Brevet FR2516226A1 — publié le 19830513

DISPOSITIF DE FUSION PAR INDUCTION DIRECTE DE SUSBSTANCES DIELECTRIQUES DU GENRE VERRES OU EMAUX L'invention concerne un dispositif (ou four électrique) de fusion par induction directe de substances diélectriques qui sont isolantes à froid, mais qui deviennent conductrices à partir d'une température propre à chaque substance, qui sera appelée température d'inductibilité ou d'amorçage dans ce qui suit.Plus précisément, de telles substances sont parfaitement isolantes à froid, mais leur résistivité devient brusquement faible avec Paugmentation de la température, inférieure, par exemple à 10~2ohm/m2/m, à a 10- ohm/m /m, à partir d'une température d'amorçage, par exemple comprise entre 600 et 1000"C, de telle sorte qu'elles deviennent susceptibles de conduire des courants induits dans la masse par un champ magnétique alternatif (de moyenne ou de haute fréquence) engendré à l'aide d'un inducteur entourant une charge d'une telle substance. Par "induction directe" on comprendra donc dans ce qui suit que le siège des courants induits est la charge elle-même qui doit être chauffée jusqu'à la fusion. Pour une charge comprenant uniquement des substances isolantes à froid du type susmentionné, une partie de celle-ci doit être préchauffée pour atteindre cette température d'amorçage à l'aide de moyens classiques, tels qu'un "suscepteur" amovible en un matériau réfractaire conducteur à froid, en métal (tungstène, molybdène, par exemple) ou en graphite, plongé temporairement dans la charge divisée (voir, par exemple, la publication FR-A-1 509 985, à la page 2, colonne de gauche, lignes 6 à 16), ou, lorsqu'il s'agit de faire fondre des oxydes métalliques dont l'un des composants métalliques réagit avec l'oxygène de manière fortement exothermique, c'est-à-dire en dégageant une forte chaleur, on peut déposer sur ou dans la charge, une faible quantité de grenailles ou copeaux de ce métal, qui fondus par induction s'oxyde et permet de rendre localement conductrice les parties avoisinantes de la charge, afin qu'elles deviennent le siège de courants induits (voir, par exemple, la publication FR-A-1 427 905, à la page 2, colonne de droite, lignes 6 à 17). Par exemple, lorsqu'il s'agit de faire fondre du verre contenant de la silice (Si02), il est possible d'utiliser de la poudre ou de la grenaille de silicium métallique qui en s'oxydant s'ajoute à la silice de la charge sans la contaminer. Dans un four électrique à induction directe, on n'utilise aucun moyen de chauffage intermédiaire, tel qu'un creuset en métal réfractaire ou graphite, entre l'inducteur et la charge. Ceci signifie que l'on peut utiliser soit un creuset en matériau réfractaire à température d'amorçage supérieure à la température de fusion de la charge (voir FR-A-2 054 464), soit une cage ou un creuset refroidis à une température notablement inférieure à la température d'amor çage de la charge qui peut être en matériau diélectrique (quartz ou silice, cf.FR-A-1 509 985) ou en matériau conducteur divisé, réalisé au moyen d'éléments tubulaires juxtaposés et isolés l'un de l'autre (voir par exemple FR-A- 1 492 063 ou GB-A- 1 221 909), où les parois internes refroidies de la cage (ou du creuset) se recouvrent d'elles-mêmes d'une couche formée par la substance constituant la charge, sous une forme pulvérulente, granuleuse ou frittée, ou encore agglomérée par la chaleur ou une transition quasicontinue entre ces formes, électriquement et thermiquement isolantes, qui remplace le creuset réfractaire préfabriqué (d'où l'appelation "auto-creuset" ou de formation de creuset "in site"). Dans la publication FR-A-1 492 063 précitée (cf. page 1, colonne de gauche, -lignes 17 à 24 et 30 à 38), on a mentionné un dispositif de fusion par induction directe dans lequel "l'inducteur est constitué par une paroi métallique double refroidie par une circulation, qui sert à la fois d'inducteur monospire, de creuset de fusion et d'organe de mise en forme d'une barre...de matériau électrofondu". Plus précisément, l'inducteur monospire y comprend deux parois cylindriques coaxiales (de diamètres différents), métalliques, respectivement obturées à leurs extrémités par des parois annulaires, ainsi que par deux parois longitudinales parallèles et adjacentes qui forment entre elles une fente longitudinale étroite, de façon à former un corps conducteur creux et étanche qui est capable d'être refroidi par une circulation interne de fluide (eau). Les deux extrémités de la spire unique ouverte, situées de part et d'autre de la fente, sont respectivement électriquement couplées, au moyen d'un transformateur adaptateur d'impédance, aux bornes d'un générateur de courant alternatif de puissance convenable. Comme dans le cas de la cage froide susmentionnée, la partie périphérique de la charge de substance diélectrique recouvrant la paroi intérieure de l'inducteur monospire, forme une enveloppe cylindrique qui l'isole électriquement et thermiquement du restant de la charge fondue ou amorçée (ayant atteint la température d'inductibilité). Au voisinage de la fente d'ouverture de l'inducteur monospire se produit un champ électrique circonférentiel d'intensité élevée, qui ne présente pratiquement aucun effet néfaste, si les matériaux constituant la charge présentent des températures d'amorçage peu différentes de leurs points fusion (ceci est le cas de la silice, de la magnésie et de l'alumine, par exemple).D'autres matériaux réfractaires, tels que des oxydes métalliques comme la zircone, I'oxyde de titane ou la thorine, ou des mélanges contenant l'un de ceux-ci, présentent des températures d'amorçage nettement inférieures (1000 à 15000C) à leur point de fusion (2000 à 30000 C), ils peuvent donc devenir conducteurs à l'état solide et contribuer à la formation d'arcs électriques entre les bords de la fente qui, en réchauffant les parties avoisinantes, produiraient des court-circuits pouvant arreter la fusion et/ou endommager l'inducteur et le générateur. La valeur de l'inductivité (self) d'un inducteur monospire réalisé à l'aide d'une bande plate est une fonction croissant avec le rayon de la spire et décroissant avec la largeur de la bande, ce qui limite notablement la hauteur du volume de la charge. Cette inductance étant relativement faible, il est nécessaire d'utiliser des hautes ou très hautes fréquences (comprises entre quelques centaines de kilohertz et quelques mégahertz), pour lesquels des oscil lateurs à tube s'imposent, car les onduleurs à thyristors dont les rendements sont plus élevés ne dépassént généralement pas les 50 kHz.Les triodes et les tétrodes de puissance, utilisables dans de tels oscillateurs ont des résistances anodiques ou internes relativement élevées par rapport à l'impédance en charge du circuit résonnant parallèle comprenant l'inducteur monospire, ce qui implique l'utilisation d'un transformateur adaptateurs d'impédance dont l'enroulement primaire dans le circuit anodique comporte un nombre d'enroulements élevé par rapport à ceux du secondaire, ainsi qu'une inductance de fuite qui peut absorber une grande partie de la puissance réactive développée. La profondeur de pénétration des courants dans la charge ainsi que le brassage du bain sont plus faibles à fréquence élevée. La présente invention permet de remédier à la plupart des inconvénients de l'état de la technique connu jusqu'ici, inconvénients qui résultent soit de l'utilisation du creuset-inducteur monospire associée à l'emploi d'une fréquence élevée ou de l'utilisation d'une cage froide multisegmentée dont la présence dans le champ de l'inducteur occasionne à la fois des pertes supplémentaires par effet de Joule dans la cage et une perte de couplage entre l'inducteur et la charge. Cette perte de couplage diminue d'une part l'efficacité électrique de l'inducteur sur le plan de l'apport thermique à la charge et d'autre part elle atténue l'effet des forces électromagnétiques de confinement et de brassage du bain, bénéfique dans le cas présent. L'épaisseur de la pellicule solide qui se forme, au voisinage de la paroi froide se trouve ainsi réduite et par là même l'isolement thermique qu'elle apporte vis-à-vis de la charge à son contact. L'invention a en effet pour objet un four électrique pour induction directe permettant de traiter (fondre) des charges allant de cinquante à plusieurs centaines de kilogrammes de verres ou d'émaux vitreux (inorganiques), dans un récipient-inducteur dont le diamètre intérieur peut, par conséquent, être généralement supérieur à 0,5 mètres et qui, du fait qu'il comprend plusieurs spires, peut être alimenté par un courant alternatif de moyenne fréquence (inférieure à 50 kHz) ayant une profondeur de pénétration très supérieure à celle de la haute ou très haute fréquence (dans l'intervalle de cent kilohertz à quelques mégahertz) qu'il faut utiliser avec l'inducteur monospire. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif de fusion par induction directe de substances diélectriques dont les températures d'inductibilité et de fusion sont voisines, qui comprend un récipient dont la paroi latérale refroidie est constituée par l'inducteur de chauffage, lui-même. Suivant l'invention, ce récipient-inducteur est composé d'une pluralité de spires en métal conducteur tubulaire, électriquement et hydrauliquement reliées en série, de mêmes dimensions dans un plan et superposées selon un axe de symétrie sensiblement normal à ce plan, de manière à être contenues dans un corps cylindrique creux s'étendant sur la quasi-totalité de la hauteur du récipient. L'invention sera mieuX comprise et d'autres de ses objets, caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit et des dessins annexés s'y rapportant, donnés à titre d'exemple non-limitatif, sur lesquels - la figure 1 montre une coupe axiale en élévation d'un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention; et - la figure 2 montre une coupe axiale partielle en élévation du mode de réalisation préféré de la paroi latérale multispire du dispositif de la figure 1. Sur la figure 1, on a illustré en coupe axiale un four vertical par induction directe dans un récipient I dont la paroi latérale 2 refroidie comporte un inducteur multispire 3 composé de deux enroulements ou couches 4, 5 en forme de solénolde, coaxiaux. Chacun de ces enroulements 4, 5 comporte ici plusieurs spires (huit sur la figure) en un conducteur tubulaire de section rectangulaire, superposées et régulièrement espacées, qui sont en outre électriquement et hydrauliquement reliés en série. Les enroulements 4 et 5 sont respectivement composées de spires 6 et 7 ayant des diamètres différents de sorte que l'un 5 entoure l'autre 4 et qui s'étendent sur la quasi-totalité de la hauteur du récipient 1. L'inducteur 3 est ainsi composé de deux enroulements solé nodaux 4 et 5 coaxiaux, qui sont électriquement reliées en série de telle sorte que les champs magnétiques qu'ils engendrent lorsqu'ils sont parcourus par un même courant alternatif, s'additionnent à l'intérieur de l'espace délimité par l'enroulement intérieur 4. La connexion des deux enroulements 4, 5 en série permet d'augmenter d'environ quatre fois l'inductance de l'inducteur 3 (grâce à l'inductance mutuelle M) par rapport à celle d'un inducteur multispire à enroulement unique, ce qui entraîne en une réduction notable de l'intensité du champ électrique entre deux spires 6 adjacentes de l'enroulement intérieur 4 dont les faces intérieures (celles en regard de l'axe de symétrie vertical) sont exposées de façon à entrer en contact avec la charge C dont elles doivent refroidir le pourtour P. La réduction de l'intensité du champ électrique grâce à la présence de l'enroulement extérieur 5 permet de réduire l'espacement entre les spires adjacentes. Si, pour une raison quelconque, on désire diminuer la réactance inductive de l'inducteur 3, il est également possible de connecter les deux enroulements 4 et 5 en parallèle. Lorsque les enroulements 4 et 5 sont reliés en série, il est possible d'insérer l'enroulement intérieur 4 entre deux moitiés de l'enroulement extérieur 5 ou de relier l'une des bornes de l'enroulement intérieur 4 à la masse (terre) à l'endroit de interconnexion, soit avec l'enroulement extérieur 5, soit avec le secondaire du transformateur, adaptateur d'impédance (non représenté), qui assure le couplage de l'inducteur 3 au générateur de puissance (non représenté). L'espacement (de quelques millimètres, par exemple) entre les spires 6 adjacentes de l'enroulement intérieur 4 ou d'un inducteur multispire à enroulement unique (que cet enroulement 4 peut symboliser) est choisi aussi faible que possible afin que l'effet de refroidissement qu'elles exercent à cet endroit soit suffisant pour empêcher les particules de la charge qui se trouvent à proximité d'atteindre une température telle qu'elles cessent d'être diélectriques (isolantes). Les enroulements 4 et 5 ou l'inducteur à enroulement unique est muni d'un enrobage 8 en un matériau isolant, tel qu'un ciment réfractaire ou une résine à base de silicones (tel que celui commercialisé en France sous la dénomination "SILASTENE", marque déposée), afin d'en assurer la solidité mécanique, d'une part, et l'étanchéité au particules de la charge C d'autre part. Cet enrobage 8 est réalisé de telle sorte qu'au moins la face intérieure métallique des spires 6 de l'enroulement intérieur 4 (ou de l'inducteur solénoïdal à une couche) et, de préférence, même une partie de leurs faces normales à celle-ci, soient laissées libres à entrer en contact avec le pourtour P de la charge C, où se formera la couche non fondue, isolante, qui sert de creuset. I1 est à remarquer ici que l'on peut insérer dans l'espace entre les spires intérieures 6 voisines, avant d'enrober l'inductance 3, des bandes d'espacement en feutre isolant de céramique réfractaire (d'alumine, par exemple) ou des plaquettes céramiques formant des entretoises. Comme il a été dit précédemment, un tel dispositif de fusion par induction directe dans un récipient 1 dont la paroi latérale refroidie 2 comprend au moins une partie 4 de l'inducteur multispire 3 qui en même temps chauffe la charge C par induction et en refroidit le pourtour, est utilisable pour des substances isolantes à froid, dont les températures d'inductibilité et de fusion sont pratiquement confondues, tels que les verres ou les émaux vitreux dont les courbes de résistivité en fonction de la température présentent une conductibilité électrique très faible en deçà de seuils de température lesquels, selon les verres, sont compris entre 700 et 10000C, ce qui permet d'éviter les phénomènes de contournement électrique dans la couche périphérique P "gelée" de la charge C, entre les spires adjacentes 6. Par ailleurs, la proximité naturelle existant entre la paroi intérieure de l'inducteur à une couche (ou l'enroulement intérieur 4) et la périphérie P de la charge C diélectrique, crée à l'état fondu donc conducteur de la matière, des forces de striction du bain suffisamment importantes pour refouler celui-ci radialement et accroître ainsi ltépaisseur de la pellicule solide d'isolement qui se forme au contact de la paroi froide de l'inducteur-récipient. Par conséquent, les pertes thermiques du bain vers l'inducteur qui constitue en même temps la paroi latérale froide du récipient, sont considérablement réduites et les performances du système notablement accrues (de 40 pour cent, par exemple, comme il est dit plus loin, dans le cas particulier de fusion de verre comparé aux dispositifs classiques avec inducteur et cage froide indépendants). Le fond du récipient 1 est obturé au moyen d'une sole 9 en briques réfractaires (par exemple, en un matériau appelé "ZAC") ou refroidie (en un matériau conducteur creux, par exemple). Pour permettre la coulée du verre fondu, cette sole 9 peut être percée d'un trou central 10 à travers laquelle on fait passer une buse 11 en un matériau conducteur électrique réfractaire, tel que le graphite ("carborundum") ou le carbure de silicium. La partie de la buse 11 qui émerge à travers le fond 9 est entourée d'un inducteur classique 12 qui permet de la chauffer pendant la coulée à l'aide d'un générateur indépendant pouvant fournir entre 10 et 15 kilowatts, par exemple, pour l'amener à un température supérieure à celle de fusion de la substance contenue dans le four (cf. FR-A-2 054 464). Le démarrage ou amorçage de la fusion est effectué ici de préférence, en utilisant un "suscepteur" amovible en un matériau conducteur réfractaire (graphite, tungstène). Ce suscepteur peut être plongé dans ia charge C, avant la mise en circuit de l'inducteur 3 ; il est alors, de préférence, de forme annulaire ou cylindrique et suspendu à l'aide de câbles 13 en un métal réfractaire tel que le molybdène, qui permettent de le retirer du bain. Il peut également, comme représenté sur la figure 1, être réalisé sous la forme d'une voûte 14 ou cloche rayonnante en graphite, qui peut être disposée dans le champ de l'inducteur 3 audessus de la charge C en fritte, ne devant pas alors entièrement remplir le récipient 1. L'inducteur 3 permet de porter la voûte 14 à une température suffisante pour faire fondre par rayonnement (infrarouge) une couche superficielle de la charge C, la fusion se propageant ensuite dans le reste de manière connue. La voûte 14 devra être escamotée à l'aide de câbles de suspension 13, pour permettre le remplissage du récipient 1 au moyen d'une trémie (non réprésentée) contenant la fritte, la poudre, les grains, ou les morceaux (billes ou autres particules) de la subtance à faire fondre. La figure 2 montre une coupe axiale partielle en élévation du mode de réalisation préféré d'un inducteur multispire constituant en même temps la paroi latérale refroidie d'un récipient pour la fusion par induction directe, qui permet la formation d'une couche périphérique isolante de la substance constituant la charge, pour former un "creuset" temporaire, non polluant, in situ (ou "auto-creuset"). Dans ce mode de réalisation préféré, l'inducteur 30 multispire (ou chacun de ses enroulement ou couches coaxiaux) est composé de spires annulaires (circulaires) 60 ouvertes et superposées, réalisées en un conducteur (cuivre) tubulaire de section rectangulaire, dont les extrémités opposées sont respectivement reliées à celles des spires voisines 61 et 62 par des tronçons tubulaires 63 et 64 orientés, de préférence, chacun dans le sens d'une génératrice (parallèlement à l'axe vertical). Ce genre de liaison entre les spires d'un bobinage à une couche généralement appelée "en marche d'escalier", a pour effet d'améliorer la symétrie du bain de fusion par rapport à celle obtenu au moyen d'un bobinage hélico-ldal classique (solénoTde). Les spire s creuses 6 ou 60 sont orientées de telle sorte que les grands côtés de leur section rectangulaire soit verticaux et leur petits côtés horizontaux, afin que, grâce aux faibles distances entre les spires voisines, la surface froide constitue la majeure partie de la face intérieure du récipient, c'est-à-dire qu'elle soit aussi grande que possible et que, malgrè ce faible espacement, les capacités parasites entre les spires adjacentes soient aussi faibles que possible. I1 est à remarquer ici que lorsque l'inducteur 3 comprend plusieurs couches ou enroulements concentriques, ceux (extérieurs) qui ne servent pas au refroidissement de la périphérie P latérale de la charge C, peuvent être réalisés en tubes de sections différentes, telles que circulaires et peuvent comporter des pas et des nombres de spires également différentes en vue de réduire les capacités entre les couches et/ou d'obtenir des valeurs d'inductance désirées. L'inductance plus élevée des inducteurs multispires utilisés ici permet l'utilisation des moyennes fréquences industrielles, de pré férence comprises entre 10 et 50 kHz, qui peuvent être produites par des onduleurs (convertisseurs statiques continu-alternatif) ou des cyclo-convertisseurs (convertisseurs statiques alternatif-alternatif), ou encore par des groupes moteur-alternateur, dont le rendement est meilleur que celui des auto-oscillateurs à tubes à vide (triodes). Des fours industriels par induction directe de verres ou substances analogues de ce type, permettent d'obtenir des capacités de production de 50 à 500 kilogrammes de matériau vitreux fondu à l'heure (chauffé à des températures comprises entre 1200 et 16000C, par exemple) avec des puissances actives consommées allant respectivement de 100 à 1000 kilowatts. Si l'on compare le rendement d'un four à cage froide segmentée entouré d'un inducteur à celui d'un four à inducteur multispire et cage combinés suivant l'invention, on obtient pour des capacités (volumes) analogues et une puissance de 100 kilowatts fournie par le générateur, 27 kg/heure pour le premier et 40 kg/heure pour le second. REVENDICATIONS 1. Dispositif de fusion par induction directe de substances diélectriques dont les températures d'inductibilité et de fusion sont voisines, dans un récipient (i) dont la paroi latérale (2) constitue en même temps un inducteur de chauffage et une surface de refroidissement pour la périphérie (P) d'une charge (C) de cette substance, caractérisé en ce que cet inducteur-refroidisseur (4) comporte plusieurs spires (6) de métal conducteur tubulaire, ayant les mêmes dimensions dans un plan sensiblement normal à son axe de symétrie et superposées selon cet axe, électriquement reliés en série et parcourues par un fluide de refroidissement, de façon à former un corps cylindrique creux s'étendant sur la quasi-totalité de la hauteur de cette paroi latérale (2). 2. Dispositif de fusion suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les spires (6) sont réalisées en un tube de section rectangulaire dont les grands côtés sont orientés parallèlement à l'axe ou à la génératrice de la face interne de la paroi latérale (2). 3. Dispositif de fusion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espacement entre les spires (6) voisines est choisi de telle sorte que l'action de refroidissement qu'elles exercent sur le voisinage de cet espace soit suffisant pour maintenir la substance à fondre dans son état isolant. 4. Dispositif de fusion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inducteur multispire (3) est muni d'un enrobage (8) extérieur en matériau isolant qui assure sa solidité mécanique et son étanchéité aux particules de la substance à fondre et qui laisse libre les parois métalliques des spires, tournées vers l'intérieur, afin qu'elles puissent exercer leur action de refroidissement sur la périphérie (P) de la charge (C). 5. Dispositif de fusion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les spires (60) sont de forme circulaire ouverte, leurs extrémités opposées étant respectivement réunies à celles des spires adjacentes (61, 62) au moyen de tronçons tubulaires métalliques, parallèles à des génératrices du corps cylindrique. 6. Dispositif de fusion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inducteur (3) comporte, outre un enroulement intérieur (4) composé d'un assemblage des spires (6) formant la majeur partie de la surface intérieure de la paroi latérale (3), un ou plusieurs enroulements extérieurs (5) entourant coaxialement l'enroulement intérieur (4). 7. Dispositif de fusion suivant les revendications 4 et 6, caractérisé en ce que le ou les enroulements extérieurs (5) sont entièrement inclus dans l'enrobage isolant (8). 8. Dispositif de fusion suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérise en ce que le ou les enroulements extérieurs (5) sont reliés en série avec l'enroulement intérieur (4). 9. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un suscepteur amovible en forme de voûte (14) en un matériau conducteur rayonnant tel que le graphite, qui peut être disposée au-dessus de la charge (C) dans le champ magnétique de l'inducteur (3) et qui sert à préchauffer par rayonnement une couche superficielle de la charge - afin qu'elle puisse devenir siège de courant induits.