Brevet FR2751738A1 — publié le 19980130

FOUR DE FUSION PAR INDUCTION DIRECTE EN CREUSET FROID DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne la fusion par induction directe, en creuset froid de grande capacité, de nombreux matériaux de haute pureté, ou très corrosifs, tels que des oxydes, des verres, des phosphates, des métaux. Art antérieur et problème posé Actuellement, l'élaboration par fusion de nombreux matériaux, tels que ceux énoncés ci-dessus, peut être effectuée dans des fours à creuset métallique sectorisé, refroidi, tels que ceux décrits dans la demande de brevet français FR-2 497 050 et la demande de brevet européen EP-0 528 025, où le matériau à élaborer est chauffé par induction. En référence à la figure 1, le four décrit dans le document EP-A-0 528 025 est un four de fusion en continu de mélanges d'oxydes, par induction directe à haute fréquence, à temps d'affinage très court et à faible consommation en énergie. Il est constitué d'une cuve 2 comprenant un creuset métallique 3 sectorisé, à double paroi et refroidi par une circulation d'eau, et une sole 4 sectorisée en métal et refroidie également par circulation d'eau. La sectorisation d'un tel creuset permet d'éviter le phénomène de cage de Faraday qui rendrait inefficace l'inducteur extérieur. Le bain de matériau fondu 1 est donc contenu à l'intérieur du creuset 3. Un inducteur 5, alimenté en courant alternatif haute fréquence entoure le creuset 3. Un système de débordement du produit fondu est placé au centre et est constitué d'une buse de sortie 6 verticale, surmontée d'une cloche 7. Une entrée d'air à débit contrôlé 9 est prévue dans le toit, ainsi qu'un tuyau de sortie des gaz polluants 8 et qu'une alimentation continue et dosée 14 du matériau à fondre. Une buse de vidange totale 12 est prévue dans la sole 4, ainsi qu'un ou plusieurs thermocouples 11 dans le bain de fusion 1. Le courant alternatif de fréquence élevée circulant dans l'inducteur 5 crée un champ électromagnétique générant des courants induits dans le matériau fondu 1, ces courants induits dissipant la puissance par effet Joule. Le creuset froid 3 est généralement de forme cylindrique et est constitué de secteurs juxtaposés et isolés électriquement les uns des autres, dans le but d'être transparent aux champs électromagnétiques crées par l'inducteur 5. Ce type de four dont la capacité est de l'ordre de 100 kg/h présente quelques inconvénients qui rendent difficile l'extrapolation vers une capacité de production au-dessus de 200 kg/h. Ces inconvénients sont - la difficulté de réaliser des creusets froids de grands diamètres sectorisés et complexes dont le coût de fabrication est élevé. - la présence d'un champ électromagnétique à l'extérieur du four qui peut perturber les appareils électroniques de contrôle et/ou de commande et qui rend difficile le respect des normes sur les champs électromagnétiques ; - le chauffage du matériau plutôt dans le haut et vers l'extérieur du bain de fusion, ce qui conduit à l'existence d'une zone froide au fond et au centre du bain ; cette hétérogénéité qui s'accroît quand le diamètre du four augmente ; et - le risque d'amorçage d'arcs électriques entre les différents secteurs du creuset froid. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en présentant un four à induction de type différent. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un four de fusion par induction directe en creuset froid, comprenant - un creuset froid métallique non sectorisé dans lequel un matériau à fondre est placé ; et - au moins un inducteur pour créer à l'intérieur du creuset froid des courants induits dans le matériau placé dans le creuset froid. Selon l'invention, l'inducteur est placé à l'intérieur du volume défini par le prolongement vers le haut et vers le bas du creuset froid. Il comprend, de préférence, un toit métallique et une base qui prolongent le creuset et forment avec lui une cage de Faraday à l'intérieur de laquelle se trouve l'inducteur. Dans une première réalisation, l'inducteur est placé en dessous d'une sole sectorisée, métallique ou non, refroidie et au-dessus de laquelle est placé le matériau à fondre. Dans ce cas, l'inducteur est constitué de une ou de plusieurs spirales. Dans une deuxième réalisation, l'inducteur est placé dans un petit creuset central sectorisé placé lui-même au centre du creuset froid, au-dessus de la sole. Dans les deux réalisations, la sole peut être constituée, de préférence, d'éléments en matériaux bons conducteurs de la chaleur et mauvais conducteurs électriques. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée des différentes figures représentant respectivement - figure 1, en coupe, un four de l'art antérieur - figure 2, en coupe, un four selon l'invention dans une première réalisation ; - figure 3, en vue de dessous, l'inducteur du four de cette première réalisation ; et - figure 4, en coupe, un four selon l'invention dans une deuxième réalisation. Description détaillée de deux réalisations de l'invention En référence à la figure 2, le four selon l'invention comporte cinq parties principales qui sont un creuset 11, un inducteur 20, une base 17, une sole 12 et un toit 13. Le creuset froid est constitué d'une virole verticale 11, en métal refroidi, placée au-dessus de la sole horizontale 12, refroidie et transparente au champ. Cet ensemble est placé sur une base 17 en forme de cuve. Il est surmonté d'un toit 13 comportant différents orifices d'accès qui sont un orifice d'entrée 15 des matériaux et une cheminée d'évacuation 14 des gaz de combustion. La sole possède un orifice de sortie 16 des matériaux fondus complété d'une trappe 21 placée juste en dessous. De même, la base 17 peut comporter un orifice de sortie 18 des matériaux fondus. Dans cette réalisation, on place au moins un inducteur 20 sous la sole 12 et à l'intérieur de la cuve 17. La virole verticale 11 et la sole 12 sont conçues pour permettre la circulation d'un liquide de refroidissement schématisée par les deux conduites 22. Le creuset et, en particulier, la virole verticale 11 sont de préférence de forme cylindrique, mais peuvent avoir d'autres formes, telles qu'une section rectangulaire, hexagonale, par exemple. L'absence de sectorisation de la virole verticale 11 du creuset élimine tout risque d'amorçage électrique entre des secteurs, même en cas de condensation de liquides conducteurs sur les parois froides, par exemple de l'acide. L'inducteur 20 peut être, par exemple, en forme de spirale, placé sous le bain de fusion 10, en dessous de la sole 12. Cette dernière est transparente au champ électromagnétique représenté en traits mixtes et créé par l'inducteur 20 pour améliorer le rendement de transmission de l'énergie de l'inducteur vers le bain fondu. La sole 12 peut être constituée d'un matériau bon conducteur thermique, mais mauvais conducteur électrique, tel que le carbure de silicium. Le diamètre extérieur de l'inducteur 20 peut être nettement plus faible que celui du creuset 11 pour que le champ électromagnétique soit faible près du creuset 11, ce qui conduit à abaisser la température du bain fondu près du creuset 11 et donc à réduire les pertes thermiques vers celui-ci. En référence à la figure 3, pour les fours de très grande dimension, c'est-à-dire très larges, il est possible d'utiliser plusieurs inducteurs. Par exemple, si le four a une section formée d'une association de trois cylindres 23, il est possible de placer sous chaque cylindre 23 un inducteur 20 en spirale, l'inducteur 20 étant alimenté par deux connecteurs électriques 22. On peut concevoir ainsi un four à plusieurs zones, la température de chaque zone étant contrôlée de façon indépendante, ce qui permet, par exemple, d'obtenir des températures d'élaboration et de coulée différentes. En référence à la figure 4, dans une deuxième réalisation principale de l'invention, l'inducteur 30 peut être de forme solénoïdale. Dans ce cas, il est placé au centre du creuset froid, au milieu du bain de fusion et, en particulier, à l'intérieur d'un petit creuset froid central sectorisé formé d'une virole centrale 33 et d'un couvercle 34. La virole interne centrale 33 est sectorisée, tout comme la sole 32. Chacun de ces éléments est alimenté par une circulation de fluide de refroidissement. L'inducteur 30 est donc placé à l'intérieur de ce petit creuset froid central, le champ magnétique étant établi radialement par rapport à l'axe du four, comme l'indique les circuits schématisés par des traits mixtes. La virole verticale externe 31 du creuset peut être complétée par un orifice de sortie 35 du matériau en fusion, complété d'une trappe de sortie 36. La virole interne centrale 33 est sectorisée pour éviter le phénomène de cage de Faraday, évoqué dans les fours selon l'art antérieur. Ce type de four représenté sur la figure 4 permet de chauffer, en particulier, le centre du bain de fusion 38 et de limiter au maximum les pertes thermiques sur le creuset froid extérieur et, en particulier, sur la virole verticale externe 31 de celui-ci. Les pertes thermiques sur le petit creuset intérieur, constitué principalement de la virole interne 33, sont limitées par la dimension réduite de celle-ci. De manière générale, selon l'invention, l'inducteur 20 ou 30 est placé à l'intérieur du volume défini par le creuset 11 ou 31 et ses prolongements vers le haut et vers le bas. Quelque soit le mode de réalisation de l'inducteur, le champ magnétique relatif à celui-ci se reboucle à l'intérieur du creuset froid 11 ou 31, dans le bain de fusion 10 ou 38. Le creuset froid 11 ou 31 peut donc être prolongé en haut et en bas par l'enceinte métallique constituée de la base 17 ou 37, de façon à éviter toute fuite de champ électromagnétique vers l'extérieur. A titre d'exemple de la première réalisation décrite figure 2, un creuset métallique continu refroidi par eau de 1 m de diamètre et de 0,2 m de hauteur a été réalisé. Il est posé sur une sole froide constituée de trente tubes de carbure de silicium de 14 mm de diamètre extérieur, placés les uns à côté des autres. Les tubes de carbure de silicium sont refroidis par eau. Un inducteur en spirale de 0,8 m de diamètre extérieur est constitué de quatre spires concentriques et placé sous les tubes en carbure de silicium. Il est alimenté par un courant alternatif de fréquence 360 kHz, sous une tension de 12 kV. Pour une puissance de 120 kW appliquée à l'inducteur, un tel four permet de fondre un verre silicoboraté à 1 3500C avec une capacité de fusion de 100 kg/h. REVENDICATIONS 1. Four de fusion par induction directe en creuset froid, comprenant - un creuset froid (11, 31) métallique, dans lequel un matériau à fondre est placé (10, 38) i et - au moins un inducteur (20, 30) pour créer à l'intérieur du creuset froid des courants induits dans le matériau placé dans le creuset froid, caractérisé en ce que l'inducteur (20, 30) est placé à l'intérieur du volume défini par le creuset (11, 21) et son prolongement vers le haut et vers le bas. 2. Four de fusion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une base (17, 37) et un toit (13) métallique qui le prolongent et forment avec le creuset (11, 31) auquel ils sont connectés une cage de Faraday à l'intérieur de laquelle se trouve l'inducteur (20, 30). 3. Four de fusion selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'inducteur (20) est placé en dessous d'une sole (12) sectorisée, refroidie et au-dessus de laquelle est placé le matériau à fondre (10) 4. Four de fusion selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'inducteur (20) a une forme en spirale. 5. Four de fusion selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'inducteur (30) est placé dans un petit creuset central sectorisé (33, 34) au centre du creuset froid (31, 37) et au-dessus d'une sole (32), au-dessus de laquelle est placé le matériau à fondre (38). 6. Four de fusion selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une sole (12, 32) constituée d'éléments en matériaux bons conducteurs de la chaleur et mauvais conducteurs de l'électricité.