Brevet FR2649475A1 — publié le 19910111

J ENCEINTE DE FOUR COMPORTANT UN CHEMIN OPTIQUE PERMETTANT UNE VISUALISATION DE QUALITE ET SON PROCEDE D'OBTENTION La présente invention concerne de façon générale un arrangement grâce auquel on peut effectuer une ob- servation visuelle à l'intérieur d'un four utilisé pour la fusion à haute température d'alliages, telle que la fusion à arc-plasma ou la fusion par faisceau d'élec- trons. Plus particulièrement, la présente invention concerne un arrangement qui permet de ménager et de conserver un chemin optique à l'intérieur de la chambre du four lors du déroulement de la fusion, et qui permet de visualiser la quasi-totalité de l'intérieur de cette chambre du four grâce à un miroir présentant une surface propre. On a observé qu'une matière particulaire générée au niveau de la surface de fusion des échantillons d'une fusion à arc-plasma ou d'une fusion par faisceau d'électrons tend à se déposer sur les hublots d'obser- vation ainsi que sur le dispositif qui lui est associé pour assurer la surveillance du processus de fusion de ces échantillons, que cette surveillance s'exerce de manière visuelle ou au moyen d'un système optique. De tels dépôts de matière particulaire perturbent l'obser- vation visuelle effectuée pour assurer la surveillance du processus, et perturbent aussi les mesures quantita- tives de la température par rayons infra-rouges, ces mesures étant utilisées pour la surveillance du proces- sus, et de même, la mise en oeuvre de toute autre tech- nique optique, telle qu'un miroir réflecteur, utilisé pour la surveillance du processus ou pour la surveil- lance de ce qui ce passe réellement à l'intérieur du four, est perturbée. Par exemple, l'observation visuel- le du niveau d'avancement de la fusion est parfois né- cessaire afin de surveiller certaines étapes du procé- dé. Des approches antérieures effectuées pour traiter un tel encrassement de la fenêtre d'un chemin optique avaient recours à une grande diversité d'accessoires mécaniques et optiques. Certaines d'entre elles utili- saient, par exemple, des films mobiles, des balais, des brosses, des objectifs spéciaux, des miroirs, ainsi qu'une grande variété d'obturateurs. Cependant, aucun de ces moyens ne s'est avéré satisfaisant pour une uti- lisation prolongée. Si l'on regarde par exemple les films mobiles, ces films ne se sont pas avérés fiables, et lorsque le film présente un défaut, un matériau étranger a alors la possibilité de s'introduire à l'intérieur de la chambre de fusion. En outre, de tels films ne sont pas toujours adaptés en termes de qualité optique, ou en termes de réponse spectrale à l'endoit o l'on effectue une observation. Selon une autre façon de faire, des balais aussi bien que des brosses sont périodiquement utilisés pour nettoyer la surface intérieure d'un hublot d'observa- tion ou d'un miroir associé. Cependant, les propriétés optiques de ces fenêtres et de ces miroirs sont alors fonction du moment, et sont pour l'essentiel imprévisi- bles. En outre, avec de tels balais et de telles bros- ses, les dépôts sont dégagés de la fenêtre ou de la surface du miroir, mais peuvent tomber dans la chambre de fusion et dans le métal en fusion, ce qui peut pro- voquer une contamination de la fusion. Dans d'autres cas, des obturateurs sont utilisés de manière manuelle ou en liaison avec un moteur. Ce- pendant, les obturateurs abaissent seulement le niveau de dépôt, mais n'empêchent pas que le dépôt se produi- se. En outre, des obturateurs impliquent l'utilisation d'éléments en mouvement et d'éléments d'étanchéité, et ces éléments peuvent affecter l'atmosphère du four. L'utilisation de moyens d'obturateurs, que des dépôts soient présents ou absents sur une fenêtre ou sur un miroir, laisse la visualisation dépendante du moment o on la fait, et de plus, il n'y a pas de possiblité de visualisation continue lorsque le mécanisme de l'obtu- rateur fonctionne. Des fenêtres ou des miroirs classiquement puri- fiés a l'aide d'un gaz ne se sont pas montrés efficaces pour éviter tout dépôt. Ceci parce que le système clas- sique de purification par un gaz entraîne un fort écoulement du gaz audelà de la fenêtre, et le fort écoulement engendre des courants tourbillonnaires qui provoquent un retour de courant de la matière particulaire contaminante, ce qui conduit à un dépôt irrégulier de matière sur l'intérieur de la fenêtre. Le dépôt non uniforme accroit notablement la difficulté d'utilisation de tels huiots d'observation. Une fenêtre satisfaisante est déjà connue. Ce mécanisme nécessite un écoulement de- gaz, et un tel écoulement convient pour un grand nombre de modes de fonctionnement de fours. Cependant, pour la fusion par faisceau d'électrons, un vide poussé doit être maintenu à l'intérieur de la chambre de fusion. Un tel vide ne peut pas être maintenu à l'endroit o un gaz de purifi- cation est utilisé. En outre, le parcours libre moyen des particules de gaz est très grand à basse pression, et un tube de blocage peut être nécessaire à l'endroit o un hublot d'observation ou un miroir est utilisé en relation avec une purification par gaz décrite dans la fenêtre satisfaisante mentionnée ci-avant. Certains des problèmes posés par le fait de gar- der une surface de miroir libre de toute contamination en provenance de dépôts de matière sont particuliè- rement aigus, que cette matière se présente sous forme de particules ou de vapeur. Le réel avantage de l'uti- lisation d'une surface à miroir en relation avec un hu- blot d'observation est que cet ensemble permet d'embra- sser du regard des zones beaucoup plus larges à l'inté- rieur de l'enceinte du four. En d'autres termes, le chemin optique disponible pour un hublot d'observation est complètement limité à ce qui se trouve directement à l'avant de l'élément transparent au travers duquel la visualisation s'effectue. Cependant, il est souvent souhaitable de visualiser ce qui se passe à l'intérieur de certaines parties de la chambre de fusion qui ne sont pas dans l'alignement optique du hublot d'obser- vation. Les efforts pour obtenir des surfaces réfléchis- santes ont souffert des mêmes problèmes que ceux qui affectent les hublots d'observation eux-mêmes. Une oc- clusion par des solides, et particulièrement par des solides éclatés en fines particules et qui contiennent un taux d'oxygène significatif, rend la surface trouble et nécessite un appareillage ou des travaux supplémen- taires comme décrits ci-avant, ceci afin de garder ces surfaces propres. Qui plus est, le hublot d'observation est habitu- ellement placé loin du point o des niveaux élevés de chaleur sont atteints et o la fine matière particu- laire est générée. Une surface de miroir est suscep- tible de se trouver plus près de la source d'encras- sage, et pour cette raison, cette surface de miroir a plus de chance d'être souillée. Nous avons alors imaginé un moyen pour maintenir le chemin optique dans un hublot d'observation à l'in- térieur d'un dispositif qui utilise un chauffage à hau- te puissance tel qu'un chauffage par fusion à arc- plasma ou par fusion par faisceau d'électrons, ou par. un moyen analogue à haute puissance, ce chauffage à haute puissance aboutissant à la formation de matière particulaire qui se transforme en un nuage ou en un brouillard à l'intérieur de la chambre de fusion. Le dispositif selon la présente invention est particulièrement adapté à une utilisation en relation avec le chauffage à très haute puissance d'un bain de métal tel que l'on peut en obtenir au moyen d'un fais- ceau d'électrons ou au moyen d'un chauffage par plasma. Un tel chauffage de surface à haute puissance engendre des quantités substancielles de vapeur de métal et/ou de très fines particules. La diminution de l'encras- sement et de la contamination des chemins optiques à l'intérieur de la chambre de fusion du fait des vapeurs et des fines particules constituent l'objet de l'inven- tion. Par conséquent, un objet de la présente invention est de fournir un chemin optique permettant une visua- lisation de qualité de l'intérieur d'une enceinte de four dans laquelle une Mine matière particulaire est produite. Un autre objet est de fournir un procédé permet-. tant de garder un miroir clair à l'intérieur d'une en- ceinte de four. Un autre objet est de fournir un dispositif de four susceptible de permettre une visualisation indispensable et complète de son intérieur, et ce bien qu'une fine matière particulaire y soit produite. Un autre objet est de fournir un miroir suscep- tible de rester relativement propre à l'intérieur d'une enceinte de four dans laquelle de la matière particu- laire est produite. D'autres objets ressortiront partiellement de ce qui suit, ou seront en partie signalés. Dans un de leurs plus larges aspects, ces objets de la présente invention ainsi que d'autres peuvent être réalisés en fournissant tout d'abord une enceinte de four pour un chauffage à haute puissance de métaux, tel que les techniques de chauffage par plasma ou par faisceau d'électrons. Un hublot d'observation est amé- nagé dans une paroi du four. Une surface de miroir en métal est disposée a l'intérieur de l'enceinte'du four. Un moyen pour articuler la surface du miroir permet d'obtenir un chemin optique entre le hublot d'obser- vation et une grande partie de l'intérieur du four. On détermine si la charge des particules d'un nuage formé à l'intérieur de la chambre de fusion au moyen d'un chauffage à haute- puissance est positive ou négative. On charge la surface du miroir en métal selon la même polarité que celle de la charge des particules afin de repousser toute matière particulaire au niveau de la surface du miroir. On comprendra mieux la description de l'invention qui suit si l'on se réfère à la figure 1 qui est une représentation schématique de l'intérieur d'une encein- te de four et qui montre un chauffage par plasma d'un foyer ainsi que la disposition d'un miroir en métal chargé à l'intérieur de l'enceinte. Il doit être bien compris dans la description de l'invention qui suit que les fours et la chambre du four utilisés dans le processus de fusion des métaux sont dimensionnés selon une taille aussi petite que possible, taille qui doit cependant être compatible avec les nécessités de fonctionnement du four. En ou- tre, un jeu complexe d'appareillages de traitement et de détection est fourni, et doit être fourni pour un four de fusion afin de traiter les métaux qui entrent en fusion à des températures élevées lors d'une étape de fusion. Par exemple, bien qu'un seul canon à plasma soit représenté dans la figure, plus d'un canon est fréquemment utilisé afin d'amener le métal en fusion à l'intérieur d'un creuset dans les conditions les plus favorables à un traitement. En outre, un appareillage auxiliaire supplémentaire tel que des entrées de gaz et des évents, ainsi qu'un moyen de détection doivent être fournis afin d'assurer aux métaux en fusion dans un four des conditions de traitement optimum. Du fait du grand nombre de conditions à remplir à l'intérieur d'un four, le choix d'un emplacement idéal pour chacun des appareillages auxiliaires du four n'est pas réalisable. Il est préférable que les divers appareillages soient bien répartis pour occuper l'espace des parois de l'en- ceinte du four, et qu'ils concourent à l'intérieur de l'enceinte à l'obtention du meilleur accès aux métaux en fusion, afin que les diverses fonctions exercées par les appareillages soient remplies. Si l'on considère maintenant la figure, on voit que cette figure est une représentation schématique d'une enceinte de four et des appareillages auxiliai- res. Si l'on se réfère à la figure, une enceinte 10 renferme un foyer 12 dar lequel un métal en fusion est traité au moyen d'un chauffage à arc-plasma. L'arc- plasma provient d'un canon à plasma 16 situé à la base d'un conduit de support 18 qui comporte un élément ex- terne de structure tubulaire contenant le gaz néces- saire ainsi qu'un moyen d'alimentation électrique. L'élément 18 traverse la paroi du four 20 au niveau d'une étanchéité mécanique 22 qui permet à l'élément 18 un mouvement vers l'intérieur et vers l'extérieur ainsi qu'un mouvement de pivotement, ce qui permet de placer le canon 16 en divers points de l'enceinte 10. Une par- tie externe 24 de l'élément tubulaire 18 se termine en une unité d'alimentation couplée 26 de gaz et d'élec- tricité. Comme indiqué ci-avant, plus d'un canon 16 peut être utilisé en relation avec un processus de fu- sion, particulièrement dans le cas o le foyer, tel que le foyer 14, présente des dimensions plus grandes, com- me par exemple un foyer de forme allongée. En plus des multiples étanchéités, telles que l'étanchéité 22, qui permettent aux éléments 18 de tra- verser l'enceinte, il y a des appareillages auxiliaires nécessaires pour assurer un fonctionnement correct du four. Un de ces appareillages est constitué par l'ori- fice du sytème pour faire le vide 30, représenté en coupe. Un orifice 32 permettant le passage d'un instru- ment peut être utilisé pour introduire un' faisceau laser à l'intérieur de l'enceinte 10 afin de mesurer le niveau de fusion du métal, et le faisceau réfléchi peut être capté au niveau d'un orifice 34 permettant le pas- sage d'un autre instrument. Un orifice 36 de prélève- ment de gaz permet de retirer du gaz afin de déterminer la concentration des mélanges gazeux à l'intérieur de la chambre du four. En outre, un orifice d'alimentation en gaz 38 permet l'introduction de gaz inertes ou de gaz réducteurs selon les besoins de l'activité du four. Les dispositifs qui fonctionnent actuellement comportent un tel encombrement d'appareillages auxi- liaires, particulièrement au niveau de la partie supé- rieure de la chambre du four, ce qui conduit parfois à renoncer à la réalisation de certains types d'opéra- tions, car la place à l'intérieur du four-est insuffi- sante pour permettre aux appareillages auxiliaires né- cessaires d'y trouver leur place. Portons maintenant notre attention sur les appa- reillages auxiliaires qui constituent l'objet de l'in- vention. Un miroir 40 est placé à l'intérieur du four selon une position dans laquelle il est possible de vi- sualiser la surface du métal en fusion. Si l'on se ré- fère maintenant à la figure, un orifice 42 permettant une visualisation est placé dans une paroi latérale du four en un emplacement opposé à celui du miroir 40, mais dans l'alignement de ce miroir. Le miroir est maintenu au moyen d'une tige de commande 44 qui traver- se une étanchéité 46 placée dans la paroi latérale 48 et qui aboutit à la manette 50. La manette 50 permet au miroir de tourner par rapport à l'axe de la tige de commande 44. La manette permet aussi au miroir de chan- ger de direction selon un angle plus ou moins grand par rapport à l'horizontale, ceci grâce à un moyen classi- que de contrôle- du mouvement non représenté. En outre, la manette permet de retirer le miroir ou de le dépla- cer latéralement à l'intérieur de la chambre. Le miroir est représenté selon une position de retrait partiel en ', la manette étant manipulée selon une position mar- quée 50', et la tige de commande étant en retrait en 44'. Les différentes façons de positionner le miroir, tout en maintenant l'alignement du miroir avec la ligne de visualisation du hublot d'observation 42, permettent de visualiser et d'examiner une grande partie de l'in- térieur de la chambre du four à partir du hublot d'ob- servation 42. Ainsi, la ligne de visée qui traverse le hublot d'observation est représentée au moyen de la li- gne en pointillés 52. L? ligne de visée réfléchie 54 permet de visualiser la surface supérieure du métal en fusion 56 lorsque le miroir est positionné en 40. Cependant, lorsque le miroir est en position de retrait en 40', la ligne de visée reste la même mais la réflection se fait le long de la ligne de visée 58 et la surface inférieure de la paroi 20 de la chambre peut être ainsi examinée pour voir si des dépôts s'y sont accumulés à un point tel qu'ils puissent s'écailler et tomber dans le métal en fusion 56. Une alimentation en courant 60 fournit une haute tension au miroir 40 par l'intermédiaire du conducteur 62. Le conducteur 64 qui part de l'alimentation 60 est relié à la terre et va jusqu'à la paroi latérale 66 de l'enceinte 10 du four. Une tension de 5 à 30 kilovolts est appliquée au miroir, et le miroir est chargé de telle sorte qu'un champ électrique s'instaure autour du miroir 40, ce champ électrique étant du même signe (positif ou négatif) que la charge des particules. L'application d'une charge sur une plaque métal- lique et l'observation à travers un hublot du dépôt ou du non dépôt des particules sur la plaque métallique, constituent un moyen simple pour déterminer la charge des particules. La description qui suit est présentée en se basant sur le fait que la charge des particules est négative. Nous avons établi que, si une charge négative est appliquée à une surface métallique dans un envi- ronnement dans lequel l'arc-plasma ou le faisceau d'électrons est utilisé pour un chauffage à haute puis- sance de la surface d'un métal en fusion, la matière sous forme de particules ou de vapeur issue d'un tel chauffage à haute puissance est généralement chargée négativement et est attirée par des éléments chargés positivement et repoussée par des éléments chargés négativement. Par conséquent, selcn la présente invention, une charge négative est appliqee à une surface métallique faisant miroir afin de permettre à la surface de re- pousser le dépôt de matière sous forme de particules ou de vapeur, ce dépôt étant chargé négativement, et ainsi, la surface reste claire, et le chemin optique qui permet de visualiser ce qui se passe au niveau de la surface métallique chargée reste lui aussi clair. Le métal du miroir métallique est- de préférence un métal inerte tel qu'un métal noble. Le métal noble tel que l'or ou le platine peut être appliqué sur une plaque de métal lisse pour assurer l'obtention d'une surface hautement réfléchissante et hautement conduc- trice. Le niveau de la tension utilisée pour la présente invention dépend du dispositif dans lequel cette ten- sion est utilisée. Pour un dispositif expérimental, une- tension d'environ 5 kV à 30 kV peut être appliquée. Pour un dispositif à caractère industriel, une tension plus forte jusqu'à environ 80 kV et plus peut être uti- lement employée pour un chemin optique perfectionné à ltintérieur d'une chambre de four. REVENDICATIONS 1. Procédé pour fournir un chemin optique permettant une visualisation de qualité à l'intérieur d'un four dans lequel se déroule un chauffage de surface à haute intensité d'un métal, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: - la fourniture d'une enceinte de four (10), - la fourniture d'un hublot d'observation (42) qui traverse une paroi de l'enceinte (10), - la fourniture d'une surface de miroir (40) en métal susceptible d'être articulée à l'intérieur de l'enceinte (10), ce miroir (40) étant optiquement aligné avec le hublot d'observation (42) et présentant une charge électrique de même polarité que celle des particules de métal, - la détermination de la charge des particu- les à partir du chauffage de surface à haute intensité du métal à l'intérieur du four, - la fourniture d'une source électrique hau- te tension (60), et l'application de cette haute ten- sion au miroir (40) en métal, ce qui a pour effet.de repousser la matière particulaire contenue dans le four et de l'éloigner de la surface du miroir (40) en métal. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce la surface du miroir (40) est une surface métal- lique polie. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du miroir (40) est constituée par un métal noble plaqué sur une surface métallique plane polie. 4. Procédé selon la revendication 1, carcatérisé en ce que la source électrique haute tension (60) peut atteindre 30 kV. 5. Procédé selon la revendication 1, carcatérisé en ce que la source électrique haute tension (60) déli- vre une tension comprise entre 5 et 80 kV. 6. Dispositif pour fournir un chemin optique per- fectionné au travers d'un four pour un chauffage à haute intensité d'un métal, ce dispositif étant carac- térisé en ce qu'il comprend: - une enceinte de four (10) conçue pour un chauffage a haute intensité d'un métal, - un hublot d'observation (42) placé dans une paroi de l'enceinte (10), - un miroir (40) en métal optiquement aligné avec le hublot d'observation (42), et un moyen permet- tant d'appliquer une haute tension sur le miroir (40) en métal. 7. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le four est un four de fusion par faisceau d'électrons. 8. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le four est un four de dépôt par pul- vérisation plasma. 9. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le four est un four de fusion à arc- plasma. 10. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le moyen d'application de la tension a une capacité qui peut atteindre 30 kV. 11. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le moyen d'application de la tension est capable de délivrer une tension comprise entre 5 et kV. 12. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le miroir (40) en métal est constitué d'une plaque métallique polie recouverte d'or,