Brevet FR2835601A1 — publié le 20030808

CREUSET DE FOUR A INDUCTION DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un creuset de four à induction. La structure de tels creusets comprend essentiellement une sole en béton réfractaire sur laquelle est installée une paroi latérale (le creuset froid) entourée par un bobinage inducteur où circule un courant électrique haute fréquence source de la puissance produite à l'intérieur du creuset pour fondre la matière qui y est présente. Ils sont principalement utilisés pour l'élaboration de verres, les refusions de verres, les incinérations de déchets organiques sur un bain de verre en fusion, la vitrification de déchets ou d'effluents liquides radioactifs et la fusion de corps réfractaires. Les secteurs industriels susceptibles surtout de faire appel à eux sont l'industrie de traitement des déchets y compris nucléaires et dangereux et l'industrie verrière. La paroi latérale du creuset est normalement en matière métallique perméable aux champs magnétiques. Elle contient un circuit de refroidissement à liquide pour que premièrement la paroi résiste aux températures très élevées atteintes pour fondre des matières réfractaires comme le verre et deuxièmement compenser les pertes électriques par effet joule dues aux courants induits. De plus, elle est normalement divisée en secteurs verticaux, joints par leurs faces transversales en intercalant une matière isolante électrique, pour limiter les courants induits dans la paroi qui produiraient des pertes thermiques et un découplage électromagnétique entre l'inducteur et le contenu du creuset. Les secteurs verticaux sont disposés à la façon des douves d'un tonneau. Le circuit de refroidissement est usuellement composé de canalisations verticales forées dans chacun des secteurs. Les secteurs de la paroi latérale du creuset doivent être maintenus ensemble. Un premier moyen consiste à les entourer d'un bandage circulaire réalisé avec du ciment, du tissu de verre imprégné d'élastomère ou de la résine époxy. Un autre moyen, qui offre une cohésion plus grande, consiste à souder les secteurs les uns aux autres au-dessus de l'inducteur où l'intensité du champs magnétique est plus faible. Les creusets connus souffrent d'insuffisance qu'on peut détailler comme suit. Tout d'abord, des arcs électriques peuvent apparaître entre les secteurs de la paroi latérale malgré la séparation par les isolants électriques. Ils sont par exemple causés par des poussières carbonées issues des combustions, ou par des lacs de sulfate au dessus des bains de verre et peuvent endommager et détruire l'isolant électrique placé entre les secteurs ou même percer les secteurs eux-mêmes. Les courts-circuits électriques sont aussi nuisibles à une bonne utilisation de l'énergie d'induction. Dans de nombreuses applications, des atmosphères corrosives aux hautes températures sont produites, qui endommagent les secteurs ou obligent à les construire avec des matériaux ayant des resistivités électriques élevées augmentant fortement les pertes électriques du creuset froid. Enfin, les modes d'assemblage connus ne permettent pas d'assembler des secteurs avec une grande précision, c'est-à-dire avec des jeux fonctionnels constants sur toute la hauteur de la structure. En effet, le soudage produit des dilatations thermiques et des déformations permanentes qu'il est difficile de prévoir. L'assemblage par un bandage extérieur est aussi sujet à se déformer pendant le fonctionnement et ne garantit pas un couple de serrage et un ajustement précis sur tout le périmètre du creuset. Ces procédés font donc apparaître des contraintes internes dommageables sur la structure ou au contraire des défauts de cohésion qui nuisent à l'étanchéité du creuset aux gaz. C'est pour remédier à ces inconvénients qu'un nouveau genre de creuset de four à induction est proposé comme l'invention. Il se caractérise avant tout par des secteurs verticaux différents et assemblés de manière différente des exemples connus de réalisation. Plus précisément, les secteurs sont revêtus de céramique au moins sur des faces intérieures et des faces latérales ; et ils sont munis de pattes d'assemblage à une bride supérieure qui leur est commune, les pattes et la bride étant assemblées par des vis. La réalisation du creuset selon l'invention présente par ailleurs l'avantage d'être facilement démontable : grâce à un tel montage des secteurs au moyens de vis, il est possible de démonter chacun d'entre eux indépendamment des autres, en particulier pour des opérations de maintenance ou lorsque l'un des secteurs est endommagé. Les couches de céramique isolantes électriques empêchent la formation d'arcs électriques et protègent aussi la matière principale des secteurs des atmosphères corrosives. Elles ne peuvent toutefois être envisagées qu'en renonçant à un assemblage soudé, car le soudage produirait des échauffements excessifs qui détruiraient localement la céramique, et les défauts de position des secteurs pourraient engendrer des compressions locales des céramiques entraînant des fissurations voire même leur destruction. L'assemblage par vissage est au contraire précis et ne produit aucune contrainte mécanique ou thermique. L'invention sera maintenant décrite plus en détail et sous tous ses aspects en liaison aux figures : - la figure 1 représente un creuset soudé conformément à l'art antérieur, les figures 2 et 3 illustrent une réalisation de l'invention, - et les figures 4 et 5 illustrent le mode de fabrication du creuset. Se reportant à la figure 1, la sole de béton porte la référence 1, la paroi latérale la référence 2, ses secteurs la référence 3, les couches intermédiaires d'isolants électriques la référence 4, et les spires de l'inducteur la référence 5. Les détails de construction et d'agencement de ces éléments sont conformes à la description précédente. La partie latérale 2 n'est que partiellement représentée, mais il est clair qu'elle s'étend sur un cercle ou un tour complet, comme pour tout autre creuset y compris ceux de l'invention. Chacun des secteurs 3 est creusé d'un circuit de refroidissement 6 s'étendant sur quasiment toute sa hauteur et composé ici d'une paire de conduits parallèles verticaux et se joignant en bas des secteurs 3 (un seul de ces conduits étant visible dans la représentation en coupe). Des perçages 7 et 8 d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement font communiquer les conduits à l'extérieur de secteurs 3 et ils débouchent dans des collecteurs 9 et 10 superposés appartenant à une même bride 11 à laquelle les secteurs 3 sont soudés par un cordon 12 circulaire à leur bord externe supérieur. Même avec cette soudure, il est possible d'ajouter à la structure un bandage extérieur 13 sous la bride 11 pour améliorer la cohésion de la paroi latérale 2 et assurer une étanchéité au gaz. Les inconvénients mentionnés auparavant des deux modes d'assemblages de la paroi latérale 2 ne disparaissent pourtant pas si ces modes sont combinés. Une réalisation de l'invention sera dorénavant décrite à l'aide des figures 2 et 3. Les secteurs de la paroi latérale portent la référence 20. Ils ont la même forme extérieure et sont encore traversés par une paire de conduits d'un circuit de refroidissement 21 dont les extrémités débouchent à l'extérieur par des tubes 23a et 23b (figure 3). Mais contrairement à la réalisation connue, les secteurs 20 de l'invention ne sont pas nus mais couverts d'un revêtement 22 de céramique qui peut être choisie parmi les compositions à base d'alumine, de mullite, de cordiérite, des zircons, des zircones, ou des zirconates, différents additifs pouvant être ajoutés d'après les contraintes thermiques, chimiques et électriques que le creuset aura à affronter. Il est préconisé de couvrir au moins la face intérieure 24 des secteurs 20 et leurs faces latérales 25 et 26, qui sont les faces soumises à la corrosion et à l'apparition des arcs électriques ; toutefois, il n'est pas mauvais de couvrir aussi la face extérieure 27, ce qu'on a représenté ici. Comme les agressions chimiques ou les risques de courts-circuits électriques qui pourraient justifier l'emploi de la couche 22 proviendraient des gaz séjournant au dessus de la matière fondue et des particules et des envolées entraînées dans ces gaz plutôt que de la matière fondue elle-même, puisqu 1 une fonction de ces creusets"froids"est de maintenir une épaissseur solide du contenu du creuset sur la paroi latérale, le revêtement 22 s'étend jusqu'au sommet des secteurs 20. Son épaisseur est comprise entre 50 um et 500 m suivant les applications. Une disposition complémentaire utile pour réduire la probabilité d'arcs électriques, tout en permettant une meilleure adhérence du revêtement 22, est de supprimer les arêtes vives entre les faces 24 à 27 des secteurs 20 : ici, les arêtes 28 et 29 (entre la face intérieure 24 et les faces latérales 25 et 26) ont été arrondies à un rayon de courbure pouvant être d'un à cinq millimètres, et les arêtes 30 et 31 (entre la face extérieure 27 et les faces latérales 25 et 26) ont été chanfreinées, sans qu'aucune de ces solutions soit préférée. Se reportant plus spécialement à la figure 3, on voit que la bride 11 a disparu et que les circuits de refroidissement 21 ne sont pas associés à des collecteurs tels que 9 et 10 adjacents au creuset mais sont complètement distincts, les tubes 23a et 23b se prolongeant à l'extérieur. Les secteurs 20 comprennent une patte 32 supérieure, également en secteur de cercle qui surplombe la face extérieure 27. Elle comprend une entaille 33 s'ouvrant sur l'extérieur. Une bride 34 plate de forme circulaire est posée sur toutes les pattes 32 et comprend des taraudages 35. Des vis 36 sont engagées dans les taraudages 35 à travers les entailles 33 et appuient par-dessous les pattes 32, qu'elles retiennent contre la bride plate 34. Ainsi, les secteurs 20 sont maintenus en place et forment un ensemble unique. Un bandage extérieur 37 peut être ajouté pour assurer l'étanchéité du creuset à l'air et rendre l'assemblage encore plus ferme, sans toutefois être indispensable ; il peut être en tissu en verre plein imprégné d'élastomère ou en résine époxy. Enfin, des couches d'isolant électrique 38, en mica par exemple, peuvent être introduites entre les faces latérales 25 et 26 de secteurs 20 voisins. Une dernière disposition, rendue possible par la bride plate 34, consisterait à ajouter un couvercle 39 posé sur elle et retenu par des serrejoints 40 aux vis 41 engagées dans des taraudages de la bride plate 34 afin de confiner le continu du creuset et assurer une parfaite étanchéité. On a déjà mentionné que l'ajustement précis et invariable des secteurs 20 qu'offre l'assemblage à vis et la bride plate 34 permet de revêtir les secteurs 20 de céramique sans risque pour celle-ci. Il convient maintenant de décrire un procédé d'assemblage de la paroi latérale qui permet de ne pas exposer la céramique à des dommages même à ce moment : c'est ce qu'on fait en se reportant aux figures 4 et 5. Les secteurs 20, après avoir été usinés à une précision suffisante aux endroits nécessaires (notamment à la face inférieure, posée sur la sole 1 de béton, à la face supérieure des pattes 32 et aux faces latérales 25 et 26) et revêtus de céramique par un dépôt au plasma et un polissage à l'abrasif, sont grossièrement placés sur la bride plate après avoir été retournés, un coin de centrage conique 42 est posé sur eux, et des colliers de serrage 43 sont engagés autour d'eux et serrés pour les approcher jusqu'à ce qu'ils touchent tous le flanc conique du coin 42. Les couches d'isolant électrique 38 ont déjà été intercalées. En fonction de la hauteur du coin 42 et du serrage des colliers 43, le diamètre de la paroi latérale et sa précontrainte peuvent être réglés. Les vis 36 sont alors serrées pour joindre les pattes 32 à la bride plate 34 située sous elles. L'assemblage est alors complété. Le bandage 37 peut être formé d'abord par les enroulements 371 situés entre les colliers de serrage 43, puis par les enroulements complémentaires quand les colliers des serrages 43 ont été retirés. Cette pose du bandage en deux temps permet de ne pas relâcher la précontrainte de la paroi latérale en desserrant prématurément les colliers 43. REVENDICATIONS 1) Creuset à four à induction comprenant une paroi latérale (2) composée essentiellement de secteurs (20) verticaux accolés, caractérisé en ce que les secteurs sont revêtus (22) de céramique au moins sur des faces intérieures (24) et des faces latérales (25,26) et munis de pattes (32) d'assemblage à une bride supérieure, et en ce que les pattes et la bride sont assemblées par des vis (36). 2) Creuset de four à induction suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les secteurs sont aussi revêtus de céramique sur des faces extérieures (27). 3) Creuset de four à induction suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la céramique a une base choisie parmi la mullite, l'alumine, la cordiérite, le zircon, la zircone, et le zirconate. 4) Creuset de four à induction suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les faces des secteurs qui sont revêtues de céramique sont unies par des arêtes arrondies ou chanfreinées (28,29, 30,31). 5) Creuset de four à induction suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pattes sont situées extérieurement aux secteurs et la bride (34) est plate et posée sur les pattes.