes således en stor varme-gradient gjennom kammerveggene, slik at temperaturen på utsiden av beholderen er meget lavere enn på innsiden. Derfor blir varmetapet gjennom stråling fra behol-

derens sidevegger og oversiden, samt ved ledning gjennom bunnen 61 til tanken 1

ikke altfor stort, selv om der ikke anvendes noen varmeskj erm.

Hvis det gods som behandles ikke be-

høver å smeltes kan man anvende en muf-

fel i stedet for en digel. I praksis innebæ-

rer dette bare at beholderen 11 anbringes i horisontal stilling og at de mekaniske an-

ordninger for understøttelse av de forskjel-

lige komponenter modifiseres på en måte som er nærliggende for fagmannen.

Det vil også uten videre innsees at

mange andre modifikasjoner av anordnin-

gen er mulig, enten det kar hvori opphet-

ningen skjer er en digel eller en muffel. I

begge tilfeller kan det hende at et digel-

materiale, som i og for seg kan være øn-

skelig på grunn av sine elektriske egenska-

per, er slik beskaffen at det angripes kje-

misk av behandlingsmaterialet eller -god-

set. I dette tilfelle kan man anvende en innerdigel, som ved innadrettet varmestrå-

ling opphetes fra en ledende ytterdigel. I

de følgende patentpåstander skal uttryk-

ket «digel» dekke også et slikt ytterkar.

Da den innadrettete stråling herunder

skjer hovedsakelig som ren mørkstråling,

blir temperaturstigningen i en innerdigel,

som er opphetet ved stråling, hovedsakelig den samme som om metallsmelten stod i direkte kontakt med ytterdigelen, men den tid som kreves for smeiten kan eventuelt bli noe lenger.

Tallrike andre modifikasjoner er mu-

lige og turde uten videre innsees under vei-

ledning av den foregående beskrivelse, slik at det ikke er nødvendig å gå nærmere inn på dette her. Således kan f. eks. hjelpe-

kammeret i stedet for å utgjøres av et helt adskilt, i hovedkammeret helt innesluttet kammer eller beholder, inngå i den samme konstruktive enhet som hovedtanken og være adskilt fra denne bare ved en mel-

lomvegg, en membran eller annen skille-

vegg, forsynt med en åpning for opptag-

ning av behandlingskaret, samt for gass-

utslipning. En annen modifikasjon er å ut-

føre hjelpekammeret i form av en behol-

der som kan anbringes helt utenfor hoved-

tanken, og som står i forbindelse med ho-

vedtanken gjennom åpninger i sideveg-

gene. En slik konstruksjon kan være for-

delaktig for muffeoppvarmning. I begge

disse modifikasjoner kan hjelpekammeret

fremdeles betraktes som et «innerkammer»

eller «innerbeholder» i den her anvendte

betydning, mens gassutslipning under drift fremdeles skjer gjennom hovedtanken.

Oppfinnelsen er her illustrert og be-

skrevet på den enklest mulige måte. Mange andre detaljer kan naturligvis tilføyes i praksis for tillempning til foreliggende ar-beidsprosesser. Således kan der tilføyes en anordning for kontinuerlig overmating,

likesom også en anordning for bunntap-

ping av digelen, hvorved oppfinnelsen kan tilpasses for kontinuerlig drift i stedet for satsvis eller intermitterende drift. Slike tilleggsanordninger, som ikke har noen di-

rekte forbindelse med foreliggende oppfin-

nelse, kan forutsette endringer med hensyn til dimensjoner-, utformning og det kon-struksjonsmateriale som anvendes.

Claims (9)

1. Anlegg for smelting og avgassing av gods under vakuum ved høye temperatu-

rer, forsynt med en indre digel og ytre va-kuumtette kammere og opphetet ved elektronutladning, karakterisert ved at den har to vakuumkammere, av hvilke det ene (1) er anordnet for å bibringes høyere vakuum enn det andre (11), fortrinnsvis ved at det første kammer kan kobles til en vakuumpumpe (7, 9) og det andre kammer ved en eller flere i forhold til det andre kammerets veggareal smale kanaler står i kommuniserende forbindelse med det første kammer, slik at det andre kammer kan evakueres gjennom nevnte kanal eller kanaler, det første kammer og dettes til pumpen (7, 9) tilkoblete evakueringsled-ning (5), videre at den for opptakelse av smeltegodset bestemte digel (15) er plasert i en åpning i en horisontal skillevegg mellom begge kamrene, slik at i det minste den større delen av denne er beliggende i det andre kammeret (11) og har sin åpne øvre ende beliggende i det første kammeret (1), hvorved i det minste en del av digelens mantelflate som befinner seg i det andre kammeret er elektrisk ledende, videre at en anordning finnes for start og opprettholdelse av nevnte elektronutladning i det andre kammeret, hvilken anordning inn-befatter en varmekatode fortrinnsvis en direkte oppvarmet glødekatode (21) med en elektronemitterende flate, som er vendt mot og beliggende så nær som mulig i konstant avstand fra digelens (15) elektrisk ledende mantelflate, hvorved katoden er elektrisk isolert fra digelen (15) og idet en anordning finnes for tilveie-bringelse av en elektrisk spenning mellom digelen og katoden for start av en elektronutladning mellom disse, idet det også anordnes organer (27', 27, 29, 31) for innføring av en regulert gassmengde i det andre kammer (11).

2. Anlegg som angitt i påstand 1, karakterisert ved at det andre kammer (11) er helt innesluttet i det første kammer (1).

3. Anlegg som angitt i påstand 1 eller 2, karakterisert ved at det mellom digelens (15) mantelflate og kanten av den av digelen opptatte horisontale skilleveggen (51) mellom det første kammer (1) og det andre kammer (11) finnes et åpent, ringformet mellomrum (33), gjennom hvilket begge kamrene står i kommuniserende forbindelse med hverandre og som utgjør nevnte kanal, gjennom hvilken det andre kammer (11) er anordnet for å kunne evakueres fra det første (1).

4. Anlegg som angitt i hvilken som helst av foregående påstander, karakterisert ved at kapasiteten til den til første kammer (1) tilkoblete vakuumpumpe (7, 9) er slik avpasset eller regulerbar, at samtidig som en gitt mengde gass pr. tidsenhet tilføres det andre kammer (11) holdes trykket i dette kammer høyere enn i det første ytre kammer (1).

5. Anlegg som angitt i hvilken som helst av foregående påstander, karakterisert ved at digelen (15) består av elektrisk ledende materiale.

6. Anlegg som angitt i påstand 5, karakterisert ved at digelen (15) på den i det fprste kammeret (1) beliggende øvre del har en flens (15') som hviler på en ring (51) av elektrisk ledende materiale, hvilken ring e: elektrisk isolert fra katoden (21) og forsynt med mellomrum for å slippe igjennom gass fra det andre kammer (11), idet ringen er oppstøttet på dette kammers over-side, som danner nevnte horisontale skillevegg mellom begge kamrene (1, 11) og koaksialt i forhold til denne skilleveggs åpning for å kunne oppta digelen (15), hvorved ringen (51) er slik tilkoblet en spen-ningskilde at den får et positivt potensial i forhold til katoden.

7. Anlegg som angitt i hvilken som helst av foregående påstander, karakterisert ved at digelen (15) er omgitt av minst en skjerm (47) av ildfast eller varmebestandig materiale med strålingsreflekter-ende overflate.

8. Anlegg som angitt i hvilken som helst av foregående påstander, karakterisert ved at det andre resp. det indre kammer (11) består av elektrisk ledende materiale.

9. Anlegg som angitt i hvilken som helst av påstandene 1—7, karakterisert ved at det andre, resp. indre kammer (11) består av elektrisk isolerende materiale, f. eks. et keramisk materiale.