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FOUR A INDUCTION a HAUTE ET A BASSE FREQUENCE.
L'invention concerne des fours électriques à induction pour des fréquences quelconques allant des basses fréquences jusqu' aux plus hautes fréquences et pour du courant monophasé ou polyphasé
Pour que l'invention soit mieux comprise, on partira du mode de réalisation, généralement usité jusqu'ici, d'un four à in- duction sans fer dont la fig, 1 est une coupe verticale.
Le four représenté dans la fig,l et fonctionnant presque toujours à haute fréquence comporte une bobine 1 en tube de cuivre de section presque toujours carrée,dont les spires sont isolées entre
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elles sur tout le pourtour, ou seulement par endroits, au moyen d'un isolant approprié 2, en carton comprimé par exemple, ou en mica im- prégné de vernis. A l'intérieur de cette bobine se trouve ordinaire- ment un cylindre en amiante 3 à l'intérieur duquel est monté un creu- set 4 en matière dont la composition est adaptée à celle de la matière à chauffer ou à faire fondre. L'arrivée du courant est assurée par des bornes de branchement 6.
La bonime en tube de cuivre 1 est traversée par de l'eau de refroidissement qui évacue les pertes électriques, tran formées en chaleur, de la bobine de cuivre, ainsi que la chaleur qui sort de l'intérieur du creuset.
Si le creuset contient par exemple des matières d'usinage à faire fondre ou un bain de fusion 5, et si la tension alternative né- cessaire, comprise par exemple entre 500 et 2500 volts, est appliquée aux bornes 6 de la bobine de cuivre 1, la masse du creuset 4 travaille, sous l'action du bain de fusion, non seulement mécaniquement et le cas échéant chimiquement, mais aussi très fortement électriquement.
Ce travail électrique provient de ce que la tension de régime appliquée
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entre borne supérieure et la borne tend aussi faire entre borne supérieure borne tend faire passer courant en dérivation par fufle bobine ausai par faire tra- passer un courant en dérivation par ra ort à la bobine 1, par le tra- jet de résistance minima â partir de l'extrémité supérieure de la bo- bine le long de la ligne A jusqu'au bain de fusion 5 (qui représente un court-circuit), et à partir du bain de fusion le long de la ligne inférieure A jusqu'à l'extrémité inférieure de la bobine, et inverse- ment. Une partie du travail électrique est bien théoriquement absorbée par la garniture intérieure en amiante 3, mais en service pratique l'action de la garniture intérieure en amiante est négligeable.
Le creuset, qui est généralement en matière tassée, subit donc à chacun des deux points A l'action de la moitié de la tension du four. Si la
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résistance de la matière qui constitue le creuset est minime, il se forme bientôt une dérivation bonne conductrice dans laquelle il passe parfais plus de courant que dansla bobine elle-même. Il y a en outre entre les différentes spires de la bobine, suivant la tension totale appliquée ( de 250 à 2500 voltspar exemple), une tension de 10 à 100 volts par exemple, qui fait travailler électriquement la masse du creuset dans le voisinage de deux spires, de sorte que les dériva- tions indiquées en B peuvent se p[roduire à travers la paroi du creu- set et passer-d'une spire à l'autre.
De telles dérivations ont pour conséquence qu'il se produit dans la masse du creuset , par exemple aux pointsA, A et B, des fu- sions qui aboutissent, à des décharges disruptives et à une destruction dangereuse du creuset. La production de décharges électriques disrup- tivea est facilitée par le fait que la masse du creuset devient pres- que toujours bonne conductrice aux hautes températures et en outre qu'elle contient. souvent des impuretés métalliques. Chaque décharge disruptive nécessite au moins une réparation du creuset, et presque toujours il faut démonter le creuset et le remplacer.
Une décharge disruptive devient dangereuse lorsque l'arc qui se produit fait un trou dans la bobine et que de l'eau de refroidissement circulant dans celle-ci jaillit dans le bain de fusion.
L'invention concerne aussi les fours à induction à basse fré- quence, qui conviennent bien pour du courant triphasé.
Pour les, fours de ce genre on est parti du modèle donné par le moteur triphasé, dont on suppose le rotor remplacé par le bain de fusion. Il s'agirait dans ce cas de produire un champ magnétique tour- nant et par conséquent, dans le bain, un mouvement giratoire autour de l'axe du four. Effectivement toutefois le flux de dispersion des bo- bines à basse fréquence est tellement faible que la combinaison envi-
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sagée, ou l'action réciproque des divers champs magnétiques produits autour de chacune des trois bobines de phases, ne se produisent pra- tiquement pas et par conséquent qu'il n'y a pas de mouvement giratoi- re notable dans le bain. On observe par contre dans le bain, près de chaque bobine de phase, un mouvement qui est indépendant du mouve- ment de même nature produit près des autres bobines.
Dans un four à induction à basse fréquence de type connu à courant triphasé, les bobines sont montées en triangle et réparties uniformément sur la surface extérieure d'un creuset hémisphérique.
Il ne se produit pas non plus, dans ce cas, d'action réciproque des champs de force des bobines ; on observe au contraire le mouvement décrit du bain sur les différents pôles produits par les bobines de phases.
Ce montage en triangle à répartition uniforme, montage qui est difficile et coûteux, mais que l'on jugeait indispensable jusqu'ici pour obtenir un mouvement favorable du bain et une charge électrique uniforme de chaque phase individuelle, ne produit pas l'action dési- rée au sujet du mouvement du b ain.
L'invention/a pour but d'éviter tous ces inconvénients.
En ce qui concerne les fours à induction de fréquence quelconque l'invention a pour but de soustraire la matière du creuset au tra- vail électrique intense et d'augmenter ainsi la sûreté du fonctionne- ment des fours à induction. Suivant l'invention ce résultat est ob- tenu par la disposition d'au moins une bobine supplémentaire refroi- die, isolée de la bobine d'induction alimentée par du courant alter- natif et interrompue une fois au moins transversalement à la tension induite, ou d'une enveloppe réfrigérante bonne conductrice de l'élec- tricité à l'intérieure et le cas échéant aussi à l'extérieur de la bobine d'induction.
Les dessins représentent des exemples de néalisation de l'inven- tion.
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La fig. 2 est une coupe verticale d'un four.
La: fig. 3 est une coupe verticale d'un four construit sui- vant une variantede l'invention.
La fige 4 est une coupe horizontale du four de la fig. 3.
La fig. 5 est une vue d'un segment de l'enveloppe en cuivre. les fig. 6, 8 et 7, 9 respectivement sont respectivement des coupes verticales et des coupes horizontales d'autres varian- tes de l'invention. la. fige 10 est une coupe verticale schématique d'un four suivant une application de l'invention à des creusets plats avec une bobine*
La fige 11 est une coupe semblable d'un four à deux bobines.
La fige 12 est une vue partielle d'un four suivant la fig.
11. lia fige 13 est une coupe verticale d'un four cylindrique suivant une autre variante de l'invention.
La. fige 14 est une coupe verticale, par la ligne A-A de la fige 15 d'un four à creuset plat en forme de bac.
La fig. 15 est un plan du four de la fig. 14, le creuset et le serpentin réfrigérant étant partiellement enlevés.
La fige 16 est une coupe verticale d'une autre variante de l'invention, et les fige 17 et 18 sont des vues de variantes du serpentin réf r igérant .
Dans la fig. 2, comme dans la fige 1, le four comporte une bobine d'induction 1 en tube de cuivre dont les spires sont iso- lées les unes des autres et qui est traversée par exemple par de l'eau de refroidissement. A l'intérieur de cette bobine 1 est mon- tée, suivant l'invention, une deuxième bobine 7 dont le nombre de spires est moindre, cette bobine étant également creuse et compor- tant des tubulures de branchement 8 pour la circulation de l'eau
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de refroidissement. La bobine 7 est isolée de la bobine 1, par exemple par l'insertion d'un isolant en carton comprimé ou de plaques cylindriques 9 en mica liées par de la gomme-laque. Les spires de la bobine 7 sont de préférence plates.
Cette mesure con- forme à l'invention ne change électriquement rien au fonctionne- ment du four, lorsque les différentes spires de la bobine 7 sont isolées les unes des autres et que les extrémités de la bobine 7 sont libres, c'est-à-dire lorsque cette deuxième bobine est ou- verte aux extrémités et qu'aucun appareil consommant du courant n'est relié à cette bobine, de sorte qu'une tension seulement peut y être induite, mais qu'aucun courant ne peut y circuler. La bobine intérieure 7 n'évacue simplement que la chaleur qui traverse les parois du creuset, tandis que la bobine extérieure 1 n'évacue que la chaleur produite à l'intérieur de cette bobine elle-même par les pertes électriques. La tension produite dans la bobine 7 est à la tension dans la bobine 1 comme les nombres de spires de ces deux bobines.
Si le nombre des spires de la bobine 7 est égal par exemple au 1/10 de celui de la bobine 1, la tension aux extré- mités de/e la bobine intérieure 7 n'est également que le 1/10 de la tension appliquée au four; la tension par spire de la bobine 7 n'est également que le 1/la de la tension par spire dans la bobine 1.
La mesure conforme à l'invention a donc pour effet que la matière du creuset est largement soulagée du travail électrique, cas ce travail n'est plus qu'une fraction ( 1/la dans l'exemple choisi) du travail que l'on observerait dans un four ne comportant qu'une bobine 1.
On peut donner à la bobine intérieure 7 un nombre de spires aussi petit que l'on veut, de sorte qu'il ne resterait plus, dans le cas extrême, qu'une seule spire divisée (interrompue¯) électriquement une ou plusieurs fpis, par exemple par une séparation
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en forme de joint. Le traoé de ce joint est indifférent; il n'a notamment pas besoin d'avoir la forme d'une spirale et il peut se trauver au contraire dans le sens de l'axe. On obtient ainai une forme extrêmement simple pour le four conforme à l'invention, la bobine intérieure 7 étant constituée par une enveloppe conductrice double ; bonne conductrice, subdivisée et refroidie, comme celle qui est représentée en 10 dans la fig. 3.
La bobine intérieure 10 n'a qu'une seule spire, en cuivre par exemple, et elle constitue une enveloppe double en cuivre comportant deux raccords 11 et 12 pour l'eau. La séparation n'est pas faite en spirale ; est au contraire verticale et elle comporte par exemple un isolant en mi- oa 15 (fig. 4). L'enveloppe double en cuivre 10 ne doit pas dépas- aer les extrémités de la bobine 1, car des pertes de chaleur con- sidérables se produisent dans les extrémités qui dépassent, ces pertes étant dues aux lignes de force, qui se recourbent très for- tement à cet endroit et qui rencontrent par conséquent le cuivre perpendiculairement, du champ produit par la bobine 1.
La fig. 3 montre, en haut, comment on évite cette difficulté en donnant au raccord a eau 12 la forme de quelques spires plates en tube de cuivre* Dans la.fig. 3 l'enveloppe double en cuivre 10 est repré- sentée divisée une fois; dans les fig. 5 et 7 la division est double, et dans les fig. 8 et 9 elle est quadruple.
Quant à savoir s'il oonvient de donner plusieurs spires à la bobine intérieure ou de ne lui en donner qu'une, dans chaque cas particulier, ou jus- qu'à quel. point il convient, de diviser une bobine constituée par une seule "apire", cela dépend des exigences électriques du cas en- visagé ;
Il rentre dans le cadre de l'invention de donner aux bo- bines intérieures ou aux enveloppes réfrigérantes 7 et 10 respecti- vement une forme telle que les pertes électriques y soient le plus petites possible. Les barrettes horizontales, représentées dans les
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figures, du tubede cuivre de la bobine intérieure 7 ou des enve- loppes réfrigérantes 10 doivent être aussi'étroites que possible, surtout pour les hautes fréquences.
Les parois du tube ou des enve- loppes réfrigérantes doivent être aussi faibles que possible, mais pour les basses fréquences elles peuvent déjà avoir une épaisseur de 1 à 2 mm.
La fig. 5 montre comment on peut aussi éviter les pertes dues aux courants tourbillonnaires dans les parois des enveloppes réfrigérantes en pliant les parois des segments d'enveloppes réfri- gérantes et en insérant un isolant 13 en caoutchouc imperméable à l'eau ou en matière analogue. L'isolant en caoutchouc 13 sépare les arêtes des parois conductrices, ce qui empêche les courants tourbillonaires de se produire.
Le montage est extrêmement simple lorsque l'enveloppe n'est divisée qu'une seule fois, parce que l'enveloppe double a dé- jà en soi une rigidité tellement grande que tout renforcement est inutile. On soude simplement de champ sur l'enveloppe réfrigérante quelques morceaux de cuivre plat 14, comme cela est indiqué dans la fig. 4. Au moyen de ces sortes d'éclisses 14 l'enveloppe peut être solidement reliée au bâti du four avec insertion d'un isolant qui, dans ce cas, n'a besoin d'être calculé que pour quelques volts Lorsque l'enveloppe réfrigérante eat subdivisée plusieurs fois, les différents segments sont également reliées entre eux et au bâ- ti du four au moyen d'éclisses de même genre, avec insertion d'iso- lants électriques.
Il peut être utile, à l'occasion, de renforcer mécaniquement, par des bandages en tôle ou par des entretoises, l'enveloppe double ou les segments produits par une subdivision multiple de l'envelo- pe. Il peut y avoir de même, à l'intérieur de l'enveloppe, des plaques de guidage assurant un guidage forcé du liquide de refroi- dissement.
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L'invention permet encore d'obtenir d'autres avantages élec- triques. On sait que les bobines usuelles en tube de cuivre ont l'in- convénient que, par suite de ce qu'on appelle l'effet de peau, une fraction seulement de la section disponible du cuivre est utilisée électriquement. Un conducteur électrique idéal, évitant l'effet de peau, est donné par le toron à haute fréquence, qui est constituée par un certain nombre de fils métalliques ( jusqu'à plusieurs mil- liers) individuels, isolés et toronnés entre eux, et dont la section est choisie suivant la. fréquence ut ilisée. Alors que les pertes dans les bobines, avec les tubes de cuivre usuels, sont de 20 à 50 % de la puissance du four, pour les fours à haute fréquence,
cette énergie étant évacuée en pure perte avec l'eau de refroidissement, l'utilisa- tion de torons à haute fréquence permet de réduire la perte dans les bobines presque aussi loin que l'on veut. Des torons à haute fréquenoe de ce genre ne pouvaient pas être utilisés avec les types actuels de fours à haute fréquence, parce que les différents fils des torons à haute fréquence sont vernis, et que leur vernis isolant ne résiste pas à Inaction, de la chaleur du creuset pendant le fonctionnement du four.
La disposition, conforme à l'invention, d'une enveloppe double en cuivre refroidie par de l'eau et subdivisée permet d'utili- ser aussi pour le fonctionnement des fours à haute fréquence les to- rons reconnus favorables pour les courants de haute fréquence. Comme l'indique la fig. 6, le toron 16, qui est monté en deux couches, est tsolé, par une couche de mioa imprégné de vernis ou par une matière analogue, de l'enveloppe double en cuivre 18 qui comporte les raccords à eau 17,17. A l'intérieur de l'enveloppe en cuivre se trouve uniso- lant en amiante et le creuset 19 est par exemple pilonné dans cet isolant.
L'enveloppe double en cuivre peut être divisée une ou plu- sieurs: fois. L'épaisseur des tôles de l'enveloppe en cuivre est choi- sis, comme on l'a décrit pour les fig. 2 et 3, de facon à s'adapter
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à la fréquence.
Il peut être utile, à l'occasion, comme cela est indiqué dans la fig. 8, de monter encore, en plus de l'enveloppe intérieure en cuivre 18, une enveloppe extérieure double en cuivre 20, égale- ment refroidie par de l'eau et divisée, le cas échéant, une ou plu- sieurs fois. Pour renforcer encore le refroidissement des torons, il peut être utile de revêtir la bobine en toron au moyen d'une ma- tiére de remplissage 21 bonne conductrice de la chaleur.
L'invention permet d'utiliser le toron en couches doublea, ce qui assure de meilleurs effets électriques. Il nteat pas possib- le de monter en double des bobines creuses refroidies par de l'eau, parce que l'on ne p eut pas réaliser l'isolement des bobines entre elles. En outre, si l'on montait des bobines tubulaires en deux couches, il se produirait, dans les spires de la bobine intérieure, des courants tourbillonnaires considérables et par conséquent des pertes de chaleur.
Pour des cas métallurgiques particuliers on a besoin de renoncer à la forme cylindrique donnée au creuset, et d'utiliser par exemple des creusets en forme de fond de bateau ou encore des creusetshémisphériques.
Suivant une nouvelle caractéristique de l'invention cela est possible grâce à l'utilisation de conducteurs divisés ( ce qu'on appelle les torons à haute fréquence), en les enroulant en forme de bobine plate, que l'on protège, par l'insertion d'une en- veloppe réfrigérante ou d'un serpentin réfrigérant, de réchauffe- ment par la matière contenue dans le creuset. Pour que l'on puisse munir de la bobine plate une grande surface telle que celle d'un creuset en fond de bateau par exemple, il convient de diviser cette bobine en deux ou plus de deux bobines pouvant être juxtaposées et disposées d'une façon quelconque.
Le four représenté dans la fig. 10 comporte un creuset
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en forme de fond de bateau plat obtenu de façon connue, par exemple par pilonnage d'une matière réfractaire 2a choisie de façon à s'adapter à la nature de la matière à chauffer ou à fondre.
Autour du creuset es.t montée une enveloppe réfrigérante 3a pouvant être constituée par des spires étroites et comportant un orifice d'introduction 4a et un orifice de sortie 5a pour l'eau de refroi- dissement. Le creuset est séparé de l'enveloppe réfrigérante par un isolant 6a en papier d'amiante par exemple. Au fond du creuset se trouve une bobine plate 7a faite avec un toron à haute fréquence et isolée de l'enveloppe réfrigérante par une forte couche d'iso- lant 9a en matière appropriée. Cette bobine peut être constituée, comme le montre la fig, 10, par plusieurs couches de ce toron, chaque couche étant constituée elle-même par plusieurs spires juxtaposées.
La bobine peut toutefois n'être constituée aussi que par une ou deux couches, chaque couche étant elle-même constituée, de façon correspondante, pàr plusieurs torons juxtaposés. La bo- bine est faite de façon à s'étendre sur toute la longueur du creu- set en fond de bateau. Selon que la projection horizontale du creuset en fond de bateau la eat carrée, ronde ou rectangulaire et oblongue, on donne à la bobine plate 7a des contours se rappro- chant davantage de la forme circulaire ou davantage de la forme elliptique. Sur la face extérieure de la bobine se trouvent des
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paquets x:em#i'i:i:i'!Q!(ir" axe 3±gnx ÈS 8 xzn xriù.i :s: gxx ix Maxxs de tôle 8a montés en gradins, ces paquets recueillant les lignes de force produites par la bobine et les introduisant dans le bain.
Lea différentes tôles des paquets, tôles qui sont isolées les unes des autres de façon connue, doivent donc être disposées de façon que leurs petits oôtés soient dirigés vers le creuset la ou sur la matière ( le bain de fusion) contenue dans ce creuset: Un iso/- lant 10a est également inséré entre la bobine 7a et les différentes tôles du paquet de tôles 8a. Il convient aussi que le raccord à eau 4a de l'enveloppe réfrigérante soit isolé des paquets de tôles.
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Pour des creusets relativement grands ou encore pour d'autres raisons, il peut être utile de monter sur le creuset plu- sieurs bobines juxtaposées ou disposées en série les unes en arrire des autres. Le four représenté dans la fig. 11 ne diffère du four de la fig. 10 qu'en ce qu'il comporte deux bobines lla et 12a sépa- rées l'une de l'autre. On voit par la fig. 12 que les bobines se trouvent sous le creuset, la ligne A-A représentant l'axe central du four. En outre, les trams 13a indiquent schématiquement la façon dont les différentes tôles 14 sont disposées dans les paquets de tôle 8a.
Si l'on doit utiliser par exemple un creuset hémisphérique, on donne aux bobines une surface de délimitation supérieure qui s'adapte à la forme courbe des parois extérieures du creuset. Dans ce cas également il convient de disposer convenablement le refroi- dissement et les paquets de tôle.
L'invention permet aussi d'éviter les inconvénients men- tionnés plus haut, lorsqu'il s'agit de fours à induction à basse fré- quence à courant triphasé, tout en ayant également pour but d'assurer une forme plus simple du four ou des enroulements, des mouvements fa- vorables du bain de fusion et une charge égale des trois phases du courant alternatif. Comme les mouvements du bain de fusion sont, en eux-mêmes, presque inversement proportionnels à la fréquence, le mou- vement du bain de fusion, dans un four à basse fréquence de 50 pério- des environ, sera par exemple d'environ 10 fois plus grand que dans un four de même type fonctionnant à une fréquence de 500 périodes.
Il est donc possible, en se basant sur le fait que les trois champs individuels décalés en phase ne se réunissent pas pour former un champ combiné, d'utiliser aussi pour un courant triphasé de basse fréquence, de 50 périodes par exemple, des fours à induction à courant monophasé de types connus et ayant fait leurs preuves. Quant à la faible perte par dispersion des bobines àbasse fréquence, on peut la réduire en montant sur les différentes bobines des paquets de tôles conduisant les lignes de force magnétiques.
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Les trois bobines nécessaires pour le courant triphasé peuvent par conséquent., suivant une autre caractéristique de l'inven- tion, être disposées les unes au-dessus des autres sur un creuset cy- lindrique ou bien, lorsqu'il s'agit de creusets en forme de fonds de bateau ou de creusets hémisphériques, elles peuvent être juxtaposées ou montées en triangle. Les bobines peuvent être des bobines cylin- driques ou des bobines plates. On peut utiliser pour ces bobines les bobines usuelles en tube de cuivre refroidies pax de l'eau, ou bien des conducteurs en cuivre connus en eux-mêmes, subdivisés et toronnés, par exemple comme le toron à haute fréquence ou les conducteurs dits subdivisés.
Le creuset lb (fig. 13), qui est destiné à contenir le bain de fusion, est fait par exemple en matière pilonnée appropriée, choi- sie de facon connue de telle sorte qu'elle s'adapte à la matière qu'il s'agit de faire fondre dans le cas envisagé. Le creuset 1b est pilon- né à l'intérieur d'une enveloppe réfrigérante double ou d'un serpentin réfrigérant 3b, un isolant, en papier d'amiante par exemple, étant in- séré entre le serpentin réfrigérant et la matière pilonnée. Les diffé- rentes bobines cylindriques R, S, T pour les trois phases du courant alternatif sont montées extérieurement sur le serpentin réfrigérant 3b. Entre les bobines R, S,T et le serpentin réfrigérant 3b est insé- ré un isolant de haute qualité 8b, par exemple du mica imprégné de gomme-laque.
Par suite du montage des trois bobines superposées R, S,T on obtient trois champs magnétiques ayant à peu près la forme de la ligne 9b. Ainsi qu'on peut le voir, il se produit une forte courbure des lignes de force aux extrémités des bobines, de sorte qutà ces endroits les lignes de force rencontrent le serpentin réfrigérant 3b perpendicu- lairement. Ceci produit de forts échauffements que l'on compense de préférence en divisant le serpentin réfrigérant 3b à cet endroit en
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plusieurs spires individuelles 14b, tandis qu'une seule spire du serpentin réfrigérant 3b suffit généralement à l'endroit où se trouvent les bobines.
Les différentes spires sont isolées les unes des autres au moyen de matières de haute qualité, et l'on utilise de préférence, comme pour l'isolant 8b, du mica imbibé de gomme- laque.
Pour assurer le guidage des lignes de force des différents champs, il convient de monter des paquets de tôle 10b, llb et 12b extérieurement sur les bobines. Ces paquets de tôles sont faits de façon connue au moyen de lames de tôle individuelles. Les différente paquets de tôle peuvent être protégés par des plaques de cuivre intermédiaires 13b formant écrans entre eux. Le serpentin réfrigé- rant 3b est fait en matière amagnétique. On utilise généralement du cuivre à cet effet, mais il est avantageux, pour réduire les pertes, d'utiliser une matière ayant une conductibilité électrique plus mauvaise que celle du cuivre.
Le serpentin réfrigérant 3b joue un double rôle; d'une part il évacue la chaleur provenant du contenu di creuset et ayant traversé la masse pilonnée, de façon à protéger les bobines de tout échauffement inadmissible, et d'autre part il soulage électriquement la matière pilonnée.
Les bobines R, S, T peuvent être constituées par le tube de cuivre de section ronde ou rectangulaire connu pour cet usage et refroidi par un liquide. On utilise toutefois, comme cela est repré- senté dans l'exemple de réalisation, des bobines faites en ce qu'on appelle du toron à haute fréquence. Par suite du refroidissement énergique produit par le serpentin réfrigérant, on peut utiliser des torons de ce genre, dont l'effet électrique est particulièrement favorable, sans quril se produise des détériorations de l'isolement qui sépare les différents fils du toron les uns des autres.
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Ce que l'on sait du mode d'action des lignes de force lo-aque l'on utilise du courant triphasé permet d'utiliser aussi des montages comportant des bobines plates, comme celles qui sont repré- sentées par exemple dans les fig. 14,15 et 16, les creusets utilisés étant les creusets en fond de bateau plat qu'il conviant de préférer à l'occasion pour différentes applications métallurgiques. Dans le dispositif représenté par les fig. 14 et 15 les bobines R, S,T sont enroulées en forme de bobines plates et montées en triangle sous le creuset 15b. Le creuset est séparé du serpentin réfrigérant 16b par un isolant 17b, en papier d'amiante par exemple.
Le serpentin réfri- gérant et lea bobines plates R,S,T sont isolée les uns des autres par une matière isolante de haute qualité 18b, telle que du mica imprégné de gomme-laque. Les lignes de force sont encore recueillies et gui- dées par des paquets de tôle 19b, 20b et 21b constitués par des lames de tôle individuelles dont la position par rapport à la bobine est in- diquée schématiquement par des traits 22b. Cette disposition des lames de tôle s'applique aussi, d'une façon analogue, aux paquets de tôles lOb, llb et 12b de la fig. 13 et aux paquets de tôles 23b, 24b et 25b de la figé16.
La disposition représentée/ pour les bobines dans les fig.
14 et 15 s'applique aussi, d'une façon analogue, lorsque la forme du creuset est plutôt hémisphérique; dans ce cas il convient de donner à la face supérieure des bobines une forme courbe correspondant à celle des parois extérieures du creuset.
Dans la fig. 16 on a supposé que le creuset a une forme plate dont la longueur, perpendiculairement au plan du dessin, est relative- ment grande. Les trois bobines R,S,T et leurs paquets de tôles 23b, 24b et 25b sont juxtaposées et s'étendent sur toute la longueur du creuset dans chaque cas. Le refroidissement et l'isolement correspon- dent à ceux des fig. 14 et 15.
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Il est également possible, dans les modes de réalisation re- présentés dans les fig. 14,15 et 16, d'utiliser des bobines en tube de cuivre refroidi par de l'eau, au lieu des bobines en toron à haute fréquence qui sont représentées dans les dessins.
Dans les modes de réalisation représentés dans les fig. 14 à 16 le serpentin réfrigérant est fait de préférence en spirale et forme une spirale plate sous le creuset, comme cela, est représenté schématiquement dans la fig. 18, en particulier lorsqu'il s'agit de creusets rectangulaires de grande étendue en longueur: Les spires de la spirale, c'est-à-dire les spires du serpentin réfrigérant monté à contre-courant, doivent être isoléea les unes des autres.
Aux endroits où les lignes de force rencontrent le serpentin réfrigérant perpendiculairement ( voir en 9b dans la fig. 13), il convient également, dans les modes de réalisation des fig. 14 à 16, d'assurer un refroidissement supplémentaire, par exemple en rappro- chant les spires davantage les unes des autres, ou en utilisant un serpentin réfrigérant distinct.
Les fours à basse fréquence à courant triphasé suivant l'in- vention conviennent remarquablement bien pour être branchés sur un réseau triphasé normal à 50 périodes. Naturellement, les f ours peuvent aussi être utilisés avec du courant triphasé à basse fréquence dont la fréquence est différente.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux exemp- les de réalisation décrits et représentés.
Résumé.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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HIGH AND LOW FREQUENCY INDUCTION OVEN.
The invention relates to electric induction furnaces for any frequencies ranging from low frequencies to the highest frequencies and for single-phase or polyphase current.
In order for the invention to be better understood, we will start from the embodiment, generally used heretofore, of an induction furnace without iron, of which FIG. 1 is a vertical section.
The furnace shown in fig, l and almost always operating at high frequency comprises a coil 1 made of copper tube of almost always square section, the turns of which are insulated between
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they all around, or only in places, by means of a suitable insulation 2, in compressed cardboard for example, or in mica impregnated with varnish. Inside this coil there is usually an asbestos cylinder 3 inside which is mounted a crucible 4 of material whose composition is adapted to that of the material to be heated or melted. The current is supplied by connection terminals 6.
The copper tube bonime 1 is crossed by cooling water which evacuates the electrical losses, tran formed in heat, from the copper coil, as well as the heat which leaves the interior of the crucible.
If the crucible contains, for example, work materials to be melted or a molten bath 5, and if the necessary alternating voltage, for example between 500 and 2500 volts, is applied to terminals 6 of the copper coil 1 , the mass of the crucible 4 works, under the action of the molten bath, not only mechanically and where appropriate chemically, but also very strongly electrically.
This electrical work comes from the fact that the applied operating voltage
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between upper terminal and the terminal also tends to make between upper terminal terminal tends to pass current in shunt through coil fufle ausai by passing a current in shunt by return to coil 1, through the path of minimum resistance from from the upper end of the coil along line A to the weld pool 5 (which represents a short circuit), and from the weld pool along the lower line A to the lower end of the coil, and vice versa. Part of the electrical work is well theoretically absorbed by the asbestos interior lining 3, but in practical service the action of the asbestos interior lining is negligible.
The crucible, which is generally made of packed material, is therefore subjected at each of the two points A to the action of half the tension of the furnace. If the
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resistance of the material which constitutes the crucible is minimal, a good conductive branch is soon formed in which more current passes perfectly than in the coil itself. There is also between the different turns of the coil, depending on the total voltage applied (250 to 2,500 volts for example), a voltage of 10 to 100 volts for example, which makes the mass of the crucible work electrically in the vicinity of two turns, so that the branches indicated in B can run through the wall of the bowl and pass from one turn to the other.
Such derivations have the consequence that there is produced in the mass of the crucible, for example at points A, A and B, fusions which lead to disruptive discharges and to dangerous destruction of the crucible. The production of disruptive electric discharges is facilitated by the fact that the mass of the crucible almost always becomes a good conductor at high temperatures and in addition that it contains. often metallic impurities. Each disruptive discharge requires at least one crucible repair, and almost always the crucible must be disassembled and replaced.
A disruptive discharge becomes dangerous when the arc that occurs makes a hole in the coil and cooling water flowing through it spurts out into the weld pool.
The invention also relates to low-frequency induction furnaces, which are well suited for three-phase current.
For furnaces of this kind, we started from the model given by the three-phase motor, the rotor of which is assumed to be replaced by the molten bath. In this case, it would be a question of producing a rotating magnetic field and consequently, in the bath, a gyratory movement around the axis of the furnace. Indeed, however, the dispersion flux of the coils at low frequency is so low that the combination envi-
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Sage, or the reciprocal action of the various magnetic fields produced around each of the three phase coils, practically does not occur and therefore there is no noticeable rotational movement in the bath. On the other hand, we observe in the bath, near each phase coil, a movement which is independent of the movement of the same nature produced near the other coils.
In a low-frequency induction furnace of known three-phase current type, the coils are mounted in a delta and distributed uniformly over the outer surface of a hemispherical crucible.
There is also no reciprocal action in this case of the force fields of the coils; on the contrary, we observe the described movement of the bath on the different poles produced by the phase coils.
This uniformly distributed triangle arrangement, an arrangement which is difficult and costly, but which has hitherto been considered essential to obtain favorable movement of the bath and a uniform electric charge of each individual phase, does not produce the desired action reed about the movement of the bin.
The object of the invention is to avoid all these drawbacks.
With regard to induction furnaces of any frequency, the object of the invention is to remove the material of the crucible from intense electrical work and thus to increase the reliability of the operation of induction furnaces. According to the invention, this result is obtained by arranging at least one additional cooled coil, isolated from the induction coil supplied with alternating current and interrupted at least once across the induced voltage, or a cooling jacket which is a good conductor of electricity inside and if necessary also outside the induction coil.
The drawings represent examples of the embodiment of the invention.
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Fig. 2 is a vertical section of an oven.
The: fig. 3 is a vertical section through a furnace constructed according to a variant of the invention.
Fig 4 is a horizontal section of the oven of FIG. 3.
Fig. 5 is a view of a segment of the copper casing. figs. 6, 8 and 7, 9 respectively are vertical sections and horizontal sections of other variations of the invention, respectively. the. Fig 10 is a schematic vertical section of a furnace according to an application of the invention to flat crucibles with a coil *
Fig 11 is a similar cross section of a two coil furnace.
Fig 12 is a partial view of an oven according to FIG.
11. The fig 13 is a vertical section of a cylindrical furnace according to another variant of the invention.
Fig 14 is a vertical section, taken through line A-A of fig 15 of a pan-shaped flat crucible furnace.
Fig. 15 is a plan of the furnace of FIG. 14, the crucible and the cooling coil being partially removed.
The rod 16 is a vertical section of another variant of the invention, and the rods 17 and 18 are views of variants of the cooling coil.
In fig. 2, as in fig 1, the furnace comprises an induction coil 1 made of copper tube, the turns of which are insulated from each other and which is traversed, for example, by cooling water. Inside this coil 1 is mounted, according to the invention, a second coil 7, the number of turns of which is less, this coil also being hollow and comprising connection pipes 8 for the circulation of water. water
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cooling. The coil 7 is isolated from the coil 1, for example by inserting a compressed cardboard insulation or cylindrical mica plates 9 linked by shellac. The turns of the coil 7 are preferably flat.
This measure in accordance with the invention does not electrically change the operation of the furnace, when the different turns of the coil 7 are isolated from each other and the ends of the coil 7 are free, that is. ie when this second coil is open at the ends and no device consuming current is connected to this coil, so that only a voltage can be induced therein, but no current can flow there. The inner coil 7 simply removes only the heat which passes through the walls of the crucible, while the outer coil 1 removes only the heat produced inside this coil itself by the electrical losses. The voltage produced in coil 7 is at the voltage in coil 1 like the numbers of turns of these two coils.
If the number of turns of coil 7 is equal for example to 1/10 of that of coil 1, the voltage at the ends of the inner coil 7 is also only 1/10 of the applied voltage. in the oven; the tension per turn of coil 7 is also only 1 / la of the tension per turn in coil 1.
The measurement in accordance with the invention therefore has the effect that the material of the crucible is largely relieved of the electrical work, case this work is only a fraction (1 / la in the example chosen) of the work that is would observe in an oven with only one coil 1.
We can give the inner coil 7 a number of turns as small as you want, so that in the extreme case, only one turn divided (interruptedē) electrically one or more fpis, for example by a separation
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in the form of a joint. The traoé of this joint is indifferent; in particular, it does not need to have the shape of a spiral and, on the contrary, it can be trailed in the direction of the axis. Thus an extremely simple form is obtained for the oven according to the invention, the inner coil 7 being constituted by a double conductive casing; good conductor, subdivided and cooled, like the one shown at 10 in fig. 3.
The inner coil 10 has only one turn, made of copper for example, and it constitutes a double casing of copper comprising two connections 11 and 12 for the water. The separation is not done in a spiral; is on the contrary vertical and it comprises for example an insulator in mid-oa 15 (fig. 4). The double copper casing 10 should not protrude from the ends of the coil 1, since considerable heat losses occur in the protruding ends, these losses being due to the lines of force, which bend very strongly. - at this location and which therefore meet the copper perpendicularly, of the field produced by coil 1.
Fig. 3 shows, above, how this difficulty is avoided by giving the water connection 12 the shape of a few flat copper tube turns * In fig. 3 the double copper casing 10 is shown divided once; in fig. 5 and 7 the division is double, and in fig. 8 and 9 it is quadruple.
As to whether it is appropriate to give several turns to the inner coil or to give it only one, in each particular case, or until what. point it is advisable to divide a coil constituted by a single "apire", that depends on the electrical requirements of the case considered;
It comes within the scope of the invention to give the internal coils or the cooling jackets 7 and 10, respectively, a shape such that the electrical losses therein are as small as possible. The horizontal bars, represented in the
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Figures, the copper tubing of the inner coil 7 or the cooling casings 10 should be as narrow as possible, especially at high frequencies.
The walls of the cooling tube or jackets should be as thin as possible, but for low frequencies they may already be 1 to 2 mm thick.
Fig. 5 shows how losses due to eddies in the walls of cooling casings can also be avoided by folding the walls of the segments of cooling casings and inserting an insulator 13 of waterproof rubber or the like. The rubber insulation 13 separates the ridges of the conductive walls, which prevents eddies from occurring.
The assembly is extremely simple when the envelope is divided only once, because the double envelope in itself already has such great rigidity that any reinforcement is unnecessary. A few pieces of flat copper 14 are simply field welded to the cooling jacket, as shown in fig. 4. By means of these kinds of splints 14 the casing can be firmly connected to the frame of the furnace with the insertion of an insulation which, in this case, only needs to be calculated for a few volts. refrigerant is subdivided several times, the different segments are also connected to each other and to the furnace frame by means of the same type of splices, with insertion of electric insulators.
It may be useful, on occasion, to mechanically reinforce, with sheet metal bandages or spacers, the double casing or the segments produced by a multiple subdivision of the casing. There may also be, inside the casing, guide plates ensuring forced guidance of the coolant.
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The invention also makes it possible to obtain other electrical advantages. It is known that the usual copper tube coils have the disadvantage that, as a result of the so-called skin effect, only a fraction of the available section of copper is used electrically. An ideal electrical conductor, avoiding the skin effect, is given by the high frequency strand, which is made up of a number of individual metal wires (up to several thousand), insulated and stranded together, and of which the section is chosen according to the. frequency used. While the losses in the coils, with the usual copper tubes, are 20 to 50% of the power of the furnace, for high frequency furnaces,
since this energy is lost in the cooling water, the use of high frequency strands makes it possible to reduce the loss in the coils almost as far as desired. High-frequency strands of this kind could not be used with current types of high-frequency furnaces, because the various wires of the high-frequency strands are varnished, and their insulating varnish does not resist heat inaction. crucible while the furnace is in operation.
The arrangement, in accordance with the invention, of a water-cooled and subdivided double casing of copper makes it possible also to use for the operation of high-frequency furnaces the torons recognized as favorable for high currents. frequency. As shown in fig. 6, the strand 16, which is mounted in two layers, is tsolé, by a layer of mioa impregnated with varnish or by a similar material, of the double copper casing 18 which comprises the water connections 17,17. Within the copper casing there is an asbestos unitary agent and the crucible 19 is, for example, pounded in this insulation.
The double copper envelope can be divided once or several times. The thickness of the sheets of the copper casing is chosen, as described for figs. 2 and 3, so as to adapt
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at frequency.
It may be useful on occasion, as shown in fig. 8, to mount again, in addition to the inner copper casing 18, a double outer copper casing 20, also cooled by water and divided, if necessary, once or more times. To further enhance the cooling of the strands, it may be useful to coat the strand coil with a filler 21 which is a good conductor of heat.
The invention makes it possible to use the doublea layered strand, which provides better electrical effects. It is not possible to double mount hollow coils cooled by water, because it is not possible to insulate the coils from each other. In addition, if tubular coils were mounted in two layers, there would be considerable eddying currents in the turns of the inner coil and consequently heat loss.
For particular metallurgical cases, it is necessary to renounce the cylindrical shape given to the crucible, and to use, for example, crucibles in the form of the bottom of a boat or even hemispherical crucibles.
According to a new characteristic of the invention this is possible thanks to the use of divided conductors (what are called high frequency strands), by winding them in the form of a flat coil, which is protected by the insertion of a cooling jacket or a cooling coil, for heating by the material contained in the crucible. So that we can provide the flat coil with a large surface such as that of a crucible at the bottom of a boat for example, it is advisable to divide this coil into two or more than two coils which can be juxtaposed and arranged in a manner any.
The oven shown in fig. 10 has a crucible
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in the form of a flat boat bottom obtained in a known manner, for example by ramming a refractory material 2a chosen so as to adapt to the nature of the material to be heated or melted.
Around the crucible is mounted a cooling envelope 3a which may be constituted by narrow turns and comprising an introduction orifice 4a and an outlet orifice 5a for the cooling water. The crucible is separated from the cooling envelope by an insulator 6a made of asbestos paper for example. At the bottom of the crucible is a flat coil 7a made of a high frequency strand and insulated from the cooling jacket by a strong layer of insulation 9a of suitable material. This coil can be constituted, as shown in FIG. 10, by several layers of this strand, each layer itself being constituted by several juxtaposed turns.
The coil may however also consist of only one or two layers, each layer itself being constituted, in a corresponding manner, by several juxtaposed strands. The coil is made so that it extends the entire length of the bottom of the boat. Depending on whether the horizontal projection of the crucible at the bottom of the boat is square, round or rectangular and oblong, the flat coil 7a is given contours which are closer to the circular shape or more to the elliptical shape. On the outside of the spool are
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packages x: em # i'i: i: i '! Q! (ir "axis 3 ± gnx ÈS 8 xzn xriù.i: s: gxx ix Maxxs of sheet 8a mounted in steps, these packages collecting the lines of force produced by the coil and introducing them into the bath.
The different sheets of the packages, sheets which are isolated from each other in a known manner, must therefore be arranged so that their small sides are directed towards the crucible or on the material (the molten pool) contained in this crucible: A iso / - lant 10a is also inserted between the coil 7a and the various sheets of the pack of sheets 8a. The water connection 4a of the cooling jacket should also be insulated from the packets of sheets.
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For relatively large crucibles or for other reasons, it may be useful to mount on the crucible several coils juxtaposed or arranged in series one behind the other. The oven shown in fig. 11 does not differ from the oven of FIG. 10 only in that it comprises two coils 11a and 12a separated from one another. It can be seen from FIG. 12 that the coils are located under the crucible, the line A-A representing the central axis of the furnace. In addition, the trams 13a show schematically the way in which the different sheets 14 are arranged in the packs of sheet 8a.
If, for example, a hemispherical crucible is to be used, the coils are given an upper bounding surface which adapts to the curved shape of the outer walls of the crucible. In this case, too, the cooling and the sheet metal packs should be properly arranged.
The invention also makes it possible to avoid the drawbacks mentioned above, in the case of low-frequency induction furnaces with three-phase current, while also having the aim of ensuring a simpler shape of the furnace. or windings, favorable movements of the molten pool and an equal load of the three phases of the alternating current. As the movements of the molten pool are, in themselves, almost inversely proportional to the frequency, the movement of the molten pool, in a low frequency furnace of about 50 periods, will for example be about 10 times greater than in a furnace of the same type operating at a frequency of 500 periods.
It is therefore possible, based on the fact that the three individual phase-shifted fields do not meet to form a combined field, to also use for a three-phase current of low frequency, of 50 periods for example, of the furnaces with single-phase induction of known and proven types. As for the low loss by dispersion of the low frequency coils, it can be reduced by mounting on the various coils bundles of sheets leading the magnetic lines of force.
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The three coils required for the three-phase current can therefore, according to another characteristic of the invention, be arranged one above the other on a cylindrical crucible or, in the case of crucibles. in the form of boat bottoms or hemispherical crucibles, they can be juxtaposed or mounted in a triangle. The coils can be cylindrical coils or flat coils. It is possible to use for these coils the usual coils made of copper tube cooled by water, or else copper conductors known in themselves, subdivided and stranded, for example such as the high frequency strand or the so-called subdivided conductors.
The crucible lb (fig. 13), which is intended to contain the molten bath, is made, for example, of a suitable pounded material, chosen in a known manner such that it adapts to the material which it is required to use. 'acts to melt in the case considered. The crucible 1b is pounded inside a double cooling jacket or a cooling coil 3b, an insulation, made of asbestos paper for example, being inserted between the cooling coil and the pounded material. The different cylindrical coils R, S, T for the three phases of the alternating current are mounted externally on the refrigerant coil 3b. Between the coils R, S, T and the cooling coil 3b is inserted a high quality insulator 8b, for example mica impregnated with shellac.
As a result of the assembly of the three superimposed coils R, S, T, three magnetic fields are obtained having approximately the shape of line 9b. As can be seen, there is a strong curvature of the lines of force at the ends of the coils, so that at these places the lines of force meet the refrigerant coil 3b perpendicularly. This produces strong heating, which is preferably compensated by dividing the refrigerant coil 3b at this point into
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several individual turns 14b, while a single turn of the refrigerant coil 3b is generally sufficient at the location where the coils are located.
The different turns are insulated from each other by means of high quality materials, and preferably, as for the insulation 8b, shellac-soaked mica is used.
To ensure the guiding of the lines of force of the various fields, it is advisable to mount packages of sheet 10b, 11b and 12b externally on the coils. These sheet packs are made in a known manner by means of individual sheet strips. The different packages of sheet metal can be protected by intermediate copper plates 13b forming screens between them. The cooling coil 3b is made of non-magnetic material. Copper is generally used for this purpose, but it is advantageous, in order to reduce losses, to use a material having a poorer electrical conductivity than that of copper.
The refrigerant coil 3b plays a double role; on the one hand it removes the heat coming from the contents of the crucible and having passed through the pounded mass, so as to protect the coils from any inadmissible heating, and on the other hand it relieves the pounded material electrically.
The coils R, S, T can be formed by the copper tube of round or rectangular section known for this use and cooled by a liquid. However, as shown in the exemplary embodiment, coils made of so-called high frequency strand are used. As a result of the energetic cooling produced by the cooling coil, strands of this type can be used, the electrical effect of which is particularly favorable, without causing damage to the insulation which separates the various wires of the strand from one another. .
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What is known about the mode of action of the lines of force lo-aque that the three-phase current is used also makes it possible to use assemblies comprising flat coils, such as those which are represented for example in FIGS. 14, 15 and 16, the crucibles used being crucibles at the bottom of a flat boat which it is advisable to prefer on occasion for different metallurgical applications. In the device represented by FIGS. 14 and 15 the coils R, S, T are wound in the form of flat coils and mounted in a triangle under the crucible 15b. The crucible is separated from the cooling coil 16b by an insulator 17b, made of asbestos paper for example.
The cooling coil and the R, S, T flat coils are insulated from each other by a high quality insulating material 18b, such as shellac impregnated mica. The lines of force are further collected and guided by sheet metal bundles 19b, 20b and 21b formed by individual sheet metal strips, the position of which relative to the coil is indicated schematically by lines 22b. This arrangement of the sheet metal strips also applies, in a similar manner, to the packets of sheets 10b, 11b and 12b of FIG. 13 and the packets of sheets 23b, 24b and 25b of figé16.
The arrangement shown / for the coils in fig.
14 and 15 also applies, in a similar way, when the shape of the crucible is rather hemispherical; in this case, the upper face of the coils should be given a curved shape corresponding to that of the outer walls of the crucible.
In fig. 16 it has been assumed that the crucible has a flat shape whose length, perpendicular to the plane of the drawing, is relatively large. The three coils R, S, T and their packets of sheets 23b, 24b and 25b are juxtaposed and extend over the entire length of the crucible in each case. The cooling and the insulation correspond to those of figs. 14 and 15.
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It is also possible, in the embodiments shown in FIGS. 14, 15 and 16, to use water-cooled copper tube coils, instead of the high frequency strand coils which are shown in the drawings.
In the embodiments shown in FIGS. 14 to 16 the cooling coil is preferably made in a spiral and forms a flat spiral under the crucible, as is shown schematically in fig. 18, in particular in the case of rectangular crucibles of great extent in length: The turns of the spiral, that is to say the turns of the cooling coil mounted against the current, must be isolated from each other .
At the places where the lines of force meet the refrigerating coil perpendicularly (see at 9b in fig. 13), it is also appropriate, in the embodiments of figs. 14 to 16, to provide additional cooling, for example by bringing the coils closer together, or by using a separate cooling coil.
The three-phase low-frequency ovens according to the invention are remarkably suitable for being connected to a normal three-phase network with 50 periods. Of course, the furnaces can also be used with three-phase low frequency current which has a different frequency.
It is obvious that the invention is not limited to the exemplary embodiments described and shown.
Summary.
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