Brevet FR2497050A1 — publié le 19820625

SCH/POL i DISPOSITIF DE FUSION PAR INDUCTION DIRECTE EN CAGE FROIDE AVEC CONFINEMENT ELECTROMAGNETIQUE DE LA CHARGE FONDUE L'invention concerne un dispositif de fusion par induction directe en cage froide, dite "auto-creuset", avec confinement élec- tromagnétique de la charge fondue afin de l'écarter de la paroi latérale intérieure de cette cage. Des procédés et dispositifs de fusion ou fours par induction directe (sans creuset) dans une cage froide ayant une paroi latérale en matériau conducteur, mais sensiblement transparente au champ magnétique alternatif engendré par un inducteur qui l'entoure sur au moins une partie de sa hauteur, sont bien connus et décrits, par exemple, dans les publications FR-A-1 492 063 (ou DE-B-1 615 195, GB-A-1 130 070 ou US-A-3 461 215 correspondantes), o le procédé est appliqué notamment à la fusion d'oxydes réfractaires ou de leurs mélanges qui ne sont pas conducteurs à froid, FR-A-2 036 418, o le procédé est appliqué notamment à l'élaboration de certains métaux à partir de leurs halogénures par calcioLhermie, par exemple, et FR- A- 2 052 082, o le procédé est appliqué notamment à l'élaboration de certains métaux à partir de l'un de leurs oxydes par réduction directe au moyen d'un métal réducteur alcalin ou alcalino-terreux (tel que le calcium) et de son fluorure utilisé comme solvant, ainsi que dans la demande de brevet français n0 EN 80 17 359 déposée le 6 août 1980 par le demandeur, o le dispositif peut être muni d'une buse réfractaire chauffée comportant un orifice qui traverse la sole de la cage pour permettre la coulée en continu du matériau fondu. La charge à fondre est généralement introduite dans la cage froide dont le fond est obturé au moyen d'une plaque creuse, dit "sole", refroidie, par le haut sous une forme pulvérulente ou granuleuse. Lorsqu'elle est constituée par un mélange de matériaux dont l'un au moins est isolant à froid, ce dernier s'agglomère, lors de la fusion, au voisinage de la paroi intérieure de la cage froide de façon à former une mince gaine ou pellicule électriquement isolante qui la recouvre. Par contre, lorsque la charge est métallique (c'est- à-dire en métal ou en alliages de métaux) et conductl.rice à froid, cette gaine est également conductrice et met les éléments isolés (segments en tube de cuivre) de la cage en court-circuit. Dans les deux cas précités, une partie importante de la chaleur engendrée par induction est transmise par conduction à la cage froide et évacuée en réchauffant le fluide qui y circule. Cet inconvénient peut être évité par un confinement élecLro- magnétique de la charge fondue qui est électriquement conductrice dans tous les cas, à l'aide d'un champ magnétique alternatif. Le confinement électromagnétique d'un bain ou d'une coulée de métal liquide au moyen d'un champ magnétique alternatif axial est connu en soi, par exemple, des publications GB-A- 893 445, FR- A-1 509 962, 2 106 545, 2 160 281, 2 316 026 et 2 396 612. Dans ces disposiLifs de confinement connus, le champ magnétique axial de confinement est engendré à l'aide d'un inducteur alimenté en cou- ranl alternatif, entourant coaxialement le creuset ou la buse véhi- culant la coulée, sensiblement au niveau de son orifice inférieur. L'expérience a montré que la charge fondue présente, au niveau de l'inducteur qui entoure la paroi latérale cylindrique de la cage froide, une striction dûe au champ magnétique alternatif engendré par l'inducteur, grâce auquel cette partie du bain décolle de la paroi intérieure de la cage froide. Ceci conduit donc à une solution suivant l'état de la technique, qui consiste à prévoir un autre inducteur destiné au confinement, distinct et isolé de l'in- ducteur de chauffage, qui s'étendrait sur toute la hauteur du bain, c'està-dire entourerait sensiblement toute la paroi latérale de la cage froide. L'inducteur de confinement serait alors coaxial avec l'inducLeur de chauffage (et. éventuellement imbriqué) et magné- tiquement couplé à ce dernier. Il serait alors nécessaire, lorsque son inductance est supérieure à celle de l'inducteur de chauffage, qu'il soit alimenté par un courant alternatif de fréquence inférieure à celle du courant dans ce dernier, qu'un filtre passe-bas soit inséré entre l'inducteur de confinement et ses bornes d'alimentation et qu'un filtre passe-haut soit inséré entre l'inducteur de chauffage et les siennes, pour que les générateurs de puissance respectifs ne soient pas perturbés. La présence de ces filtres dont le coût est loin d'être négli- geable, occasionne des pertes d'énergie du fait que l'un des induc- teurs constitue pour l'autre un enroulement secondaire chargé par un court-circuit. Ces pertes pourraient être réduites en réduisant le couplage entre les inducteurs, par exemple, soit en éloignant l'in- ducteur de confinement en lui donnant un diamètre supérieur-qui nuirait à son couplage à la charge liquide, soit en le divisant en deux moitiés reliées en série (ou en parallèle), qui seraient disposées de part et d'autre de l'inducteur de chauffage et, éventuellement, en insérant des écrans électrosLatiques ou magnétiques entre les extré- mités avoisinantLes respect:ives des deux inducteurs. La présente invention permet d'éviter les inconvénients d'une telle solution inspirée par l'état de la Lechnique, en utilisant la paroi laté. rale divisée de la cage froide parcouru de courant IongiLudinaux comme inducteur de confinement, ce qui permet d'éviter Lout. couplage excessif de celui-ci à l'inducteur de chauffage. Suivant l'invention, un dispositif de fusion par induction di- recLe dans une cage froide dont la paroi latérale est formée par des tronçons conducteurs Lubulaires parallèles, isolés l'un de l'autre et parcourus d'un liquide de refroidissement, comprenant un inducteur entourant coaxialemenL cette paroi latérale et alimenté par un premier générateur de puissance de haute ou de moyenne fréquence, est principalement caractérisé en ce que ces Lronçons conducteurs tubulaires sont réunis par deux au moyen de Lronçon Lransverse reliant leurs extrémités adjacentes pour former des segments de cette paroi latérale en forme d'épingles à cheveux, dont les extrémi- tés sont alimentées au moyen d'un second générateur de puissance de moyenne ou haute fréquence, de Lelle sorte que les Lronçons adjacents sont respectivement parcourus de courants de sens op- posés qui permettenL d'engendrer des forces de confinement élec- tromagnétique centripètes écartant la périphérie de la charge en fusion sur toute sa hauteur de la face interne de la paroi latérale de la cage. L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses caractèris- tiques et avantages ressortiront de la description qui suit et. des dessins annexés, donnés à Litre d'exemple, sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de fusion par induction directe en cage froide de la technique antérieure représentée par les publications précitées; el. la figure 2 est une vue en perspective d'un mode de réalisation préféré du dispositif de fusion par induction directe avec confi- nement électromagnétique de la charge liquide. Le dispositif de fusion classique de la figure 1 comporte un inducteur de chauffage i de forme hélicoïdale, réalisé en tube de cuivre et comprenant plusieurs spires qui couvrent une hauteur prédéterminée. Les deux extrémités 3, 4 de cet inducteur 1 sont respectivement réunies ici à deux bornes de sortie (basse impédance, par exemple) d'un premier générateur de puissance 2 pouvant engendrer un courant alternatif 11 de haute (30KHz 1Hz) ou de moyenne (i - 30KHz) fréquences (industrielles) qui sont destinées respectivement à la fusion de matériaux réfractaires isolants à froid, tels que des oxydes ou des silicates par exernple, ou semi- conducteurs, tels que le silicium, le germanium ou l'arséniure de gallium, par exemple, et à celle de matériaux conducteurs à froid, tels que des métaux ou des alliages de métaux. La puissance fournie à l'inducteur iest fonction, notamment, de la nature (point de fusion, résistivité à froid et à chaud, perméabilité relative jusqu'au point de Curie etc.) du matériau, du volume de la charge à fondre (c'est-à-dire du diamètre de la cage froide et de la hauteur de l'inducteur 1) et du couplage entre la charge et l'induc- Leur (de l'épaisseur de la cage). Le générateur 2 doit, par consé- quent, être dimensionné de façon à fournir une puissance comprise entre 50 et 250 kilowatts, par exemple. La cage froide ou "auto-creuset" 5 comprend une paroi la- térale cylindrique 6 composée d'un grand nombre de segments tubulaires 7, juxtaposés qui sont de forme allongée et orientés parallèlement à l'axe géométrique ou à la génératrice du cylindre qu'ils forment ensemble. Ces segments 7 peuvent être réalisés en des tronçons de tube métallique de section rectangulaire, circulaire, trapézoïdale ou délimitée, comme sur la figure 1, par deux arcs de cercle concentriques dont le centre coincide avec l'axe de la paroi 6 et par deux sections de droite radiales ayant une intersection sur cet axe (voir, par exemple, FR-A-1 492 063). Les parois (radiales) adjacentes de segments 7 qui entrent en contact, sont isolées l'une de l'autre au moyen d'un revêtement isolant 8 sous la forme d'une couche isolante électrique déposée, par exemple, en un matériau céramique (alumine ou autre) pas "shoopage", ou au moyen d'une plaquette rigide de séparation ou d'un ruban en feutre ou tissus d'un matériau isolant analogue, de préférence, réfractaire. Lorsqu'il s'agit de faire fondre par induction directe des matériaux qui sont conducteurs électriques à froid, tels que des métaux ou des alliages métalliques, il peut s'avérer avantageux de recouvrir d'une couche de matériau céramique isolant el réfractaire, également les parois 9 des segments 7 adjacentes à la charge, qui forment ensemble la face interne de la paroi latérale 6 de la cage froide 5 ou de la munir d'une mince garniture isolante intérieure de forme cylindrique de ce matériau. En vue d'assurer le refroidissement de cette paroi latérale, chacune des extrémités des tronçons tubulaires formant les seg- ments 7 est obturée par une plaque transversale 10 et munie d'embouts tubulaires de raccordement 11, orientés en saillie radiale vers l'extérieur. La circulation du fluide de refroidissement (eau) est assurée au moyen d'un anneau collecteur d'admission 12 et d'un anneau collecteur d'évacuation 13 de diamètres supérieurs à celui extérieur de la paroi 6 ainsi qu'à celui de l'induct.eur de chauffage 1. Ces anneaux collecteurs 12 et 13 sont respectivement munis d'embouts de raccordement 14 et 15, orientés en saillie radiale vers l'intérieur, qui sont hydrauliquement reliés à ceux 11 des segments 7 au moyen de joints tubulaires isolants 16, flexibles de préférence de manière à conserver l'isolement électrique entre les segments 7. Ces anneaux collecteurs 12, 13 sont respectivement réunis à l'aide d'autres embouts tubulaires 17, 18 à un circuit du fluide refrigérant (non représenté) dont la circulation s'effeclue dans le sans des flèches W1. Le fond de la cage froide 5 est obturé à l'aide d'une base ou sole 19 également refroidie, soit en forme de disque métallique creux raccordé par deux embouts 20, 21 à un autre circuit de fluide représenté par des flèches W2, soit en forme de disque en céramique (voir, par exemple, GB-A1 130 070) dont la face inférieure peut être arrosée, par exemple. Cette sole 19 peut êLre réalisée à l'aide de secteurs isolés l'un de l'autre ou en- forme d'anneau traversé par une buse d'évacuation chauffée de la charge fondue (voir FR-A- 1 188 576 et la demande précitée de la demanderesse, par exemple). Lorsque la sole 19 est en un matériau conducteur et la charge à fondre est conductrice à froid, il peut être avantageux de recouvrir entièrement sa face supérieure d'une couche ou d'une garniture de matériau isolant (céramique). La partie extérieure (annulaire) de la face supérieure de la sole 19, qui est au contact de l'extrémité inférieure de la paroi latérale 6, est, de préférence, isolée dans tous les cas de cette dernière, par exemple, au moyen d'une rondelle en feutre de céramique ou d'un lit de poudre d'un ma- tériau réfractaire isolant (alumine, par exemple). On remarquera ici que l'inducteur de chauffage 1 qui entoure la paroi laLtérale 6 de la cage 5 et qui assure la fusion par induction directe de la charge et le brassage du bain liquide, est également réalisé en tube et raccordé à un circuit de fluide de refroidissement symbolisé par les flèches W3. On notera également que J'on a observé dans la cage 5, un effet de striction produit par l'inducteur 1 sur la partie du bain liquide qui se trouve à son niveau. La charge est introduite dans la cage 5 sous une forme pulvérulente ou granuleuse au moyen d'une trémie (non représentée) par le haut, dans le sens de la flèche C. La figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif de fusion avec confinement électromagnétique du bain fondu, suivant P'in- vent ion. Sur la figure 2, les segments 70 forment la paroi latérale 60 de la cage froide 50 ont été réalisés au moyen d'éléments tubulaires en forme d'épingles à cheveux (ou "U") à l'aide de deux tronçons de tube parallèles 71, 72, posés côte à côte isolés l'un de l'autre par une fente 73 qui peut être obturée par du feutre ou par une couche céramique, et dont l'une 71 a une extrémité hydrauliquement et électriquement reliée à celle, adjacente du tronçon voisin 72 au moyen d'un tronçon de jonction 73 perpendiculaire aux deux tronçons parallèles 71, 72. Ces segments 70 sont juxtaposés comme dans l'état de la technique de façon à former la paroi latérale cylindrique 60 de la cage 50 dont le fond est obturé par une sole 19 classique (voir figure 1 et l'état de la technique mentionné précedemment). A la différence de l'état de la technique, les extrémités adjacentes libres (non reliées) des tronçons 71, 72 formant un même segment sont respectivement hydrauliquement et élect.riquement reliées par des joints tubulaires métalliques (ou tronçons) 22, 23 dont les uns (22) sont perpendiculaires à l'axe de la gaine 50 et les autres (23) inclinés par rapport à cet axe, à deux anneaux collecteurs métalliques creux 120, 130 dont le premier (120) comporte l'embout d'admission 17 et le second (130) l'embout d'évacuation 18 du fluide de refroidissement de la cage dont la circulation est indiquée par les flèches Wl. La liaison électrique respective entre les anneaux collecteurs , 130 et les extrémités respectives des segments 70 en épingle à cheveux, permet, en les reliant respectivement aux deux bornes de sortie d'un second générateur de puissance à courant alternatif 24, de faire passer dans les deux tronçons parallèles 71, 72 des courants électriques alternatifs respectivement dans des sens opposés. Les champs magnétiques engendrés par les courants alternatifs qui parcourent les tronçons juxtaposés 71, 72 de la paroi latérale alternativement dans des sens opposés, induisent à l'intérieur de la périphérie de la charge fondue conductrice des courants sensi- blement de même intensité et de phases opposées, par un effet de proximité. Ces deux courants réagissent l'un sur l'autre de manière à engendrer, au niveau de la périphérie du bain liquide de forces (de Laplace) centripètes, c'est-à-dire des forces de répulsion uniformé- ment reparties à la périphérie du bain et orientées en direction de son axe géométrique. Lot Cesforces derépulsion qui s'ajoutent aux forcesdestrictiondûesà l'inducteur de chauffage 1 alimenté par le premier générateur 2, permettent de former sur toute la hauteur du bain liquide (la charge fondue) une pellicule d'air, de gaz ou de vide (lors d'une fusion sous vide) de quelques dizièmes de millimètre, qui permet d'assurer un meilleur isolement électrique et thermique de la charge fondue par rapport à la paroi latérale intérieure de la cage froide 50 de façon à réduire notablement les pertes therrniques et électriques par con- ducLion, les risques de fuite (coulée) du matériau fondu et la contamination de la charge en fusion par les matériaux dont la cage 50 est constituée. La cage 50 suivant l'invention, comporte donc des inducteurs en épingles à cheveux juxtaposés, formés par les segments 70 et connectés en parallèle au moyen des deux anneaux collecteurs 120, qui sont respectivement reliées aux deux bornes de sortie basse- impédance constituées, par exemple, par les bornes d'un enrou- lement secondaire d'un transformateur d'adaptation non-représenté du second générateur 24. Ces inducteurs (en U 70) sont alimentés chacun par un courant 12/N de quelques dizaines d'ampères efficace (o N est le nombre de segments 70 formant la cage 50), dont l'intensité exacte est alors déterminée expérimenLaJement en fonc- tion des dimensions du bain et de l'effet de striction déjà fourni par l'inducteur de chauffage l, produisent. un confinement électro- magnétique de la charge fondue. L'expérience a montré qu'une puissance notablement plus faible que celle consommée par l'induc- teur I suffit pour alimenter les segments 70 de la cage 50 en parallèle et pour obtenir un confinement suffisant du bain. Le second généralteur 24 alimentant en parallèle les inducLeurs de la cage 50 devra donc fournir, par exemple, une puissance qui est comprise entre un cinquième et un dizième de celle fournie par le premier générateur 2 à l'inducteur 1 (de 50 à 250 kw). Il en résulte qu'il suffit d'une puissance de l'ordre de quelques kilowatts à quelques dizaines de kilowatts (10 à 30 kw, par exemple) pour le confinement électromagnétique de charges en métal ou alliages de métaux. On utilisera pour la fusion-brassage et pour le confinement par la cage 50, de préférence, les mêmes gammes de fréquence, c'est-à- dire les hautes fréquences dc 30 KHz à 10MHz pour les oxydes réfractaires, les silicates et les semi-conducteurs et les moyennes fréquences de i à 20 KHz pour la fusion de métaux ou alliages conducteurs à froid et, éventuellement, réfractaires. Toutefois, on choisit, de préférence, des fréquences différentes pour effectuer les opérations de fusion et brassage par l'inducteur de chauffage 1 et l'opérat ion de confinement électromagnétique par la cage 50, qui sont des fonctions distinctes et séparément contrôlables au moyen de deux générateurs.Il est également possible d'utiliser la gamme des hautes fréquences pour le chauffage et le brassage et celle de moyennes fréquences pour le confinement, ou vice versa. En résumé, le principal avantage du confinement électro- magnétique suivant l'invention par la cage 50 est que la périphérie de la charge liquide même d'un matériau conducteur à froid est écartée de la face interne de la paroi latérale 60 de celle-ci, sur toute sa hauteur et non seulement au niveau de l'inducteur principal 1, comme dans l'état de la technique, avec la réduction concomit- tanlte des pertes thermiques par conduction, et des risques de coulées à travers les fentes de la paroi latérale. Il est à remarquer ici qu'au lieu de relier les deux extrémités libres de chaque induclteur en épingle à cheveux à deux anneaux collecteurs distincts 120, 130, il est possible de les relier électri- quement et même hydrauliquement en série, c'est-à-dire de relier ensemble, par des tronçons de jonction transverses, semblables à ceux désignés par le repère 74, les extrémités inférieures avoisi- nantes des différents segments 70. On obtient alors un inducteur serpentin, replié en cylindre, de haute impédance. Il est également possible de réaliser une combinaison série-parallèle de ces induc- teurs en épingles à cheveux afin d'obtenir l'impédance que l'on désire. Pour réaliser les segments 70 on peut utiliser de manière connue du tube métalliques de cuivre ou d'un alliage de cuivre (laitons, bronzes) ou d'un alliage de nickel avec d'autres métaux. tels que le cuivre ou le chrome. Pour la fusion des métaux ou alliages réfractaires, par exemple, il est avantageux d'utiliser un alliage de nickel de chrome et de fer, (0, 78 Fe + 0,14Cr + 0,07Fe) tel que celui qui est commercialisé sous la dénomination "INCONEL" (marque déposée par la société américaine International Nickel Co.) et qui est particulièrement adapté pour les températures élevées. REVENDICATIONS 1. Dispositif de fusion par induction directe dans une cage froide (50) dont la paroi latérale (60) est formée par des Lronçons conducteurs tubulaires (71,72) parallèles, isolés l'un de l'autre eL parcourus d'un liquide de refroidissement, comprenant un inducteur (1) entourant coaxialement cette paroi latérale (60) et alimenté par un premier générateur de puissance (2) de haute ou de moyenne fréquence, caractérisé en ce que les conducteurs tubulaires (71,72) sont réunis par deux au moyen d'un tronçon transverse (74) reliant leurs extrémités adjacentes pour former des segments (70) de cette paroi latérale (60) en forme d'épingles à cheveux, dont les extré- miltés sont alimentées au moyen d'un second générateur (24) de puissance de moyenne ou haute fréquence, de telle sorte que les tronçons adjancents (71, 72) sont respectivement parcourus de courants (12/N) de sens opposés, qui permettenL d'engendrer des forces de confinement électromagnétique centripètes écartant la périphérie de la charge en fusion sur toute sa hauteur de la face interne de la paroi latérale (60) de la cage (50). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les segments (70) en épingles à cheveux sont respectivement reliés en parallèle au moyen de deux anneaux collecteurs (120, 130) qui les alimentent en fluide de refroidissement et en courant électrique alternatif par l'intermédiaire de Lronçons de liaison tubulaires métalliques (22, 23), les deux anneaux (120, 130) étant respec- tivement reliées aux bornes du second générateur (24). 3. DisposiLif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les segments (70) en épingles à cheveux sonL reliés en série par d'autres tronçons transversaux, de façon à foriner une dipôle unique qui est alimenté par le second générateur (24). 4. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second générateur (24) fournit une puis- sance de confinement inférieure au cinquième de la puissance de chauffage fournie par le premier généraLeur (2). 5. Dispositif selon la revendicaLion 4, caractérisé en ce que la puissance du second généraleur (24) est supérieure au dizième de celle fournie par le premier (2).