Brevet FR2531062A2 — publié le 19840203

FR 2531062 A2 19840203 FR 8213353 A 19820730 DISPOSITIF DE FUSION PAR INDUCTION DIRECTE DE SUBSTANCES DIELECTRIQUES DU GENRE VERRES OU EMAUX La présente addition concerne un dispositif de fusion (ou four électrique) par induction directe de subtances diélectriques qui sont isolantes à froid, mais qui deviennent électriquement conductrices à partir d'une température, dite d'inductibilité ou d'amorçage, propre à chaque substance Le brevet principal N" EN. 81 20 860 du 09 novembre 1981 a pour objet un dispositif de fusion par induction directe de substances diélectriques dont les ternpératures d'in-ductibil;té et de fusion sont voisines, qui comprend un récipient dont la paroi latérale refroidie est constituée par l'inducteur de chauffage, lui-même.Suivant le brevet principal, ce récipient-inducteur est composé d'une pluralité de spires en métal conducteur tubulaire2 électriquement et hydrau liquernent connectées en série et superposées selon un axe de symétrie sensiblement normal au plan de chaque spire de telle sorte qu'elles forment ensemble un corps creux qui s'étend sur la quasi-totalité de la hauteur du récipient. Dans un des modes de réalisation du brevet principal, I'inducteur comporte plusieurs enrou lements coaxiaux dont celui de l'intérieur constitue la paroi latérale du récipient. L'inducteur-récipient à deux enroulements multispires co axiaux ayant le même pas, a été représenté sur la figure 1 du brevet principal, avec les spires des enroulements de même section dispo sées radialement dans les rnêmes plans respectifs, ce qui a pour conséquence un certain affaiblissement du champ magnétique alter natif au voisinage des fentes entre les spires voisines, de l'enroule ment intérieur, du fait qu'il s'y produit une sorte de soustraction verctorielle des champs magnétiques engendrés par les courants électriques parallèles. La présente addition permet de remédier à cet inconvénient par une disposition particulière de i'un des enroulements par rapport à l'autre qui consiste en un décalage relatif dans le sens axial pour que les sections des spires selon un plan diamétral passant par cet axe, forment un rnotif semblable à deux rangées d'un quinconce. Suivant l'un des aspects de l'addition, l'enroulement extérieur est donc disposé de telle sorte que les plans médians respectifs de ses spires solncident sensiblement avec ceux des fentes entre les spires de l'enroulement intérieur. La présente addition permet également d'améliorer le rendement énergetique d'un four vertical à induction directe, où l'inducteur lui-meme ou l'un des deux inducteurs coaxiaux (l'intérieur) constitue lui-même la paroi latérale froide du récipient (creuset) contenant la substance à faire fondre, applicable notamment à des fours de grande puissance, destinés, en particulier, à des matériaux à haute résistivité (à l'état chaud ou tondu) pour lesquels la profondeur de pénétration du champ magnétique dépasse largement le rayon de la charge fondue, contenue dans un récipient cylindrique. Dans la publication FR-A-2.036.418 qui décrit un four à induction directe constituant un perfectionnement avantageux de celui décrit dans la publication FR-A-1.492.063 (mentionnée dans le brevet principal), la gaine froide divisée (segmen-tée) formant la paroi latérale du récipient comporte une paroi extérieure cylindrique, entourée par l'inducteur et une paroi intérieUre étranglée vers le bas (s'élargissant vers le haut). Par contre, dans ia publication FR-A-2.303.774, la gaine froide est de forme tronconique s'élargissant vers le bas (retrécissant vers le haut) avec une ouverture angulaire de sa section diamétrale de 4 à 2G degrés environ, par exemple.Un tel four à induction est plus particulièrement adapté à l'élaboration d'objets (lingots) mono-ou polycristallins d'oxydes mé tau'tiques réfractaires, par fusion et tirage en continu, obtenu par un déplacement vers le bas d'une plaque refroidie qui obture, en début de fusion, le fond de la gaine. Suivant le second aspect de la présente addition, lrinducteur- récipient multispire ou l'enroulement intérieur d'un ensemble de plusieurs enroulement coaxiaux est constitué par un assemblage de spires circulaires superposées et reliées en série, dont les diamètres respectifs augmentent avec la hauteur par rapport à la base, de telle sorte que la paroi latérale du récipient présente une forme tronconique, étranglée vers le bas Les enroulements extérieurs présentent une forme analogue et sont, de préférence, disposés avec leurs spires alignés avec les fentes de ltenroulement qu'ils entourent. L'addition sera mieux comprise et d'autes de ses objets, caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit et des dessins annexés, s'y rapportant, sur lesquels - la figure 1 montre schématiquement une coupe axiale en élévation d'un mode de réalisation du premier aspect de l'addition - la figure 2 montre schématiquement une coupe axiale en élévation d'un mode de réalisation du second aspect de l'addition ; et - la figure 3 montre un diagramme illustrant la puissance induite en fonction de la hauteur du bain dans un four à inducteur récipient (A) à paroi latérale cylindrique et (B) à paroi latérale tronconique. Sur la figure 1, on a représente une coupe diamétrale et axiale, en élévation, d'un inducteur multispire 31 à deux enroulements cylindriques coaxiaux 40, 50 dont l'intérieur 40 constitue la majeur partie de la paroi latérale refroidie du récipient. Chaque spire 61, 70 est réalisée en tube de section rectangulaire. Le perfectionnement, objet de l'addition, consiste à décaler axialement l'enroulement extérieur 50 par rapport à l'intérieur 40 de telle sorte que le plan médian de chaque spire 70 de ce dernier soit sensiblement situé au niveau de celui de la fente 15 séparant deux spires 61S 62 adjacentes de l'enroulement intérieur 40. Cette mesure permet de compenser, en partie, l'affaiblissement relatif du champ magnétique et, par conséquent, de l'intensité induit au niveau de cette fente 15. La section constitue ainsi un motif semblable à deux rangées d'un quinconce. Sur la figure 2, on a représenté un autre aspect de la présente addition- qui est consitué par la forme tronconique de l'inducteur-récipient multispire 32 qui peut comprendre un 41 ou plusieurs (41, 51) enroulements coaxiaux. Ces enroulements 41, 51 peuvent être décalés selons leurs génératrices parallèles de manière analogue à celle décrit ci-dessus. Le cône tronqué formant la paroi latérale du récipient (creuset) a été représenté comme s'élargissant vers le haut, ce qui constitue le mode de réalisation préféré pour un four à induction vertical, destiné à la coulée en continu à travers une buse chauffée (voir la figure 1 du brevet principal ou la publication FR-A-2.054.464).L'angle d'ouverture du cône 20C est choisi en fonction de la hauteur h du récipient, afin qu'en haut, le rayon maximal r m = d/2 de celui-ci soit sensiblement égale à la profondeur de pénétration p du champ magnétique alternatif, de haute ou de moyenne fréquence. L'expérience a montré qu'au démarrage de la fusion dans la partie inférieure de l'inducteur-récipient (située au voisinage du fond au rayon minimal r), la pénétration des courants induits est, le plus souvent, largement supérieure au rayon de la charge initiale qui constitue en fait le pied de bain. De ce fait, l'efficacité (rendement) électrique et, par conséquent, thermique du four est alors limitée. Toutefois, la puissance consommée, du fait du faible volume du bain initial, est relativement faible et la profondeur de pénétration trop grande n'est pas trop nuisible. La puissance fournie doit néanmoins être suffisante pour entretenir le bain et le faire progresser en hauteur (ou en volume). Dans le cas d'un inducteur-récipient de forme cylindrique, la puissance appelée par le bain qui s'élève, croît au départ sensiblement linéairement avec la hauteur de celui-ci. Par la suite, la puissance consommée croît moins rapidement à cause de l'évolution défavorable du rapport du diamètre d du bain (qui reste constante) à sa hauteur h (qui augmente), cest-à-dire que le rapport d/h diminue avec l'augmentàtion de la hauteur. En d'autres termes, dans le cas d'un récipient-inducteur de forme cylindrique, de flux énergétique moyen ou la puissance volumique moyenne, exprimés en walts par centimètre cube (W/cm3) induit dans le bain, qui est fonction du rapport d/h, tend à diminuer avec la progression de la hauteur h. Ceci a été représenté par le diagramme A de la figure 3 qui indique révolution de la puissance induite avec la hauteur du bain Ce diagramme A (en trait continu) indique que pour un bain cylindrique, dl faudrait soit réduire la progression de la puissance fournie à l'inducteur avec la hauteur du bain par rapport à une évolution linéaire (courbe C de la figure 3, représentée par des tirets), soit limiter la vitesse de l'alimentation du four en fritte de verre (ou d'émail) solide et, par conséquent, celle de la coulée continue.En d'autres termes, la puissance volumique (en W/cm3) diminue avec la hauteur du bain Dans le cas d'un inducteur-récipient à parois latérales tronconiques, -on peut obtenir un rapport- d/h sensiblement constant de maçon a maintenir une évolution linéaire (courbe C) ou même plus rapidement croissante de la puissance induite P, en fonction de l'angle d'ouverture 2 du cône tronqué Une progression supérieure à l'évolution linéaire de la puissance, c'est-à-dire un accroissement global de la puissance volumique, a été représenté par le diagramme a de la figure 3 (en traits mixtes) A titre d'exemple, on obtient dans un four à paroi latérale cylindrique de capacité nominale de 40 litres (100 kg de verre liquide à %4GOOC), un flux énergétique moyen de 3 W/cm3 au départ (pied de bain) qui diminue jusqu'à 2, 5 W/cm à pleine capacité et sa vitesse de "digestion" (fusion) du verre solide s'abaisse de 50 kg/heure au départ à 40 kg/heure, avec des paramètres ëlec- triques inchangés. Dans un four à paroi tronconique de meme capacité, présentant une ouverture angulaire 2E de 30 degrés (l'inclinaison de la génératrice par rapport à l'axe de symétrie étant de 15 o), la puissance volumique initiale 3 W/cm3 s'élève progressivement à 3,5 W/cm3 et même au-delà, au fur et à mesure de la progression de la hauteur du bain. Pour un tel four, en effet, le rapport de la profondeur de pénétration des courants induits au rayon du bain (g=p/r), qui est au démarrage inférieur à l'unité, tend à se rapprocher de celle-ci avec la croissance de la hauteur du bain. Or l'efficacité thermique (et électrique) du système four et charge liquide devient maximale lorsque la profondeur de pénétration p devient égale au rayon r. Dans un four à paroi tronconique, la vitesse de l'alimentation en fritte solide reste sensiblement constante ou peut n'rime crolte durant le cycle de remplissage du four Bien entrendu, la variation du diamètre des spires avec la distance par rapport au fond peut être autre que linéaire et l'étranglement peut être inverse si l'on désire tirer des lingots REVENDICATIONS 1. Dispositif de fusion suivant l'une des revendications 1 à 8 du brevet principal, caractérisé en ce que les diamètres respectifs des spires superposées formant chaque enroulement de l'inducteur-récipient (32) varient en fonction de leur distance axiale par rapport au fond. 2. Dispositif de fusion suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la variation du diamètre des spires (61,62) en fonction de sa distance par rapport. au fond est linéaire, de sorte qu'elles forment une surface tronconique. 3. Dispositif. de suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la surface tronconique s'élargit vers le haut. 4. Dispositif de fusion suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'inducteur (32) comprend deux ou plusieurs enroulements multispires (41, 51) coaxiaux, de même forme, l'un (51) entourant l'autre (41). 5. Dispositif de fusion suivant l'une des revendications 6 à 9 brevet principal ou la revendication 4, caractérisé en ce que les enroulements voisins (40, 50 ou 41, 51) sont décalés l'un par rapport à l'autre, selon leurs génératrices parallèles, de telle sorte que le plan médian de chaque spire (70) de l'un (50 ou 51) comcide sensiblement avec le plan médian de chaque fente entre deux spires adjacentes (61, 62) de l'autre (40 ou 41).