Brevet FR2840821A1 — publié le 20031219

DISPOSITIF ELECTROMAGNETIQUE DE FUSION ET D 'AGITATION INTERFACIALE DE SYSTEMES DIPHASIQUES, NOTAMMENT POUR L 'ACCELERATION DE PROCESSUS METALLURGIQUES OU PYROCHIMIQUES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La presente invention concerne un dispositif de fusion et d' agitation interfaciale d'un systeme diphasique. Wile s'applique notamment a l' acceleration de processus metallurgiques ainsi quia l' acceleration de processus pyrochimiques. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les procedes metallurgiques d'elaboration ou de raffinage mettent generalement en euvre deux phases immiscibles entre lesquelles des echanges de matieres se realisent. La fusion des phases peut etre assuree de differentes manieres, par exemple par effet Joule ou par induction. L'agitation de l' interface des deux phases met en muvre des moyens mecaniques ou pneumatiques. Cette agitation est indispensable a l' acceleration des processus physicochimiques afin d'atteindre des temps d'equilibre suffisamment courts pour que les procedes soient rentables. La figure 1 est une vue schematique et partielle d'un dispositif connu, permettant de faire fondre un systeme diphasique et d'agiter l' interface de ce systeme. Ce dispositif connu comprend un creuset froid 2. Des moyens 3 de circulation d'eau permettent de refroidir ce creuset 2. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi un inducteur 4 qui entoure le creuset 2 et qui est alimente par une source 6 de courant de haute frequence, pour creer, dans le creuset 2, un champ electromagnetique de haute frequence. Ce champ engendre, dans le systeme diphasique contenu dans le creuset, des courants induits qui dissipent de la puissance par effet Joule et font fondre le systeme diphasique. Ce dernier est constitue de deux phases immiscibles, a savoir une phase inferieure 8 et une phase superieure 10, qui vent separees par une interface 12. Les lignes 14 de la figure 1 symbolisent le brassage interne de la phase inferieure 8. Ce brassage est engendre par les courants induits. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi des moyens mecaniques 16 permettant d'agiter l' interface 12. On peut envisager d'utiliser le dispositif "monofrequence" de la figure 1 avec le systeme diphasique dont la fusion conduit a une phase inferieure 8 constituee par un metal liquide et une phase superieure 10 constituee par un sel fondu. I1 est possible de fondre ces phases en utilisant le creuset froid 2 (ou un creuset chaud) mais le transfert d'especes chimiques vers la phase superieure 10 a partir de la phase inferieure 8 (qui est susceptible de contenir ces especes chimiques) ne peut etre effectue qu'avec une agitation suffisante de l' interface 12. Or des milieux constitues par les phases 8 et 10 vent susceptibles de presenter une tres forte reactivite qui empeche l' introduction d'une troisieme phase dans ces milieux et interdit done toute agitation mecanique ou pneumatique de ceux-ci. En effet, une agitation mecanique (respectivement pneumatique) conduirait a introduire un solide (respectivement un gaz) dans ces milieux. De plus, dans le cas ou le milieu inferieur 8 est metallique, il s'avere que l 'agitation electromagnetique liee a ['application d'une haute frequence se limite a ce milieu metallique et n'a pas d'effet suffisant a l' interface 12 des milieux 8 et 10. EXPOSE DE L' INVENTION La presente invention a pour but de remedier aux inconvenients precedents. Wile permet: - la fusion des phases dans un creuset froid ou un creuset chaud, - l'agitation de la phase inferieure (qui peut etre un bain metallique), - l'agitation de l' interface separant les phases, et l'agitation de la phase peu conductrice en choisissant la frequence de modulation dans la partie basse de la gamme. Dans ['invention, ces agitations vent obtenues sans contact avec les phases. En outre, l' invention permet d'agiter localement l' interface pour minimiser l'effet de barriere de transfert que constitue une sous-couche de diffusion, susceptible de se former a l' interface, et pour renouveler les especes chimiques a transferer a travers l' interface, entre les deux phases. De facon precise, la presente invention a pour objet un dispositif de fusion et d'agitation interfaciale d'un systeme diphasique, ce dernier comprenant des premiere et deuxieme phases immiscibles, separees par une interface, ce dispositif comprenant: - un creuset, destine a contenir le systeme diphasique, et - des moyens de fusion et d'agitation prevus pour la fusion des premiere et deuxieme phases et l 'agitation de l' interface de celles-ci, ce dispositif etant caracterise en ce que les moyens de fusion et d' agitation comprennent - un inducteur entourant le creuset et - des moyens d'alimentation de cet inducteur par un courant variable ayant au moins une composante, cette composante etant apte a agiter l' interface des premiere et deuxieme phases. Selon un premier mode de realisation particulier du dispositif objet de ['invention, le creuset est un creuset froid et le courant variable a des premiere et deuxieme composantes, la premiere composante ayant une premiere frequence et etant apte a faire fondre les premiere et deuxieme phases, la deuxieme composante ayant une deuxieme frequence, qui est inferieure a la premiere frequence, et etant apte a agiter l' interface des premiere et deuxieme phases. Selon un mode de real isat ion prefere de ce dispositif, les moyens dalimentation de l'inducteur vent apses a fournir un courant alternatif ayant la premiere frequence, ce courant alternatif etant module par la deuxieme frequence. De preference, les moyens d'alimentation de l'inducteur comprennent - un condensateur formant, avec l'inducteur, un circuit oscillant qui fonctionne a sa propre frequence de resonance, cette frequence de resonance formant la premiere frequence, - un generateur a induction prevu pour alimenter ce circuit oscillant, et - un generateur de fonction prevu pour imposer la modulation a la deuxieme frequence et pour fournir un courant de consigne au generateur a induction. De preference, la puissance du generateur a induction est dans l'intervalle allant de 10 kW a 300 kW. De preference, la frequence de resonance est dans l'intervalle allant de 1 kHz a 20 kHz. Cette frequence de resonance vaut, de preference, environ 14 kHz. La frequence de modulation est. de preference, dans l'intervalle allant de 0,5 Hz a 10 Hz. Selon un deuxieme mode de realisation particulier du dispositif objet de l 'invention, le creuset est un creuset chaud. Selon un mode de realisation particulier de ['invention, la frequence de composante qui est apte a agiter l' interface des premiere et deuxieme phases est choisie suffisamment basse pour que la composante soit en outre apte a agiter la deuxieme phase, lorsque cette derriere est peu electriquement conductrice, cette deuxieme phase etant au-dessus de la premiere phase. Le dispositif objet de l' invention peut comprendre en outre des moyens de maltrise des gradients thermiques a l'interieur des premiere et deuxieme phases. Ces moyens de maltrise peuvent comprendre des ecrans ou des suscepteurs. Le dispositif objet de l' invention s'applique en particulier a la fusion et l 'agitation interfaciale diun systeme diphasique dans lequel la premiere phase est un metal et la deuxieme phase est un laitier ou un sel. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La presente invention sera mieux comprise a la lecture de la description d'exemples de realisation donnes ci-apres, a titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant reference aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schematique et partielle d'un dispositif "monofrequence" connu, a creuset froid, agite mecaniquement, et a deja ete decrite, - la figure 2 est une vue schematique et partielle d'un dispositif 'rbifrequence" conforme a ['invention, a creuset froid, agite electromagnetiquement, - la figure 3 est un schema d'un exemple de moyens d'alimentation electrique de l'inducteur du dispositif de la figure 2, et - la figure 4 est une vue schematique et partielle d'un dispositif conforme a ['invention, a creuset chaud, agite electrogmagnetiquement. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Un dispositif conforme a l 'invention permet d'accelerer les echanges chimiques entre deux phases immiscibles chauffees par induction. Ce dispositif assure conjointement la fusion des deux phases, le brassage de la phase inferieure, qui est par exemple un metal liquide, et ['agitation de l' interface entre les phases. Conformement a ['invention, liensemble de ces fonctions est assure par l'utilisation d'un creuset froid alimente par un courant electrique alternatif a deux frequences, a savoir une haute frequence et une basse frequence. Il est ainsi possible, sans aucun contact avec le milieu reactionnel, d'assurer le chauffage et la fonte de la phase inferieure (phase metallique dans liexemple) grace a la composante de haute frequence du courant inducteur, le chauffage et la fusion de la phase superieure (laitier oxyde ou salin dans l'exemple) s' operant par conduction et convection, - d'assurer le brassage du bain metallique grace a la meme composante de haute frequence, et - d'assurer l' agitation de l' interface entre la phase metallique et le laitier a ['aide de la composante de basse frequence du courant. La figure 2 est une vue schematique d'un dispositif conforme a l' invention, permettant la fusion du systeme diphasique par ['application d'une double frequence. Dans ce cas, l' agitation de l' interface 12 est assuree electromagnetiquement et done sans contact. Pour realiser de maniere optimale le brassage interne et le chauffage, la haute frequence est choisie selon le critere classique suivant: 0,1 dans le metal liquide 8. L'agitation de l' interface 12 est obtenue par un choix judicieux de la composante de basse frequence du courant inducteur. Celle-ci est definie a partir des frequences propres des ondes gravito- capillaires de l' interface de la facon suivante: fb (g/2Ri) 1/2 ou fb represente la frequence de la modulation a basse frequence du courant inducteur et g l' acceleration de la pesanteur Selon la valeur precise de cette frequence de modulation, on peut choisir la longueur d'onde de deformation de l' interface 12 en fonction de ltespece a transferer et de l'etat de passivation de cette interface 12. Le dispositif de la figure 2 comprend des moyens 18 d'alimentation de l'inducteur 4. Ces moyens 18 permettent d'engendrer un courant de haute frequence qui est module par une basse frequence. Un exemple de ces moyens 18 est schematiquement represente sur la figure 3 et comprend un generateur de fonction 20, un generateur a induction 22 et un condensateur 24 forme par une batterie de condensateurs elementaires. Le systeme forme par l'inducteur 4 et le creuset froid 2 de la figure 2 est caracterise, sur la figure 3, par une resistance R et une inductance L. L'inducteur est monte en parallele avec la batterie de condensateurs 24 et forme avec cette derriere un circuit oscillant. Le generateur a induction 22 a une puissance de 100 kW et alimente ce circuit oscillant. Ce dernier travaille a sa propre frequence de resonance qui est d'environ 14 kHz. La modulation est imposee par le generateur de fonction 20. Dans liexemple de la figure 3, ce generateur 20 est du genre de ceux qui vent commercialises par la societe Metrix. Le generateur de fonction 20 fournit un courant de consigne a lientree du generateur a induction 22. On precise que ce dernier est monte en parallele avec la batterie de condensateurs 24. Le courant inducteur obtenu a ['allure classique d'un signal porteur sinusoidal, module par un autre signal sinusoidal, le signal porteur ayant la frequence propre du circuit oscillant (haute frequence) tandis que la frequence de l'autre signal sinusoidal correspond a la basse frequence mentionnee plus haut. Des etudes prealables ont ete faites pour caracteriser l' influence de divers types d'agitation sur les transferts de masse a travers une interface metal/liquide. Tout d'abord, des experiences de transfert ont ete realisees sur une poche de mercure placee dans une bobine solenoidale, parcourue par un courant electrique alternatif. Selon la frequence de ce courant, il est possible de creer dans le mercure trots types de mouvement: À un brassage electromagnetique a coeur sans oscillation de surface (f 20Hz) À des oscillations de l' interface mercure electrolyte sans brassage interne (f À un brassage interne avec oscillations de surface superposees, qui constitue un regime mixte (10 Hz c f Les experiences ont ete realisees avec une cuve de diametre egal a 178 mm et une hauteur de mercure egale a 124 mm. On a determine des coefficients d'echange obtenus en fonction de l'intensite de la vitesse du fluide, qui est proportionnelle a l'intensite du courant inducteur et lion a trouve que la frequence f egale a 14 Hz (regime mixte) donne les valeurs les plus elevees des coefficients d'echange. I1 a ete possible, a partir des mesures et de l'analyse de similitude, de formuler, pour le coefficient d'echange k, une loi semi-empirique qui est valable dans le cas de vi te s se s importantes et tel l e que: k = a(Dm/d) (pU /(pgy) /) / [1] k: coefficient dechange encore appele coefficient de transfert de masse (m/s) Dm: coefficient de diffusion de l'espece dans sa matrice liquide d: diametre de la poche, U: vitesse caracteristique du bain p: masse volumique du bain g: acceleration de la pesanteur : tension interfaciale. a est un coefficient empirique caracterisant l'efficacite de ['agitation. Les valeurs issues des experiences realisees avec du mercure sont: a de liordre de 103 pour l' agitation de surface seule, a de l'ordre de 1,3 x 104 pour ['agitation interne, a de l'ordre de 2,8 x 104 a 6,0 x 104 pour le regime mixte. Les mesures du coefficient de transfert de masse a l' interface en fonction des differents types d' agitation ont montre que le transfert le plus efficace etait obtenu dans le cas du regime mixte. Le gain de transfert varie dun facteur 2 a 5 et s'explique par les raisons suivantes: - Le brassage interne est indispensable pour renouveler les especes chimiques pres de l' interface mais il n'est pas suffisant pour rompre la barriere de diffusion. - Les ondes de surface ont pour effet de creer une agitation locale a l' interface et de diminuer l'effet de la barrigre de diffusion. De plus, des essais specifiques ont demontre que ce type d'agitation permet de briser les eventuelles couches de passivation qui perturbent l' ensemble des processus physico- chimiques de transfert. Des essais d'agitation menes a chaud ont demontre egalement la necessite d'avoir une agitation globale du bain ainsi que de l' interface. Un essai de transfert a ete realise a 750 C entre un bain metallique a base de zinc et une phase saline fluoree. Sans agitation diinterface, un grand nombre de particules metalliques vent reduites mais non transferees. Dans ce cas, ['operation de transfert n'est pas realisee et ne peut se faire dans un temps raisonnable (inferieur a 24h). Avec agitation interfaciale, les elements reductibles vent entierement transferee vers la phase metallique. Dans ce cas, l' operation de transfert est realisee en quelques minutes. Les memes observations ont ete realisees avec l' utilisation d' alliages Al-Cu et le sel LiF-CaF2. On a egalement verifie que l'utilisation de la vole electromagnetique evite l' inclusion d'elements de contamination provenant de systemes d'agitation . mecanlque. Une etude approfondie des phenomenes physicochimiques qui se produisent dans ces milieux diphasiques a demontre la possibilite de voir appara1tre, a l' interface, des couches de passivation induisant des phenomenes galvaniques de part et d'autre de l' interface. Ainsi, des elements peuvent etre reduits directement au sein du sel par transfert electronique, sans qu'il y ait transfert de ces elements vers la phase metallique. On se retrouve alors dans le cas d'une phase saline chargee en especes metalliques reduites n'ayant pas decantees vers la phase metallique. Le fait de mettre en oeuvre une agitation interfaciale empeche la formation de ces couches passivantes et permet l'epuration totale de la phase saline. Cela met en evidence l'absolue necessite d'entretenir une agitation interfaciale afin d'epurer totalement l'une des deux phases. On a estime numeriquement la vitesse caracteristique U d'un bain d'acier liquide contenu dans un creuset froid de 60 mm de diametre, engendrant un dome statique d'une hauteur H de 30mm: U 0,4 (gH) 1/2 = 0, 22 m/s. Pour = 1,7 N/m et p = 7200kg/m3, la relation semi-empirique [1] fournit une estimation du coefficient d'echange: k = 9,3 x 10-4 m/s. Ainsi, pour une hauteur de bain de 60 mm, il est possible de deduire le temps caracteristique de transfert de masse T tel que: T = V/(kS) 64 s ou V represente le volume du bain et S l'aire de ['interface et _ est pris egal a 2,8 x 10-4. Il est aussi possible de determiner la frequence optimale pour le transfert de masse. Pour cela et au vu des arguments qui precedent, il faut exciter des ondes d' interface dont la longueur d'onde est voisine de la longueur capillaire qui est telle que: = (/(pg))1/2. est egale a 5 mm pour l'acier liquide. Aussi est-il possible d'en deduire la frequence de modulation f pour exciter le mouvement de surface: f = (1/(2)) x (g/)1/2 7 Hz. I1 est important de souligner que la presente invention, qui associe un creuset froid et une haute frequence modulee par une basse frequence, est digne d'interet pour ['ensemble des activites metallurgiques d'elaboration d'alliages ou d'affinage ainsi que pour les procedes pyrochimiques avances d' extraction et de separation. Wile presente effectivement ['ensemble des avantages lies a l'utilisation d'un creuset froid-sans qu'aucune agitation mecanique ne soit mise en oeuvre. Ainsi, ['ensemble des problemes de pollution ou de corrosion lies a l'utilisation d'une agitation mecanique ou pneumatique est resolu. En outre, la geometric, l'intensite et les frequences du champ des forces electromagnetiques peuvent etre choisies en fonction des effete recherches. De plus, il est possible d'ajouter au dispositif conforme a l' invention, que l'on volt sur la figure 2, des elements tels que des ecrans ou suscepteurs 26 (figure 2), places de maniere a mieux controler les gradients thermiques a l'interieur du bain metallique 8 et du laitier 10. La presente invention n'est pas limitee a l 'agitation electromagnetique diun systeme diphasique dans un creuset froid. Wile s'applique egalement a ['agitation electromagnetique d'un systeme diphasique dans un creuset chaud. Cette derriere application est schematiquement illustree par la figure 4 ou lion volt un creuset chaud 28, muni de moyens 30 de circulation d'eau permettant de refroidir ce creuset chaud 28. Ce dernier est entoure d'une resistance electrique chauffante, qui est schematisee par les traits R et alimentee par une source de courant non representee. Cette resistance permet de chauffer le creuset 28 par effet Joule et done de faire fondre le systeme diphasique (phases 8 et 10) contenu dans ce creuset. Le dispositif de la figure 4 comprend aussi un inducteur 32 qui entoure le creuset 28 et qui est alimente par une source 34 de courant de basse frequence. Grace a cet inducteur 32, on cree, dans le creuset, un champ electromagnetique de basse frequence, permettant l' agitation de l' interface entre la phase inferieure 8 (par exemple une phase metallique) et la phase superieure 10 (par exemple un sel fondu). La frequence utilisee est choisie dans l'intervalle allant de 0,5 Hz a 10 Hz. Au lieu de munir le creuset 28 de la resistance chauffante R. on peut placer ce creuset dans un suscepteur S. par exemple en graphite, lui meme place dans l'inducteur 32, et alimenter cet inducteur 34 par une source 36 de courant a deux frequences, du genre des moyens (ou source) 18 decrits plus haut, en vue d'une part de chauffer le creuset 28 par induction (au moyen de la frequence la plus haute), pour que ce dernier chauffe alors le systeme diphasique qu'il contient, et d'autre part, d'agiter l' interface des deux phases du systeme (au moyen de la frequence la plus basse). On precise en outre que lion peut agiter la phase superieure 10, lorsque cette derriere est peu electriquement conductrice, grace a la basse frequence fournie par la source 18 ou 34 ou 36, si cette basse frequence est choisie dans la gamme allant de 0,5 Hz a Hz. REVENDICATIONS 1. Dispositif de fusion et d'agitation interfaciale diun systeme diphasique, ce dernier comprenant des premiere et deuxieme phases immiscibles, separees par une interface, ce dispositif comprenant: - un creuset (2, 28), destine a contenir le systeme diphasique, et - des moyens de fusion et d'agitation prevus pour la fusion des premiere et deuxieme phases et l 'agitation de l' interface de celles-ci, ce dispositif etant caracterise en ce que les moyens de fusion et d'agitation comprennent: un inducteur (4) entourant le creuset et - des moyens (18) dalimentation de cet inducteur par un courant variable ayant au moins une composante, cette composante etant apte a agiter linterface des premiere et deuxieme phases. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le creuset est un creuset froid (2) et le courant variable a des premiere et deuxieme composantes, la premiere composante ayant une premiere frequence et etant apte a faire fondre les premiere et deuxieme phases, la deuxieme composante ayant une deuxieme frequence, qui est inferieure a la premiere frequence, et etant apte a agiter l' interface des premiere et deuxieme phases. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens (18) d'alimentation de l'inducteur vent apses a fournir un courant alternatif ayant la premiere frequence, ce courant alternatif etant module par la deuxieme frequence. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les moyens d'alimentation de l'inducteur comprennent - un condensateur (24) formant, avec linducteur (4), un circuit oscillant qui fonctionne a sa propre frequence de resonance, cette frequence de resonance formant la premiere frequence, - un generateur a induction (22) prevu pour alimenter ce circuit oscillant, et - un generateur de fonction (20) prevu pour imposer la modulation a la deuxieme frequence et pour fournir un courant de consigne au generateur a induction. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la puissance du generateur a induction (22) est dans l'intervalle allant de 10 kW a 300 kW. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel la frequence de resonance est dans l'intervalle allant de 1 kXz a 20 kHz. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 a 6, dans lequel la frequence de la modulation est dans l'intervalle allant de 0,5 Hz a Hz. 8. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le creuset est un creuset chaud (28). 9. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la frequence de la composante qui est apte a agiter l' interface des premiere et deuxieme phases est choisie suffisamment basse pour que la composante soit en outre apte a agiter la deuxieme phase, lorsque cette derriere est peu electriquement conductrice, cette deuxieme phase etant au-dessus de la premiere phase. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 9, comprenant en outre des moyens (26) de maltrise des gradients thermiques a l'interieur des premiere et deuxieme phases. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel ces moyens de maltrise comprennent des ecrans ou des suscepteurs (26). 12. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 11 a la fusion et l' agitation interfaciale d'un systeme diphasique dans lequel la premiere phase (8) est un metal et la