Brevet FR2629299A1 — publié le 19890929

SYSTEME DE BRASSAGE DE MATIERE FONDUE DESCRIPTION La présente invention se rapporte à un système de brassage de matière fondue produite dans un four à induction. La matière fondue, métal, oxyde, céramique ou verre par exemple, est versée sous forme de poudre ou de débris dans un creuset généralement cylindrique, en métal ou matériau réfractaire et qui est entouré par une spire inductrice. Dans le cas des métaux fondus, on constate que la matière fondue est le siège d'un brassage, c'est-à-dire d'un écoulement ascendant au centre et descendant à la périphérie, près du creuset. La surface libre de la matière fondue est le siège de courants radiaux divergent. Ce brassage est d'origine essentiellement électromagnétique, à cause des couplages entre le champ magnétique d'induction et les courants induits dans le métal. Dans le cas d'autres matériaux présentant une résistivité plus importante, le brasage est d'origine thermique et son sens est inversé : ascendant à la périphérie et descendant au centre. L'objectif de l'invention est de contrôler et modifier à volonté ce brassage qui a des conséquences importantes : en favorisant l'accroissement des échanges thermiques avec La paroi plus froide du creuset, il favorise une régulation thermique de la matière fondue et limite les surchauffes ; il favorise d'autre part l'homogénéisation de La matière fondue ainsi que la circulation des impuretés éventuelles vers un laitier ; par contre, il contrarie l'alimentation de poudre que l'on verse audessus de la surface libre, car celle-ci est alors rejetée vers la paroi du creuset et risque d'y demeurer. Selon le cas, on peut être amené à vouloir accélérer le brassage, ou au contraire le ralentir ou même l'inverser. L'invention permet d'arriver à ces fins, quel que soit le sens du brassage, par la création d'un champ électromagnétique supplémentaire, se superposant au champ produit par la spire inductrice, qui crée des forces localisées dans la matière fondue et favorise le brassage ou s'oppose à lui. L'invention montre également comment cette action n'a pas pour corollaire un effet nuisible par couplage électromagnétique sur les performances de chauffage par induction. L'invention adjoint au dispositif d'induction un appareillage qui engendre un champ électromagnétique polyphasé glissant exerçant des efforts localisés à une partie de la matière fondue. Ces efforts peuvent s'exercer à la périphérie de la matière fondue et sont alors verticaux ; ils peuvent aussi s'exercer favorablement à la surface libre et sont alors radiaux. L'appareillage peut être constitué en pratique par des moteurs électriques linéaires. On va maintenant représenter les différentes formes de l'invention à l'aide des figures suivantes données à titre illustratif et nullement limitatif - la figure 1 est une réalisation possible de l'invention ; - la figure 2 est une réalisation équivalente à celle de la figure 1 ; - la figure 3 est une autre réalisation équivalente à celle de la figure 1 ; - la figure 4 correspond à un autre mode de réalisation de l'invention, et - la figure 5 représente un détail de construction que l'on peut adopter pour la réalisation de la figure 4. La figure 1 représente tout d'abord un creuset 1 constitué d'un certain nombre d'éléments 2 verticaux, juxtaposés à la façon des douves d'un tonneau et creusés d'un système de refroidissement composé d'un canal d'arrivée de liquide 4 et d'un canal de sortie de liquide de refroidissement 5, canaux parallèles, verticaux, et réunis au sommet des éléments 2 par une jonction 6. Deux tuyaux circulaires 7 et 8 sont établis en bas des éléments 2 pour servir respectivement de distributeur et de collecteur aux canaux 4 et 5 de chaque élément 2 par des tuyaux de raccordement 9 et 10. Ce système de refroidissement du creuset 1 est typique pour des éléments 2 en cuivre. Dans le cas présent, le creuset 1 est compléte par une sole 11 mobile axialement vers le bas et qui permet de soutirer en continu un lingot de produit 21 fondu puis solidifié.La sole 11 est elle-même refroidie par un canal annulaire 12 dans lequel débouche un conduit d'amenée de liquide de refroidissement 13 et un canal de sortie de liquide de refroidissement 14. Une spire d'induction 15 parcourue par un courant à haute fréquence entoure La moitié supérieure du creuset 1. La matière obtenue dans ce four à induction comprend une zone de matière fondue 20, à hauteur de la spire 15, qui nous intéresse plus précisément ici et qui surmonte le lingot solidifié 21 sous la spire 15 et soutenu par la sole mobile 11. La surface supérieure libre 22 de la matière fondue 20 est représentée, conformément à l'expérience, pour un métal fondu, bombee au centre et creusée à La périphérie, près du creuset 1. En effet, les métaux fondus sont Le siège de courants ascendants au centre et descendants à la périphérie que l'on a représentés par les flèches 23 et qui se traduisent donc par un brassage de la matière fondue 20. C'est ce brassage que l'on modifie à l'aide du dispositif brasseur conforme à l'invention et que l'on va maintenant décrire. Il est référencé globalement par 30 et comprend une culasse magnétique 31 cylindrique constituée de ferrites qui entoure la spire inductrice 15. Sa périphérie interne 32 est entaillee de gorges horizontales parallèles 33-qui abritent des enroulements de fiLs conducteurs 34 parcourus par des courants polyphasés engendrés par un générateur 40.Ici, on a représenté un réseau triphasé, ce qui fait que des enroulements 34a sont parcourus par un courant éLectrique à la phase 9, d'autres enroulements 34b par un courant à la phase T +(2S1'/3), et les derniers 34c à un courant à La phase 'f+(4i?/3), et que les enroulements 34 voisins sont tous dephasés de 2 /3, le signe du déphasage étant le même quand on se déplace dans le même sens vertical. Les enroulements 34 font presque un tour complet et sont alimentés par une source extérieure à leurs extrémités 35 et 36 qui sont séparées par un isolant 37. Le dispositif brasseur 30 constitue donc en fait un moteur linéaire qui crée un champ électromagnétique glissant vers le haut ou vers le bas suivant le cas. Il faut toutefois que ce champ électromagnétique puisse traverser la paroi du creuset, c'est-a-dire les éléments 2. On travaille donc à une fréquence relativement basse. On peut préconiser des fréquences de L'ordre de 50 Hz qui correspondent à une pénétration de 1 cm dans du cuivre. Le champ électromagnétique ayant pénétré à travers le creuset dans la charge de matière fondue 20 agit à la périphérie de celle-ci. Si le champ glissant est orienté vers le haut, il induit donc des forces ascendantes à la périphérie de la charge de matière fondue 20, qui entravent donc le brassage. Suivant la puissance mise en jeu, il est ainsi possible de ralentir le brassage ou de l'inverser complètement. Ce dernier régime est recherché surtout quand on alimente l'intérieur du creuset en poudre dont il faut réaliser la fusion. Ces poudres sont alors rejetées vers le centre de la matière fondue, dans les zones les plus chaudes. On peut au contraire établir un champ glissant descendant pour accélérer le brassage. On réussit alors plus rapidement. à homogénéiser la charge de matière fondue 20 du point de vue chimique et thermique. Il est très facile de modifier le sens du champ glissant : il suffit d'inverser les phases de deux des séries d'enroulements, par exemple 34b et 34c. Ceci peut se réaliser au moyen d'un commutateur quelconque. Un problème lié à cette conception est la création de courants à haute fréquence, induits par la spire 15, dans les enroulements 34. Pour diminuer l'importance de ces courants induits, il est nécessaire d'isoler les enroulements 34 entre eux. Il est egalement nécessaire d'interposer des filtres 38 entre les extrémités 35 et 36 des enroulements 34 et l'alimentation en tension alternative à basse fréquence. On cherche à synchroniser au maximum la vitesse verticale dans la charge de matière fondue 20 Cà sa périphérie) avec la vitesse du champ glissant créé par le dispositif brasseur 30. Pour cela, le champ magnétique creé par le dispositif brasseur 30 doit être aussi élevé que possible, si possible égal à plusieurs centaines de gauss. Ceci ne peut êtré obtenu -en pratique qu'avec un courant élevé qui induit des pertes par résistance électrique. Le dispositif brasseur 30 doit donc être réfrigéré, ce que l'on réalise sur ta figure 1 à l'aide d'une hélice 39 entourant les enroulements 34 et disposee dans la culasse magnétique 31. Cette hélice 39 est parcourue par de L'eau de réfrigération.La vitesse communiquée à la périphérie de la charge de matière fondue 20 est de L'ordre de quelques centièmes de la vitesse du champ glissant créé pår le brasseur 30. Un dispositif brasseur analogue à ce lui qui vient d'être décrit mais plus performant porte la référence 50 sur La figure 2. Tout d'abord, les enroulements 34 sont chacun composés de plusieurs lames de cuivre circonférentielles 51 superposées et séparées par des feuilles isolantes 52. Le système de refroidissement comprend un distributeur inférieur 53 et un collecteur d'eau- réchauffée 54 en haut du dispositif brasseur 50. Le distributeur 53 et le collecteur 54 comprennent respectivement un tuyau 55 ou 56, pour l'alimentation ou la récupération de l'eau, ainsi qu'un canal 57 ou 58 débouchant dans le tuyau 55 ou 56. Les canaux 57 et 58 sont circonférentiels et situés respectivement juste au-dessous du plus bas des enroulements 34 et juste au-dessus du plus haut. Ils communiquent entre eux par des canaux de raccordement 59 verticaux, qui sont percés à travers les Lames conductrices 51, les feuilles d'isolant 52 et tes épaulements 60 de la culasse magnétique 31 séparant les enroulements 34 voisins. Les extrémités 35 et 36 des enroulements 34 sont composees de plusieurs broches 37, chaque broche 37 se raccordant à une lame conductrice 51 reliée à l'alimentation électrique. Comme le montre la figure 3, le dispositif brasseur unique tel que 30 ou 50 peut être remplacé par plusieurs dispositifs brasseurs 70 de même conformation générale, mais qui s'étendent chacun sur un secteur angulaire réduit et non sur toute la circonférence de la spire 15 et du creuset. Plusieurs de ces dispositifs brasseurs 70 sont alors disposés en parallèle autour de la spire 15. Le principal avantage de cette disposition est que les courants induits par la spire 15 sur les enroulements 34 sont très réduits dans ce cas. Il est donc inutile de chercher à protéger l'alimentation électrique des enroulements 34. Cependant, l'action réalisée par des brasseurs 70 sur la charge de matière fondue 20 est également plus faible, si bien que la vitesse communiquée à la périphérie de la charge de matière fondue 20 est inférieure à celle obtenue lors de l'utilisation de brasseurs tubulaires 30 ou 50. Une configuration de dispositifs brasseurs quelque peu différente est représentée figure 4. Dans ce cas, on ne recherche pas à créer une composante verticale de vitesse à la périphérie de la charge de matière fondue 20, mais une composante radiale à la surface libre supérieure 22 de cette charge. Pour cela, le dispositif brasseur qui entourait la spire 15 a été supprimé et remplacé par un dispositif brasseur 80 disposé au-dessus de la surface libre 22 et qui est composé d'enroulements 81 circulaires concentriques coplanaires et disposés dans un même plan horizontal. Comme précédemment, on crée un champ polyphasé glissant : en se déplaçant dans un même sens radial, vers l'extérieur par exemple, on rencontre successivement des enroulements 81a, 81b, 81c, puis de nouveau 81a, etc., portés à des phases T pour 81a, 9 +(2 t/3) pour 81b et S +(4 /3) pour 81c. Les enroulements 81 ne sont interrompus qu'au centre du creuset, où se rejoignent des branches radiales 82 qui servent à supporter les enroulements 81, et qui sont elles-mêmes soutenues par un poteau vertical 83 suspendu à un point fixe 84. Comme dans les autres -conceptions, un champ électromagnétique glissant peut être créé qui, suivant le cas, exerce une action qui favorise le brassage de la charge fondue en se superposant au brassage naturel de celle-ci ou la contrarie en s > y opposant. Comme pour la figure 2, chacun des enroulements conducteurs 81 peut être formé de Lames conductrices 85 séparées par des feuilles d'isolant 86, lames conductrices 85 et feuilles d'isolant 86 étant disposées verticalement (figure 5). Chaque lame conductrice 85 se termine à ses extrémités par deux broches verticales 87 et 88 qui sont reliées à une alimentation électrique. La conception de la figure 4 est cependant applicable plus spécialement aux matériaux fondus à résistivité relativement élevée, et qui nécessitent donc la création de champs magnétiques à fréquence plus élevée pour pouvoir être brassés efficacement. On utilisera donc des fréquences sensiblement plus élevées que dans les exemples précédents, de L'ordre de quelques centaines de kilohertz pour obtenir une pénétration suffisante sous la surface libre 22 de la chargé de matière fondue 20. Avec de telles fréquences, il devient impossible de placer un dispositif brasseur autour de la spire d'induction 15, car le champ magnétique ne pourait alors plus traverser La paroi du creuset 1. Quelle que soit la réalisation adoptée, elle peut cependant être appliquée pour tous les matériaux fondus, quel que soit leur sens de brassage l'influence du champ glissant produit par le dispositif brasseur est la même. REVENDICATIONS 1. Système de brassage de matière fondue (20) contenue dans un creuset (1) et chauffée par induction, caractérisé en ce qu'il comprend un appareillage générateur (30, 50, 80, 70) d'un champ électromagnétique polyphasé glissant, l'appareillage engendrant des forces localisées dans la matière fondue. 2. Système de brassage de matière fondue selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareillage est disposé autour du creuset et engendre des forces verticales dans la matière fondue localisées près du creuset. 3. Système de brassage de matière fondue selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareillage est composé de plusieurs moteurs électriques linéaires polyphasés et répartis autour du creuset. 4. Système de brassage de matière fondue selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareillage est composé d'un moteur électrique linéaire unique entourant le creuset. 5. Système de brassage de matière fondue selon la revendication 4, dans lequel le moteur électrique linéaire comprend des enroulements circonférentiels parcourus par un courant électrique de phase déterminée, caractérisé en ce que les enroulements sont formés de plaques circonférentielles superposées (51) et séparées par des feuilles d'isolant (52), plaques conductrices et feuilles d'isolant etant percées par des canaux (59) de fluide de refroidissement. 6. Système de brassage de matière fondue selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareillage (80) est placé à une extrémité Longitudinale du creuset et engendre des forces radiales dans la matière fondue, localisées principalement près de L'appareillage. 7. Système de brassage de matière fondue selon ta revendication 6, caractérisé en ce que l'appareillage est placé au-dessus de la matière fondue (20) et engendre des forces radiales localisées principalement près de la surface libre (22) de la matière fondue. 8. Système de brassage de matière fondue selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'appareillage comprend des enroulements conducteurs (81), parcourus chacun par un courant de phase déterminée et coplanaires.