Dispositif destiné à équilibrer le chauffage par résistance d'une masse en fusion constituée par une matière ayant un coefficient de température négatif La présente invention concerne un dispositif des tiné à équilibrer le chauffage par résistance d'une masse en fusion constituée par une matière ayant un coefficient de température négatif et le procédé de mise en action dudit dispositif.
Les fours de fusion du verre et d'autres maté riaux du même genre sont généralement chauffés à l'huile ou au gaz, les flammes passant par-dessus la surface de la matière, surtout lorsque la chaleur ne peut pas être conduite par les parois du récipient ou du four. Le chauffage électrique d'un four de fusion est très avantageux. Toutefois, l'utilisation du chauf fage électrique est limitée à cause des caractéristiques du verre et des matières semblables qui ont un coeffi cient de température négatif, de sorte que la conduc- tibilité de ces matières augmente, lorsque la tempé rature augmente et il en résulte un chauffage local illimité.
Ce phénomène ne se produit pas lors de la fusion des métaux et d'autres matières semblables qui possèdent généralement un coefficient de tempé rature positif. Lorsqu'un métal est chauffé, sa résis tivité augmente en fonction de la température. Il en résulte, qu'un certain nombre de circuits reliés en parallèle à une source de courant commune subit une augmentation de température à la même vitesse, car si un circuit particulier monté en parallèle conduit un courant plus élevé, son chauffage est plus fort et l'augmentation de sa température est plus forte, mais la résistance de ce circuit augmente en provoquant une diminution du courant s'écoulant dans ce circuit. On obtient ainsi un réseau des circuits parallèles à autoréglage.
Dans le carborundum, dans le verre, dans les matières céramiques, le coefficient de tempé- rature négatif provoque un effet contraire. Dans le cas du verre, la réduction de la résistance peut attein dre 50 % ou davantage, lorsque la température aug mente de 10 %.
Admettons que les courants de chauffage s'écou lent à travers les électrodes disposées dans le bain d'une matière fondue. Le courant passant entre les points particuliers situés sur les électrodes opposées provoque le chauffage de la matière comprise entre ces points. Une zone, ou un chemin de courant peut conduire un courant plus fort qu'une zone voisine et la quantité de chaleur apportée à cette zone est pro portionnelle au courant qui la traverse.
Il est évident, que le passage du courant dans une zone, qui n'est pas équilibré par un courant égal dans d'autres zones provoque un chauffage inégal qui réduit la résistance entre les électrodes, de sorte qu'il en résulte un chauf fage local plus fort, et la quantité de chaleur apportée à une autre zone du réservoir diminue. Il en résulte un déséquilibre des températures limité au début seu lement par la convection du liquide, due au brassage de la matière. Il en résulte une destruction rapide des électrodes à cause de la surchauffe et une contamina tion des électrodes disposées dans le bain de la ma tière en fusion.
Le chauffage électrique des matières ayant un coefficient de température négatif a conduit jusqu'à présent à un échauffement inégal, de sorte qu'il n'a pas été possible d'utiliser fréquemment ce procédé de chauffage.
Il est en outre évident, que lors du chauffage électrique direct d'une telle matière au moyen d'un courant traversant des électrodes immergées dans cette matière, on ne peut pas utiliser des électrodes ayant des grandes dimensions, car le courant a la tendance de se concentrer en un point auquel il devient instantanément supérieur à un courant moyen, de sorte que cette zone est presque traversée par la totalité du courant et les autres zones ne sont pas chauffées. Lorsqu'on utilise un certain nombre d'électrodes plus petites pour éviter cet inconvénient, on doit prévoir des moyens permettant d'empêcher qu'une paire d'électrodes soit presque traversée par la totalité du courant, pour éliminer automatiquement le chauffage inégal.
La présente invention vise à éviter ces inconvé nients. Le dispositif selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comprend une source de cou rant électrique, plusieurs paires d'électrodes immer gées dans ladite masse, lesdites paires étant montées en parallèle et alimentées par ladite source, plusieurs transformateurs, une électrode au moins de chaque paire d'électrodes étant reliée en série à l'enroulement primaire .d'un transformateur, des moyens reliant en série les enroulements secondaires de manière qu'ils forment au moins une boucle fermée, de sorte que le même courant s'écoule à travers tous les enroule ments secondaires.
Le procédé de mise en action du dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'on chauffe ladite matière jusqu'à la fusion, en ce qu'on branche lesdites paires d'électrodes sur la source de courant, de sorte que le courant traverse ladite matière en fusion le long de plusieurs chemins, les variations de courant dans chaque chemin induisant dans ladite boucle d'emoulements secondaires des variations de courant proportionnelles à la somme des variations de cou rant dans lesdits chemins, ces variations du courant dans ladite boucle réduisent le courant dans un che min, lorsque son intensité est supérieure à une valeur moyenne et renforçant le courant dans un chemin, lorsque son intensité est inférieure à la valeur moyenne.
Le dessin ci-annexé représente à titre d'exemple une forme d'exécution de l'objet de la présente invention.
La fig. 1 est un schéma électrique d'un circuit de contrôle d'un four électrique ; la fig. 2 représente une coupe verticale d'un four de fusion du verre.
Au dessin, 10 est un réservoir contenant la ma tière devant être chauffée au moyen d'un courant électrique passant par cette matière, le long d'un certain nombre de chemins, pour chauffer -la masse contenue dans le réservoir de manière que la chaleur soit distribuée. Quoique d'autres moyens de chauffage du récipient ne soient pas montrés au dessin, il est évident, que le récipient 10 peut être chauffé d'abord à l'huile ou au gaz, surtout lorsque ce récipient a de grandes dimensions. A cause du coefficient de température négatif de certaines matières contenues dans le récipient 10, il est nécessaire de prévoir un contrôle du courant élevé appliqué par la source 11 au liquide.
Pour cette raison, il est préférable de fournir ce courant à travers un transformateur 12 ayant un enroulement secondaire 13 relié au moyen d'une paire de barres 14 et 15 à un dispositif de réglage de courant 16, pour contrôler l'échauffement.
Des électrodes sont immergées dans la matière devant être chauffée par résistance et l'échauffement a lieu à l'intérieur de la matière. Les électrodes 17 sont disposées d'un côté du récipient 10 et les élec trodes 18 du côté opposé de ce récipient, de sorte que les électrodes 17 et 18 forment des paires d'élec trodes pour constituer des chemins de courant à travers le liquide, qui sont séparés entre eux. Les électrodes peuvent être en molybdène, en charbon ou en platine, lorsqu'il s'agit d'un four de fusion du verre. Pour obtenir une distribution uniforme de la chaleur, ou un réglage de courant entre les différen tes paires d'électrode, on relie les enroulements pri maires connectés à la barre 14 à une électrode 17, respectivement.
En outre, on relie les enroulements primaires reliés à la barre 15 à une électrode 18, respectivement. Ainsi, chaque paire d'électrodes est alimentée au moyen de deux transformateurs. Les enroulements primaires 19 des transformateurs 21, 22, 23, 24 et 25 sont reliés en série aux électrodes 17. Les électrodes 17 sont disposées de préférence d'un côté du récipient 10 et elles sont également distancées, ou les distances entre ces électrodes sont adaptées aux conditions de chauffage. Les électrodes 18 sont disposées le long du côté opposé du récipient 10. Les électrodes 18 peuvent être connectées direc tement à un dispositif de contrôle de courant 16 au moyen d'une barre 15.
Toutefois, il est préférable de relier chaque électrode 18 au moyen d'un enrou lement primaire 20 d'un groupe des transformateurs 26, 27, 28, 29 et 30 au dispositif de contrôle 16. Il en est de même pour les électrodes 17.
Les enroulements secondaires des transforma teurs 21 à 30 sont les mêmes. Les enroulements secondaires 31 de transformateur 21 à 25 sont reliés en série, leur polarité étant la même, de sorte qu'une augmentation du courant dans les enroulements 19 induit une force électromotrice plus élevée dans les enroulements 31 qui sont reliés en série de manière que ces forces électromotrices induites s'ajoutent. Les enroulements secondaires 31 forment une boucle fermée, de sorte qu'un courant est induit dans cette boucle, lorsqu'un courant s'écoule à travers les enrou lements primaires 19 montés en parallèle et à tra vers les électrodes 17. De même, les enroulements primaires 20 des transformateurs 26-30 sont reliés en parallèle et à la barre 15.
Les enroulements secon daires 32 sont reliés en série de manière que les for ces électromotrices induites dans ces enroulements s'ajoutent ; ils forment une boucle fermée.
Dans le cas d'un récipient à grandes dimensions, il est préférable que les enroulements secondaires 31 forment un circuit distinct du circuit formé par les enroulements secondaires 32. Toutefois, il est possi ble de relier les enroulements secondaires 31 et 32 de manière qu'ils forment une seule boucle fermée, en tenant compte de la polarité, si l'on doit égaliser ou compenser tous les courants d'électrodes. A la fig. 1, une barre 34 relie les extrémités opposées des enrou lements secondaires 31 montés en série, et la barre 35 relie les extrémités opposées des enroulements secondaires 32, cependant que les connexions inté rieures permettent de faire varier le nombre de spires.
A la fig. 2 est représenté un récipient 10 destiné à la fusion du verre et au contrôle de la température avant la décharge du verre. Une paire de conducteurs 36, 37 est reliée à une source de courant alternatif 11 et aux transformateurs 21-25, ainsi qu'à un chemin de retour. Les parois du récipient 38 sont en une matière isolante et elles sont suffisamment épaisses pour assurer une isolation thermique conve nable et une résistance contre la décomposition. Le récipient 38 est équipé d'un tuyau de décharge 39 permettant d'évacuer des quantités convenables du verre liquide.
Une couverture 41 s'étend au-dessus de la sur face entière du récipient à l'exception de la porte d'alimentation 43 à travers laquelle la matière devant être fondue est introduite au moyen d'un tuyau de décharge 44 et d'un appareil transporteur 45. La matière introduite dans le tuyau de décharge 44 est normalement constituée par des ingrédients en quan tité déterminée. Ces ingrédients sont introduits à travers la porte 43. L'épaisseur du verre fondu 46 peut être, par exemple, égale à plusieurs décimètres et la surface de ce verre peut être égale à plusieurs milliers de décimètres carrés. Le tuyau de décharge 39 possède normalement un organe de fermeture 42, qui sert à interrompre l'écoulement du verre.
Les transformateurs 21, 22, 23, 24 et 25 sont reliés aux électrodes 17, qui peuvent être identiques pour équilibrer l'échauffement, mais il n'est pas nécessaire qu'ils soient identiques, lorsqu'il s'agit d'amener des différentes quantités de chaleur.
Il est nécessaire de contrôler la distribution du courant entre les électrodes, lorsqu'on utilise un chauffage direct par résistance du verre, à cause du coefficient de température négatif très élevé du verre fondu. Le procédé peut être rendu continu, de sorte que la matière fondue 36 ne se refroidit jamais et elle ne se solidifie pas. Les ingrédients peuvent être introduits dans le récipient 10 à l'état solide, habi tuellement en poudre, de- sorte qu'ils ont une très mauvaise conductibilité électrique. Par conséquent, on procède habituellement à un chauffage initial au gaz. Dans un procédé continu on supprime le chauf fage au gaz. En effet, la grande quantité du verre fondu 46 reçoit des apports d'ingrédients à partir du dispositif transporteur 45.
Ces ingrédients se mélan gent avec la masse du verre fondu 46 et ils fondent rapidement, de sorte que leur température corres pond à une résistance rendant possible le chauffage électrique. Ainsi, cet appareil peut être utilisé seule ment pour un chauffage électrique, ou pour un chauffage initial au gaz et un chauffage électrique, pour augmenter le pouvoir de fusion du four. Le contrôle de la chaleur amenée a lieu au moyen d'un dispositif de contrôle 16 et il est possible de contrôler avec précision la température de la matière fondue, lorsqu'elle quitte le four à travers le tuyau de décharge 39.
Malgré ce contrôle du courant d'alimentation du four, il n'est pas possible d'utiliser une paire d'élec trodes de grandes dimensions disposées de deux côtés du récipient, lorsque le coefficient de tempéra ture négatif de la matière est élevé, puisque le cou rant entre les électrodes le long d'un chemin parti culier provoque un échauffement local et une dimi nution de la résistance qui cause une augmentation du courant à travers un chemin conduisant un' courant trop élevé. D'autres zones du récipient reçoi vent une quantité de chaleur réduite, à cause de l'intensité limitée du courant et à cause de l'augmen tation relative de la résistance. Cet échauffement local empêche l'établissement d'une température uni forme dans le récipient.
Un courant excessif passant entre deux points d'une paire d'électrodes provoque la destruction de ces électrodes ou une réduction de la durée de vie de ces électrodes, de sorte que ce procédé de chauffage ne peut pas être utilisé.
Pour éviter ces inconvénients, on prévoit un grand nombre d'électrodes alimentées séparément par une source de courant. Les courants des différentes paires d'électrodes sont isolés les uns des autres. Il est préférable d'éliminer les courants transversaux entre les différentes paires d'électrodes. Pour cette raison, il est avantageux de contrôler séparément le courant dans chaque électrode disposée d'un côté du récipient et de contrôler séparément le courant dans chaque électrode disposée du côté opposé du récipient 10. Cet arrangement est représenté à la fig. 1.
Les barres 14 et 15 sont alimentées par un trans formateur 12 qui applique le même potentiel aux électrodes 17 et un potentiel opposé aux électrodes 18, deux fois pendant chaque période du courant alternatif d'alimentation. Lorsqu'un courant s'écoule dans chaque paire d'électrodes, des forces électro motrices égales sont induites dans les enroulements secondaires 31 et 32, par exemple, la même force électromotrice est induite dans l'enroulement secon daire 31 du transformateur 22 et dans l'enroulement secondaire 32 du transformateur 27, les transforma teurs 22 et 27 alimentant la paire d'électrodes 17 et 18.
Dans d'autres paires d'électrodes, les conditions sont les mêmes, lorsque les circuits sont identiques et les températures sont les mêmes dans le récipient. Un courant s'écoule dans chaque circuit secondaire, qui engendre une force contre-électromotrice s'oppo sant au passage du courant dans les enroulements primaires. Lorsque la température d'une zone de la matière fondue 33 est plus élevée que les tempéra tures d'autres zones, un courant plus élevé s'écoule entre les électrodes associées à cette zone. L'augmen tation du courant dans une paire des transformateurs 22 et 27 provoque une augmentation du courant dans tous les enroulements secondaires 31 et 32, la contribution des transformateurs 22 et 27 à ce courant secondaire étant supérieure à la contribution moyenne.
Une force contre-électromotrice est tou jours engendrée dans une bobine d'induction dans un sens tel qu'elle s'oppose au courant qui lui a donné naissance et elle est proportionnelle à ce courant. Si les transformateurs 22 et 27 produisaient respecti vement le courant secondaire total, une force contre- électromotrice serait induite dans chaque enroulement primaire et le potentiel appliqué par ces transforma teurs aux électrodes respectives serait rendu plus bas.
Les contributions des enroulements primaires d'autres transformateurs à la production du courant secon daire ne sont plus les mêmes et les forces contre- électromotrices induites dans ces enroulements deviennent plus petites, de sorte qu'un potentiel plus élevé est appliqué aux électrodes alimentées par des transformateurs. Ainsi, ce circuit sert à diminuer l'intensité du courant dans les chemins, dont la résistance est rendue plus petite et à augmenter le courant dans les chemins dont la résistance est ren due supérieure à une résistance moyenne.
Lorsque le déséquilibre des courants augmente, l'effet de la compensation de ce déséquilibre au- mente dans les électrodes conduisant un courant plus élevé et dans les électrodes conduisant un courant inférieur à un courant moyen. Un résultat contraire est obtenu, lorsque la température d'une paire d'électrodes diminue, par exemple, lorsqu'une charge de la matière est introduite dans le four à travers la porte 43. Cet effet est analogue à la réaction dans un amplificateur ou dans un servo-système, et il a pour but d'éliminer le déséquilibre des courants à travers les électrodes de chaque groupe.
Considérons à titre d'un exemple de fonction nement du dispositif décrit auparavant, le cas de trois transformateurs alimentant trois paires d'électrodes, le courant d'alimentation total étant égal à 100 A et la tension d'alimentation étant égale à 300 V. Si la résistance d'un chemin de courant est égale à 10 S2, la résistance d'un deuxième chemin à 9 52 et la résistance d'un troisième chemin un peu supérieur à 8 52, les tensions nécessaires pour égaliser ces cou rants sont respectivement égales à 333 V, 300 V et 267 V, la tension moyenne étant égale à 300 V.
Lorsque les enroulements secondaires sont montés en série, de sorte qu'ils forment une boucle fermée, leurs ampères-tours doivent être identiques. Les nom bres de spires sont donc identiques et les courants à travers les enroulements primaires doivent être les mêmes, puisque les flux dans les noyaux sont pro portionnels aux ampères-tours respectifs, ces flux embrassant l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire.
Il en résulte que l'enroulement secondaire correspondant à une résistance entre les électrodes inférieure à la résistance moyenne doit absorber 33 V (300 V - 267 V), cette tension étant appliquée par le transformateur correspondant au chemin dont la résistance est égale à 10 Q. Le courant s'écoulant dans les enroulements secondaires produit une chute de tension moyenne aux bornes des enroulements primaires en vertu des forces contre-électromotrices indiquées auparavant.
Dans ce qui précède on a admis que les trans formateurs 21-30 sont identiques, de sorte que l'échauffement dû au courant traversant les différentes paires d'électrodes est le même. Toutefois, dans cer tains cas, il peut être nécessaire d'apporter une quan tité de chaleur plus élevée à certaines zones, par exemple, à la zone située à l'extrémité du réservoir, ou une quantité de chaleur inférieure aux autres zones. Le circuit de contrôle décrit auparavant per met de distribuer convenablement les courants entre les paires d'électrodes. Lorsque tous les transforma teurs ont le même nombre de spires, ils appliquent le même potentiel aux différentes électrodes.
Lorsque les enroulements secondaires sont identiques, leurs ampères-tours sont de même identiques, puisque ces enroulements secondaires sont montés en série et ils conduisent le même courant. Lorsque les ampères- tours des enroulements secondaires sont identiques dans un groupe, les ampères-tours primaires corres pondants sont de même identiques, à condition que les enroulements secondaires soient montés de manière qu'ils forment une boucle fermée.
Lorsqu'il est nécessaire d'augmenter le courant traversant l'électrode alimentée par le transformateur 21, il faut augmenter le courant traversant l'enroulement 19 du transformateur 21, de sorte que ce courant est plus élevé que le courant traversant les enroulements pri maires des transformateurs du groupe, et on obtient un nombre d'ampères-tours correspondant au nom bre d'ampères-tours des enroulements secondaires du groupe. On peut de même réduire le nombre de spi res de l'enroulement primaire 19 du transformateur 21 par rapport au nombre de spires de l'enroulement secondaire de ce transformateur. Ainsi, en réduisant de moitié le rapport des nombres de spires, il est nécessaire de doubler le courant à travers l'enroule ment primaire 19 du transformateur 21.
Il peut être de même nécessaire de réduire le courant à travers une paire .d'électrodes, par exemple, située à proxi mité de la sortie du four. Cela peut être réalisé en augmentant le rapport des nombres de spires du transformateur 25, de sorte qu'un courant plus petit doit traverser l'enroulement primaire de ce transfor mateur, pour produire les ampères-tours secondaires qui sont les mêmes pour tous les transformateurs du groupe. Puisque les enroulements secondaires faisant partie d'un groupe sont montés en série, l'impédance réfléchie dans l'enroulement primaire de chaque transformateur dépend du rapport des nombres de spires des différents transformateurs.
Au lieu de chan ger le nombre de spires de l'enroulement primaire 19, on peut changer le nombre de spires de l'enroule ment secondaire 31 pour que le courant primaire de chaque transformateur soit inversement proportionnel au rapport des nombres de spires des transforma teurs du groupe. Habituellement il est nécessaire d'effectuer des changements semblables aux rapports des nombres de spires des transformateurs montés en série avec les électrodes 17 et 18 de chaque paire. Ainsi, lorsque le rapport des nombres de spires du transformateur 21 a été changé de manière que le courant traver sant l'électrode 17 soit plus élevé, il est nécessaire de modifier de la même façon le rapport des nom bres de spires du transformateur 26 pour que le cou rant s'écoule exclusivement entre les électrodes d'une paire.
Lorsqu'on doit réduire le courant dans l'élec trode associée au transformateur 25, on doit réduire de la même quantité le courant dans l'électrode asso ciée au transformateur 30. Chaque enroulement peut être muni de prises permettant de changer le rap port des nombres de spires.
Il résulte de la fig. 1 qu'on utilise des paires de transformateurs, dont les enroulements primaires sont reliés en série aux électrodes conduisant le courant de chauffage à travers la matière 33. Dans certains cas, il peut suffire d'utiliser un seul jeu de transforma teurs, comme à la fig. 2, qui sont reliés à un conduc teur d'alimentation 37. Le chemin de retour est cons titué par une électrode centrale commune, ou par un autre arrangement, l'autre connexion avec la source d'alimentation étant constituée par le conducteur 36.
Les électrodes 17 peuvent être disposées verticale ment et dans ce cas elles passent à travers le fond du récipient, ou elles peuvent être disposées de deux côtés du récipient, à condition que le courant fourni par les différentes électrodes 17 au chemin de retour 47 s'écoule à travers les différents chemins suffisam ment distancés les uns des autres, afin que la distri bution du courant soit équilibrée.
Il est en outre possible de procéder de la même façon à l'échauffement des différentes matières céra miques et des matières semi-conductrices qui ont un coefficient de température négatif élevé. Dans ce pro cédé, la compensation est automatique. Elle ne néces site aucun organe mobile, aucun entretien, aucun con tact de fermeture ou d'ouverture, tout en étant éco- conomique et bon marché.
On peut utiliser des barres en carborundum qui servent d'électrodes, ou d'éléments résistants. Lors qu'on doit utiliser un certain nombre de barres en carborundum et si l'on désire que la quantité de cha leur développée par chaque barre soit égale à une valeur moyenne, on peut relier ces barres à la source d'alimentation au moyen des enroulements primaires, comme montré à la fig. 1. Ces barres ont un coeffi cient de températures négatif et l'échauffement de de leur surface n'est pas partout le même, à moins que leurs dimensions ne soient petites.
Lorsqu'on utilise plusieurs paires de ces barres, il peut arriver qu'une paire de barres ou une seule barre, soit chauffée davantage que les autres, de sorte que sa résistance devient plus petite et sa température augmente, jus qu'à ce que la matière entourant cette barre soit contaminée par les produits de décomposition, ou la barre soit détruite par un échauffement local exces- sif. Les arcs de charbon ont de même un coefficient de température négatif élevé et ils peuvent être connectés de la même façon, pour égaliser les cou rants des différents circuits.
Un four de fusion du verre a été chauffé au moyen d'un certain nombre de paires d'électrodes alimentées par une source de courant alternatif, dont la tension a été égale à 300 V. Le déséquilibre de courant de chauffage des différentes électrodes a été supérieur à 200 A. Des enroulements primaires iden tiques ont été reliés dans chaque circuit à une paire d'électrodes et des enroulements secondaires ont été reliés en série comme montré à la fig. 1. Les dimensions des noyaux des transformateurs ont été suffisantes pour laisser passer un flux correspondant à une différence de tensions approximativement égal à 12V. aux bornes de l'enroulement primaire de chaque transformateur.
Les transformateurs ont eu une tension nominale, égale approximativement à 4 % de la tension employée. La réduction du désé- quilibre des courants dans les paires d'électrodes a été inférieure à 10 % du courant nominal.
Sans l'utilisation des enroulements décrits auparavant, ce déséquilibre a atteint le rapport 5 : 1 entre les diffé rentes électrodes. Un équilibre complet peut être réa lisé en augmentant la tension nominale de chaque transformateur.
En général, un rapport de transfor- mation de 10 % suffit pour un contrôle complet. Les dimensions des transformateurs peuvent être plus petites et l'étendue de réglage est plus élevée que celles indiquées par des calculs.
Chaque transformateur d'un groupe peut être un transformateur réducteur ou un transformateur élé vateur. Dans les cas d'un four de fusion du verre, les courants d'alimentation atteignent fréquemment plusieurs centaines d'ampères par électrode. On peut utiliser un courant plus petit dans la boucle secon daire, si l'on utilise des transformateurs élévateurs.
Ces effets sont basés sur les principes bien connus de fonctionnement des transformateurs, dans lequel les ampères-tours et les volts par spire jouent un rôle très important. Si les tensions différentes et des courants différents doivent être utilisés pour les différentes électrodes, les nombres de spires des enroulements primaires et de l'enroulement secon daire peuvent être établis sur la base de ces principes.
Device for balancing resistance heating of a molten mass consisting of a material having a negative temperature coefficient The present invention relates to a device for balancing resistance heating of a molten mass consisting of a material having a negative temperature coefficient. negative temperature coefficient and the method of activating said device.
Furnaces for melting glass and similar materials are usually heated with oil or gas, with the flames passing over the surface of the material, especially when the heat cannot be conducted through the walls. container or oven. Electric heating of a melting furnace is very advantageous. However, the use of electric heating is limited because of the characteristics of glass and similar materials which have a negative temperature coefficient, so that the conductivity of these materials increases as the temperature increases and so does so. unlimited local heating results.
This phenomenon does not occur when melting metals and other similar materials which generally have a positive temperature coefficient. When a metal is heated, its resistance increases with the temperature. As a result, a number of circuits connected in parallel to a common current source experience a temperature increase at the same rate, because if a particular circuit connected in parallel conducts a higher current, its heating is stronger and the increase in its temperature is greater, but the resistance of this circuit increases causing a decrease in the current flowing in this circuit. A network of self-adjusting parallel circuits is thus obtained.
In carborundum, in glass, in ceramics, the negative temperature coefficient causes the opposite effect. In the case of glass, the reduction in strength may be as much as 50% or more, when the temperature increases by 10%.
Let us assume that the heating currents flow slowly through the electrodes disposed in the bath of a molten material. The current flowing between the particular points located on the opposing electrodes causes the heating of the material between these points. A zone, or a current path, can conduct a stronger current than a neighboring zone and the quantity of heat brought to this zone is proportional to the current which passes through it.
It is obvious that the passage of current in one area, which is not balanced by an equal current in other areas causes uneven heating which reduces the resistance between the electrodes, so that heating results. stronger room, and the amount of heat supplied to another zone of the tank decreases. This results in an imbalance of temperatures limited at the start only by the convection of the liquid, due to the stirring of the material. This results in rapid destruction of the electrodes due to overheating and contamination of the electrodes placed in the bath of molten material.
Electric heating of materials having a negative temperature coefficient has heretofore led to uneven heating, so that it has not been possible to frequently use this heating method.
It is further evident, that during the direct electric heating of such a material by means of a current passing through electrodes immersed in this material, one cannot use electrodes having large dimensions, since the current tends to concentrate at a point where it instantly becomes greater than an average current, so that this area is almost traversed by all of the current and the other areas are not heated. When using a number of smaller electrodes to avoid this inconvenience, means must be provided to prevent one pair of electrodes from being nearly passed through by all of the current, to automatically eliminate the uneven heating.
The present invention aims to avoid these drawbacks. The device according to the present invention is characterized in that it comprises a source of electric current, several pairs of electrodes immersed in said mass, said pairs being connected in parallel and supplied by said source, several transformers, one electrode at the same time. less of each pair of electrodes being connected in series to the primary winding of a transformer, means connecting in series the secondary windings so that they form at least one closed loop, so that the same current s' flows through all secondary windings.
The method for activating the device according to the invention is characterized in that said material is heated until it melts, in that said pairs of electrodes are connected to the current source, so that the current passes through said molten material along several paths, the current variations in each path inducing in said secondary mold loop current variations proportional to the sum of the current variations in said paths, these variations of the current in said loop reducing the current in a path, when its intensity is greater than an average value and reinforcing the current in a path, when its intensity is less than the average value.
The accompanying drawing shows by way of example an embodiment of the object of the present invention.
Fig. 1 is an electrical diagram of a control circuit of an electric furnace; fig. 2 shows a vertical section of a glass melting furnace.
In the drawing, 10 is a tank containing the material to be heated by means of an electric current passing through this material, along a number of paths, to heat the mass contained in the tank so that the heat be distributed. Although other means of heating the container are not shown in the drawing, it is obvious that the container 10 can be heated first with oil or gas, especially when this container has large dimensions. Because of the negative temperature coefficient of certain materials contained in the container 10, it is necessary to provide for control of the high current applied by the source 11 to the liquid.
For this reason, it is preferable to supply this current through a transformer 12 having a secondary winding 13 connected by means of a pair of bars 14 and 15 to a current regulator 16, to control the heating.
Electrodes are immersed in the material to be resistance heated and heating takes place inside the material. The electrodes 17 are arranged on one side of the container 10 and the electrodes 18 on the opposite side of this container, so that the electrodes 17 and 18 form pairs of electrodes to constitute current paths through the liquid, which are separated from each other. The electrodes can be made of molybdenum, carbon or platinum, in the case of a glass melting furnace. To achieve a uniform heat distribution, or current control between the different electrode pairs, the primary windings connected to bar 14 are connected to electrode 17, respectively.
Further, the primary windings connected to the bar 15 are connected to an electrode 18, respectively. Thus, each pair of electrodes is supplied by means of two transformers. The primary windings 19 of the transformers 21, 22, 23, 24 and 25 are connected in series with the electrodes 17. The electrodes 17 are preferably arranged on one side of the container 10 and they are also spaced apart, or the distances between these electrodes are adapted to the heating conditions. The electrodes 18 are disposed along the opposite side of the container 10. The electrodes 18 can be connected directly to a current monitoring device 16 by means of a bar 15.
However, it is preferable to connect each electrode 18 by means of a primary winding 20 of a group of transformers 26, 27, 28, 29 and 30 to the control device 16. It is the same for the electrodes 17.
The secondary windings of transformers 21 to 30 are the same. The secondary windings 31 of transformer 21 to 25 are connected in series, their polarity being the same, so that an increase in the current in the windings 19 induces a higher electromotive force in the windings 31 which are connected in series so that these induced electromotive forces are added. The secondary windings 31 form a closed loop, so that a current is induced in this loop, when a current flows through the primary windings 19 mounted in parallel and through the electrodes 17. Likewise, the Primary windings 20 of transformers 26-30 are connected in parallel and to the bar 15.
The secondary windings 32 are connected in series so that the forces of these electromotors induced in these windings are added; they form a closed loop.
In the case of a large-sized container, it is preferable that the secondary windings 31 form a circuit distinct from the circuit formed by the secondary windings 32. However, it is possible to connect the secondary windings 31 and 32 so that they form a single closed loop, taking into account the polarity, if one has to equalize or compensate all the electrode currents. In fig. 1, a bar 34 connects the opposite ends of the secondary windings 31 mounted in series, and the bar 35 connects the opposite ends of the secondary windings 32, while the internal connections allow the number of turns to be varied.
In fig. 2 is shown a vessel 10 for melting the glass and for controlling the temperature before discharging the glass. A pair of conductors 36, 37 is connected to an alternating current source 11 and to transformers 21-25, as well as to a return path. The walls of the container 38 are of insulating material and are thick enough to provide adequate thermal insulation and resistance against decomposition. The container 38 is equipped with a discharge pipe 39 for discharging suitable quantities of the liquid glass.
A cover 41 extends over the entire over face of the container with the exception of the feed door 43 through which the material to be melted is introduced by means of a discharge pipe 44 and a conveyor apparatus 45. The material introduced into the discharge pipe 44 is normally constituted by ingredients in determined quantity. These ingredients are introduced through the door 43. The thickness of the molten glass 46 can be, for example, equal to several decimeters and the area of this glass can be equal to several thousand square decimeters. The discharge pipe 39 normally has a closure member 42, which serves to interrupt the flow of the glass.
The transformers 21, 22, 23, 24 and 25 are connected to the electrodes 17, which can be identical in order to balance the heating, but it is not necessary that they be identical, when it comes to bringing different amounts of heat.
It is necessary to control the current distribution between the electrodes, when using direct resistance heating of the glass, because of the very high negative temperature coefficient of the molten glass. The process can be made continuous, so that the melt 36 never cools and it does not solidify. The ingredients can be introduced into the container 10 in a solid state, usually a powder, so that they have very poor electrical conductivity. Therefore, an initial gas heating is usually done. In a continuous process, gas heating is eliminated. Indeed, the large amount of molten glass 46 receives inputs of ingredients from the conveyor device 45.
These ingredients mix with the mass of the molten glass 46 and they melt quickly, so that their temperature corresponds to a resistance making electric heating possible. Thus, this apparatus can be used only for electric heating, or for initial gas heating and electric heating, to increase the melting power of the furnace. The control of the heat supplied takes place by means of a control device 16 and it is possible to precisely control the temperature of the molten material, as it leaves the furnace through the discharge pipe 39.
Despite this control of the furnace feed current, it is not possible to use a pair of large electrodes arranged on two sides of the container, when the negative temperature coefficient of the material is high, since the current between the electrodes along a particular path causes local heating and a decrease in resistance which causes an increase in current through a path carrying too high a current. Other areas of the vessel receive a reduced amount of heat, due to the limited amperage and the relative increase in resistance. This local heating prevents the establishment of a uniform temperature in the container.
Excessive current flowing between two points of a pair of electrodes causes destruction of these electrodes or a reduction in the life of these electrodes, so that this heating method cannot be used.
To avoid these drawbacks, a large number of electrodes supplied separately by a current source are provided. The currents of the different pairs of electrodes are isolated from each other. It is preferable to eliminate the cross currents between the different pairs of electrodes. For this reason, it is advantageous to separately control the current in each electrode arranged on one side of the container and to separately control the current in each electrode arranged on the opposite side of the container 10. This arrangement is shown in FIG. 1.
The bars 14 and 15 are supplied by a transformer 12 which applies the same potential to the electrodes 17 and an opposite potential to the electrodes 18, twice during each period of the supply alternating current. When a current flows through each pair of electrodes, equal electromotive forces are induced in the secondary windings 31 and 32, for example, the same electromotive force is induced in the secondary winding 31 of the transformer 22 and in the secondary winding 32 of the transformer 27, the transformers 22 and 27 supplying the pair of electrodes 17 and 18.
In other pairs of electrodes, the conditions are the same, when the circuits are the same and the temperatures are the same in the container. A current flows in each secondary circuit, which generates a counter-electromotive force opposing the flow of current in the primary windings. When the temperature of one zone of the melt 33 is higher than the temperatures of other zones, a higher current flows between the electrodes associated with that zone. The increase in current in a pair of transformers 22 and 27 causes an increase in current in all secondary windings 31 and 32, the contribution of transformers 22 and 27 to this secondary current being greater than the average contribution.
A counter-electromotive force is always generated in an induction coil in such a way that it opposes the current which gave it birth and it is proportional to this current. If the transformers 22 and 27 produced the full secondary current respectively, a back EMF would be induced in each primary winding and the potential applied by these transformers to the respective electrodes would be made lower.
The contributions of the primary windings of other transformers to the production of the secondary current are no longer the same and the counter-electromotive forces induced in these windings become smaller, so that a higher potential is applied to the electrodes fed by the electrodes. transformers. Thus, this circuit serves to decrease the intensity of the current in the paths, the resistance of which is made smaller, and to increase the current in the paths whose resistance is made greater than an average resistance.
As the current imbalance increases, the effect of compensating for this imbalance is increased in the electrodes carrying a higher current and in the electrodes carrying a current lower than an average current. An opposite result is obtained, when the temperature of a pair of electrodes decreases, for example, when a charge of the material is introduced into the furnace through the gate 43. This effect is analogous to the reaction in an amplifier or in a servo system, and its purpose is to eliminate the imbalance of currents through the electrodes of each group.
Let us consider, as an example of the operation of the device described previously, the case of three transformers supplying three pairs of electrodes, the total supply current being equal to 100 A and the supply voltage being equal to 300 V. If the resistance of a current path is equal to 10 S2, the resistance of a second path to 9 52 and the resistance of a third path a little greater than 8 52, the voltages necessary to equalize these currents are respectively equal to 333 V, 300 V and 267 V, the average voltage being equal to 300 V.
When the secondary windings are connected in series, so that they form a closed loop, their ampere-turns should be the same. The numbers of turns are therefore identical and the currents through the primary windings must be the same, since the fluxes in the cores are proportional to the respective ampere-turns, these fluxes embracing the primary winding and the secondary winding.
As a result, the secondary winding corresponding to a resistance between the electrodes lower than the average resistance must absorb 33 V (300 V - 267 V), this voltage being applied by the transformer corresponding to the path whose resistance is equal to 10 Q The current flowing through the secondary windings produces an average voltage drop across the primary windings by virtue of the back EMF forces indicated above.
In the foregoing it has been admitted that the transformers 21-30 are identical, so that the heating due to the current flowing through the different pairs of electrodes is the same. However, in some cases it may be necessary to supply a higher amount of heat to certain zones, for example, to the zone at the end of the tank, or a lower amount of heat to other zones. The control circuit described above makes it possible to distribute the currents properly between the pairs of electrodes. When all the transformers have the same number of turns, they apply the same potential to the different electrodes.
When the secondary windings are identical, their ampere-turns are likewise identical, since these secondary windings are connected in series and they conduct the same current. When the secondary windings have the same ampere-turns in a group, the corresponding primary ampere-turns are likewise the same, provided that the secondary windings are mounted to form a closed loop.
When it is necessary to increase the current flowing through the electrode supplied by the transformer 21, the current flowing through the winding 19 of the transformer 21 must be increased, so that this current is higher than the current flowing through the primary windings transformers of the group, and we obtain a number of ampere-turns corresponding to the number of ampere-turns of the secondary windings of the group. It is also possible to reduce the number of turns of the primary winding 19 of the transformer 21 relative to the number of turns of the secondary winding of this transformer. Thus, by halving the ratio of the numbers of turns, it is necessary to double the current through the primary winding 19 of the transformer 21.
It may also be necessary to reduce the current through a pair of electrodes, for example, located near the exit of the furnace. This can be achieved by increasing the ratio of the numbers of turns of transformer 25, so that a smaller current must flow through the primary winding of that transformer, to produce the secondary ampere-turns which are the same for all transformers. of the group. Since the secondary windings that are part of a group are connected in series, the impedance reflected in the primary winding of each transformer depends on the ratio of the numbers of turns of the different transformers.
Instead of changing the number of turns of the primary winding 19, the number of turns of the secondary winding 31 can be changed so that the primary current of each transformer is inversely proportional to the ratio of the numbers of turns of the transformers of the group. Usually it is necessary to make similar changes to the ratios of the number of turns of the transformers connected in series with the electrodes 17 and 18 of each pair. Thus, when the ratio of the numbers of turns of the transformer 21 has been changed so that the current through the electrode 17 is higher, it is necessary to modify the ratio of the numbers of turns of the transformer 26 in the same way to that the current flows exclusively between the electrodes of a pair.
When the current in the electrode associated with the transformer 25 must be reduced, the current in the electrode associated with the transformer 30 must be reduced by the same amount. Each winding can be provided with taps making it possible to change the ratio of the cables. number of turns.
It follows from fig. 1 that pairs of transformers are used, the primary windings of which are connected in series with the electrodes carrying the heating current through the material 33. In some cases it may be sufficient to use a single set of transformers, as in fig. 2, which are connected to a supply conductor 37. The return path is constituted by a common central electrode, or by another arrangement, the other connection with the supply source being constituted by the conductor 36.
The electrodes 17 may be arranged vertically and in this case they pass through the bottom of the container, or they may be arranged on two sides of the container, provided that the current supplied by the various electrodes 17 to the return path 47 is flows through the various paths sufficiently distanced from each other, so that the current distribution is balanced.
It is also possible to proceed in the same way to the heating of the various ceramic materials and of the semiconductor materials which have a high negative temperature coefficient. In this process, the compensation is automatic. It requires no moving parts, no maintenance, no closing or opening contact, while being economical and inexpensive.
Carborundum bars can be used which serve as electrodes, or resistant elements. When a certain number of carborundum bars are to be used and if it is desired that the quantity of heat developed by each bar is equal to an average value, these bars can be connected to the power source by means of the primary windings, as shown in fig. 1. These bars have a negative temperature coeffi cient and the heating of their surface is not the same everywhere, unless their dimensions are small.
When using several pairs of these bars, it may happen that one pair of bars or a single bar, is heated more than the others, so that its resistance becomes smaller and its temperature increases, until the material surrounding this bar is contaminated by the decomposition products, or the bar is destroyed by excessive local heating. Coal arcs also have a high negative temperature coefficient and can be connected in the same way, to equalize the currents of the different circuits.
A glass melting furnace was heated by means of a number of pairs of electrodes supplied by an alternating current source, the voltage of which was equal to 300 V. The heating current imbalance of the different electrodes was greater than 200 A. Identical primary windings were connected in each circuit to a pair of electrodes and secondary windings were connected in series as shown in fig. 1. The dimensions of the transformer cores were sufficient to allow a flux corresponding to a voltage difference approximately equal to 12V to pass. at the terminals of the primary winding of each transformer.
The transformers had a nominal voltage, equal to approximately 4% of the voltage employed. The reduction in the current imbalance in the electrode pairs was less than 10% of the rated current.
Without the use of the windings described above, this imbalance reached the ratio of 5: 1 between the different electrodes. Full equilibrium can be achieved by increasing the rated voltage of each transformer.
Usually a transformation ratio of 10% is sufficient for complete control. The dimensions of the transformers can be smaller and the setting range is higher than those indicated by calculations.
Each transformer in a group can be a reducing transformer or a step-up transformer. In the case of a glass melting furnace, the feed currents frequently reach several hundred amperes per electrode. A smaller current can be used in the secondary loop, if step-up transformers are used.
These effects are based on the well-known principles of transformer operation, in which ampere-turns and volts per turn play a very important role. If different voltages and different currents are to be used for the different electrodes, the numbers of turns of the primary windings and the secondary winding can be established on the basis of these principles.