Brevet FR2540982A1 — publié le 19840817

La présente invention se rappcrte aux tech- niques de preparation de matériaux céramiques ou de verres par fusion par induction à haute fréquence darns un four sur les parois duquel se forme une crot ï iso- lante, ou autocreuset O On sait d une façon générale, que les oxydes céramiques, qui sont de Ibons isolants électrlques à la température ambiante, ont une résistivité P qui cd croit avec la température (de l'ordre de 0,1 à 10 Ohms cm au voisinage de leur température de ú qu- faction). De ce faite il est donc possible de mainte- n.lr des matériaux de ce genre en fusion par chauffage par induction à une fréquence élevée, de l Uorâre de 100 à 500 RE Hz par exemple 'à condition de porter préa- lablement ces matériaux à une température suffisante pour provoquer leur liquéfaction et de respecter les dimensions minimales du four qui sont nécessaires pcur un chauffage correct par induction d"énergie électri- que dans toute la masse en fusion. Dans les techniques connues de ce gsnr% on. place en génîral les ma&ériaux à fondre daps ur pot bon conducteur de la chaleur (en général du cuivre) dont les parois sont refroidies par une circulation d'eau et entourées extérieurement d'une spire hélicol- dale parcourue par le courant inducteur de haute fré- quence chargé de provoquer par induction électroimaon& tique le chauffage de la masse centrale contenue dans le pot Du fait du refroidissement énergique de la paroi cylindrique en cuivre constituant le pot' une croûte se forme à l intérieur contre cette paroi et provoque l'isolement tant du point de vue thermique qu'électrique de la partie chaude liquide située a l'intérieur de la croûte et qui est le siège du déga' gertent de rtoute l'énergie induite Dans des appareils connus de ce genre, il est nécessaire de travailler avec des générateurs de haute fréquence classiques et de manière discontinue, cest-àa-dlre quaà chaque opé- ration le pot doit être rempli de poudre contenant les dif rents composés constitutifs du matériel à preparer, chauffé par induction, vidé de sa phase li- quide puis nettoy> avant leopération suivante. Par ailleurs, le fait que la spire hélicol- dale inductrice est distincte du creuset en cuivre conduit à une perte de puissance haute fréquence im- portante (de l'ordre de 50 %) et le caractre disconti- nu de la preparacxon oblige à une dépense d'énergie non négligeable en raison des préchauffages successifs des matériaux que l'on obtient soit par introduction dans la masse de produits bons conducteurs de l'élec- tricité, soit Par chauffage direct avec des moyens ex- térieurs, tels que la combustion de gaz par exemple. La présente invention a pour objet un procé- dé de preparation de matériaux céramiques qui, tout en étant d'une mise en oeuvre particulièrement simple, permet une fabrication en continu de ces mêmes maté- riaux céramiques en diminuant de façon considérable les dépenses énergétiques nécessaires à cet effet. Ce procédé de preparation de matériaux céra- miques par fusion par induction à haute fréquence dans un four sur les parois duquel se forme une croûte iso- lante ou autocreuset, se caractérise en ce que la pou- dre contenant les divers composés constitutifs du ma- tériau à préparer est introduite, en continu, dans un four électrique à haute fréquence du type apériodique dont la spire plate unique hélicoïdale sert à la fois de système inducteur et de creuset froid, le matériau en fusion obtenu étant également soutiré en continu de ce four dans une goulotte traversant la spire. Selon l'inventioni, par conséquente deux ca- ractérisciques fondamentales sont mises en osuvre si multanément et conduisent a l'obtention des avantages précédemment indiqués D'une part, le recours à un four électrique de type apériodique, c'est-à-dire ne contenant pas de circuit oscillant distinct et n'ayant pas de fréquence propre de fonctionnement, celle-ci étant choisie par l'inducteur qui la détermine lui- meme automatiquement par couplage électromagnétique avec le produit à fondre D'autre part, ce four est réalisé par enroulement hélicoidal d'une spire plane unique qui sert à la fois de système inducteur et de creuset froid supprimant ainsi les pertes d'énergie inhérentes dans l'art antérieur F l'emploi de fours dans lesquels le creuset était indépendant de la spire inductrice Dans un générateur apériodique conçu selon l'invention, c'est l'ensemble de la spire plate enrou- lée hélicoidalement et du matériau à traiter qui c ons- titue comme on l'a dit le creuset, le système induc- teur, et la self du circuit oscillant, le système s'équilibrant de lui-m 5 me en se plaçant à la résonance électrique par le choix automatique de la fréquence de fonctionrnemento Selon une caractéristique importante du procédé objet de l'invention, le soutirage du matériau en fusion a lieu, comme l'apport de la poudre conte- nant les divers constituants a la partie haute du four, au voisinage de la surface libre du matériau en fusion, l'homogénéisation du mélange des poudres et des matériaux céramiques étant réalisée par le brassa- ge électromagnétique de la phase liquide O L'un des intérets non négligeable du procé- de, objet de l'invention, réside donc dans le fait que le chauffage par induction provoque au sein même du matériau en fusion, des courants de convection qui sont suffisants pour assurer l'homogénéisation des mé- langes de poudre et de matériau ceramique fondu et permettent de ce fait aussi bien l' apport de poudre solide que le soutirage du matériau fondu ai la surface de la phase liquide contenue dans le four. Selon une autre caractéristique secondaire, mais intéressante, de la présente invention, on remrr- plit le four lors du premier chargement à l'aide de deux matériaux que l'on sépare provisoirement par une paroi cylindrique, à savoir, entre cette paroi et cel- le du four, un premier matériau qui formera l'auto- creuset, et, à l'intérieur de la paroi cylindrique, un deuxième matériau qui sera fondu. La paroi cylindrique qui sépare ainsi les deux matériaux au moment du chargement, peut être -re- tirée purement et simplement loÈsque le remplissage est terminé ou, a fortiori, lorsque le four a atteint sa température de fusion normale * Enfin, l'amorçage de la fusion d'un matériau céramique peut se faire soit de fagon classique par chauffage au gaz, soit par introduction dans le maté- riau à fondre d'une plaque conductrices par exemple circulaire, placée sen eibleemeht dans la partie centra- le du creuset, -maintenue immobilisée et alimentée pen- dant le temps nécessaire à l'aide d'un courant à haute fréquence. Pour minimiser les pertes thermiques dans le fond du four, il est avantageux de le constituer par exemple d'une plaque de cuivre refroidie par une cir= culation d'eau ou d'une plaque de produit réfractaire. En maintenant dans le four à induction la quantité d'émaux liquides constante, on évite ainsi les préchauffages successifs qui étaient nécessaires dans l'art antérieur pour initier l'induction dans les matériaux. L'écoulement des émaux liquides est assure en continu au niveau de la surface libre de la phase liquide par llihtermédiaire duune goulotte refroidie isolée ou non, et qui traverse la spire inductriceo Sans rechercher spécialement ltoptimisation du procédé à Vaide par- exemple des rflecteurs rayonnement i nfrarouge situés au-dessus de la surface ou par un chauffage licalisé au-dessus de la goulotte, on a ainsi obtenu, selon les produits élaborés, des rendemen ts de prod Ueúon éergétique de deux à cinq fois supérieurs à ceulx des techniques de l Part ant& rieur La consommation moyenne est de 2 k Wh par kg de matière élaborée elle est donc inférieure à la con- sommation que nécessite la fabrication des mêmes pro- duits dans des fours à gaz et les prix de revient énergétiques sont inférieurs d'environ 30 %o Le procédé objet de l'invention permet donc d'obtenir à la fois un rendement énergétique de tr?-s bonne qualité, une coulée continue par débordement 8 auto-régulée, et de minimiser les moyens de préchauf- fage dans une installation qui peut fonctionner en continu pendant plusieursjours sans arrêt ni mise en route. Le procédé objet de l'invention trouve de nombreuses applications dans llélaboration d'émaux et de verres pour les industries céramiques ainsi que dans la vitrification des déchets nucléaires. De toute façon, linvention sera mieux com- prise en se référant à la description qui suit de plu- sieurs exemples de mise en oeuvre, donnés à titre pu- rement illustratif et non limitatif, faits en se réfé- rant aux figures schématiques 1 à 3 ci-jointes. La figure 1 représente en coupe schématique selon l'axe un exemple de réalisation de four apério- dique à haute fréquence objet de l'invention la figure 2 représente en coupe un exemple de four à induction muni d une paroi de séparation 256 982 cylindrique provisoire lors du chargement La figure 3 représente de façon schématique une i nstallation globale de production en continu d'éemau selon le procédé objet de l'invention. Sur la figure i on voit comment est cosnti- tué le creuset 1 du four à l'aide d'un enroulement hélicoidal d'une bande plane 2 conductrice selon une surface cylindrique Le dispositif comporte deux bor- nes d'alimentation, respectivement 3 et 4, en courant 0 haute fréquence On voit ainsi sur cette coupe diamé- trale du creuset la caracteristique essentielle de ce mode de réalisation dans lequel la spire unique cons- tituée par l'enroulement de -la bande 2 constitue en même temps le creuset de fusion des matériaux à élabo- rer Bien entendu, une disposition de ce genre néces- site un fonctionnement en autocreuset, c'est-à-dire la formation d'une croute solide de matéerlau étanche le long de la paroi interne du creuset pour assurer leétanchéite de ce dernier A cet effet, un serpentin 5, parcouru par de l'eau froide, maintient la spire et son environnement immédiat à une température suffisam- ment basse pour réaliser cette croûte isolante. Dans l'exemple de la figure 2 oi l'on re- trouve le creuset 2, on a représenté une paroi cylin- drique 6 interne au creuset 2 et qui sépare provisoi- rement, au moment du premier chargement, le matériau periphérique contenu dans la zone 7 entre le creuset 2 et la paroi cylindrique 6, destiné a former la croûte isolante (par exemple de la silice Si O 2) et l'inté- rieur 8 du creuset dans lequel on place les matériaux destinés à être fusionnés par chauffage par induction tels que par exemple des silicates La paroi cylindri- que 6 n'est utilisée que de façon provisoire au moment du premier chargement du creuset 2 et on l'enlève lorsque la croûte s'est formée et que la fusion des matériaux a commencée Dans l installation de la figure 3 e on trou- ve successivement trois récipients superposés, à savoir une trémie 9 d'alimentation en mélange de pou- dre contenant les différents composés constitutifs des matériauz z préparer, ladite poudre se déversant en permanence par une goulotte 10 dans le four à induc- tion proprement dit 1 l qui est réalisé selon la con- ception décrite sur la figure 1 précédenteo Les émaux en fusion contenus dans le four 1 l sont prélevas à la surface 12 de séparation de la phase liquide à l'aide d'une goulotte 13 éventuelle- ment elle-m 9 me refrodie, qui traverse la spire 2 du four 11. Les émaux en fusion S écoulent ensuite par la goulotte 13 de façon classique vers un bac à eau 14 pour y subir la trempe nécessaire à leur refroidisse- ment et mise en forme souhaitée. A titre d'exemple on a introduit dans la trémie d'alimentation le mélange suivant o silice 327 kg Nitrate de potassium 18 kg borax 61 kg Carbonate de sodium 33 kg minium 500 kg Nitrate de sodium 47 kg zircone 14 kg Le débit d'alimentation du four en ce mélan- ge était de 50 kg par heureo Le puissance utilisée était de 50 kw et la fréquence de 350 k H Zo Dans cet exemple on constate qu on dépense 1 kw par kilogramme de produito REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation de matériaux céra- miques par fusion par induction aà haute fréquence, dans un four sur les parois duquel se forme une croûte isolante ou autocreuset, caractéri-U rn ce que la pou- dre contenant les divers composés constitutifs du ma- tériau à préparer est introduite, en continu, dans un four électrique ( 1) à haute fréquence du type apério- dique dont la spire plate unique sert à la fois de système inducteur et de creuset froid, le matériau en fusion obtenu étant également soutiré en continu de ce four dans une goulotte ( 13) traversant la spire ( 2) o 2 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le soutirage du matériau en fusion a lieu, comme l'apport de la poudre contenant les divers constituants, à la partie haute du four, au voisinage de la surface libre du matériau en fusion, 1 lhomogé- néisation des mélanges des poudres et des matériaux céramiques étant réalisée par le brassage électroma- gnétique de la phase liquide - 3 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 20 caractérisé en ce que l'on remplit le four ( 1), lors du premier chargement, à l'aide de deux matériaux-que l'on sépare provisoirement par une paroi cylindrique ( 6), à savoir, entre cette paroi et celle du four, un premier matériau qui formera l'auto- creuset, et, à l'intérieur de la paroi cylindrique, un deuxième matériau qui sera fondu.