CN108603723A - 通过两个电磁感应器加热的具有形成磁通量集中器的装置的冷坩埚炉，该炉用于熔化作为熔体的金属和氧化物的混合物的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷坩埚炉，包括：坩埚，用于容纳待熔化的导电材料，壁由导电材料制成，并且包括围绕轴线X旋转的侧部圆柱形壳体和至少设有至少一个柱塞的底板，侧部壳体和底板各自被分成与轴线X平行的电绝缘部段；至少一个侧部感应器，其具有围绕侧部壳体缠绕的至少一匝；至少一个底部感应器，其具有围绕轴线X缠绕的与底板的下表面相对的至少一匝，在柱塞下方保留自由区域；由铁磁部件构成的至少一个磁通量集中器，其包括与底部感应器的下表面和外周边相对布置的至少一个侧壁和底壁。

Description

通过两个电磁感应器加热的具有形成磁通量集中器的装置的 冷坩埚炉，该炉用于熔化作为熔体的金属和氧化物的混合物 的用途
技术领域
本发明涉及一种通过电磁感应加热的冷坩埚炉，其用于熔化至少一种导电材料(诸如氧化物和/或金属)，包括两个具有至少一匝的感应器。
根据本发明的冷坩埚炉可以是自坩埚炉。
所针对的一个特别有利的应用是熔化金属和氧化物的混合物。熔体(corium)是熔融材料(UO2、ZrO2、Zr、钢)的混合物，在严重核事故的情况下，它能够在核燃料组件和核控制棒熔化期间形成。
尽管参照熔体的熔化进行描述，但本发明还适用于任何导电材料的电磁感应熔化。这里指定熔化可以完全在氧化物上进行，该氧化物尽管在冷却时形成非常良好的电绝缘体，但在一定温度以上是导电的。因此，在本发明的上下文中，当必须进行氧化物的熔化时，这种熔化首先借助于电阻加热器开始，该电阻加热器优选地是围绕炉的金属环的形式(通常称为金属基座)，然后，一旦氧化物达到一定温度并因此导电，就可以用根据本发明的炉在氧化物中进行感应。
因此，本发明特别适用于在铸造或冶金中使用的炉。
背景技术
在铸造或冶金领域中，材料的生产通常要求它们熔化并保持它们的液态足够长的时间，以获得液体相对于各种组分的均匀性或温度的均匀性，或者能够在液体内进行化学反应。为了做到这一点，重要的是混合作用搅动液体。因此，在这些领域中，非常常见的进行大量金属熔化的工艺是在坩埚炉中进行电磁感应加热。这种工艺的主要优点是其使用简单、效率高，以及其避免了热能源与金属之间的任何接触的事实。
图1示出了感应炉1，其包括坩埚2，该坩埚用于容纳装料3，即一定质量和体积的导电材料。坩埚2的侧护套由被供以一定高频的交流电的感应器4包围，其用于通过电磁感应加热容纳于坩埚中的装料3。
如在该图1中所示，坩埚的壁由耐火材料(例如，捣打料)或导电材料(例如，石墨)制成。这些坩埚的一个缺点是它们的壁升高到装料的温度。因此，构成这些壁(容器)的耐火材料和容纳在其中的杂质能够扩散到熔融装料(内容物)中，这在坩埚用于容纳高反应性材料(例如基于钛或基于玻璃/搪瓷的合金，其处理旨在提供非常高纯度的产品)的情况下尤其麻烦。在发明人的具体实施领域中，这也是麻烦的：具体而言，他们面临需要进行作为熔体(UO2、ZrO2、Zr、钢)的金属和氧化物的混合物的熔化。然而，不仅产生耐火材料扩散到装料中的同样问题，而且用于熔化熔体所达到的温度约为3000K，而UO2的熔点大约是这个量级。除了二氧化钍(ThO2)(由于钍(Th)的放射性，导致无法提供)外，没有耐火材料能够承受这种温度。
此外，坩埚还有其他缺点。首先，由于其多孔性，熔融装料的材料可能逐渐渗透到容器中。容器由于熔融材料的高反应性而逐渐溶解。由此，熔化不能持续很长时间。
因此，在前述条件下，坩埚(容器)壁的操作温度必然受到限制。
因此，用耐火材料和/或熔点非常高的材料进行反应材料熔化的可能解决方案在于使用坩埚，该坩埚利用相同的电磁感应加热原理，但被称为冷坩埚或冷壁坩埚。该文献还涉及自坩埚式感应炉，因为在炉的内周边处，抵靠冷壁形成有实际装料材料的固化层，这可以视为构成坩埚的内壁。冷坩埚炉对于少量(通常几十公斤)金属装料已经试验证明效果良好。
因此可以在冷坩埚炉中在高于1500℃，或甚至达到3100℃的高温下熔化的反应材料，可以是金属材料(诸如钛、钢或各种合金)，以及氧化物材料(诸如玻璃、氧化钛、稀土氧化物)或者其混合物(诸如上述熔体)或者是不太导电的其他材料(诸如硅、搪瓷、玻璃等)。
在图2至图4中示出了这种冷坩埚炉1的一部分：坩埚2由导电材料制成的壁形成，竖直地分成彼此电绝缘的若干中空纵向部段20。这些部段20通常由具有低电阻率和良好热交换质量的优点的金属(诸如铜)制成。此外，这些部段由冷却剂(未示出，通常是水)在内部流动通过。这种冷却剂可以在远低于装料熔点的温度(通常低于300℃)下使部段20的内表面与液体装料保持接触。
根据熔化过程的应力，冷坩埚2可以在侧护套21(也称为壳体)与底部22(也称为底板)之间包括单独部段20，如图2中所示。在这种构造中，侧护套21与底板22之间的界面具有一定程度的矩形形状。
如图3所示，侧护套21和底板23的每个部段20还可以形成一个相同部段20。在这种构造中，可以具有部段20，其内壁在侧护套21与底板22之间具有半球形形状。
冷坩埚2的侧护套21布置在具有至少一匝的感应器4内部，感应器被供以一定频率的交流电I，这在部段20中产生感应电流I，这些电流I行进通过坩埚的内壁而闭合并在内壁中产生磁场。因此，在感应器4中流动的高频电流在每个部段20中产生外周电流。在每个部段20的内周边处的电流组在坩埚所容纳的装料中产生电磁场。实际上，这种坩埚中的任何导电材料都是感应电流的“座位”，它与由感应器4产生的磁场相互作用，导致出现称为洛伦兹力的电动势。因此，在装料中感应的电流对应于感应器4的直接感应和冷坩埚2的间接感应的总和，这使得可以加热装料的材料，直到发生熔化，并且液体装料由于洛伦兹力以及此外由液体装料中的温度梯度产生的自然对流而混合。
由于冷却回路，部段20的内表面的温度远低于熔融装料的温度，并且在与坩埚2的部段20接触以及也与底板22接触时发生熔融材料的快速固化，这形成阻止部段的材料与熔融材料之间的任何反应的固体扩散阻挡层。换句话说，通过装料的固化产生几毫米或者甚至几厘米的薄壳层，这在现有技术中称为装料的自坩埚或冷坩埚。这种冷坩埚允许温度从大约20℃至250℃的温度梯度，其中由铜制成的冷坩埚高达熔融装料的固化温度。
因此，冷坩埚炉具有上述的所谓热坩埚感应炉的所有优点，诸如在高温下使用，此外由于没有坩埚的污染而具有高纯度的装料，进行混合使得熔融液体装料的组分均匀并改善了热传递且由此提高了温度均匀性。
另一方面，已知的冷坩埚炉由于其操作原理而受到一些限制。
如上所述，加热待熔化的装料材料的侧部感应器4通过焦耳效应将能量注入到在装料外周具有一定厚度的材料中，能量值根据感应器的供电电流的频率和待熔化的装料材料的电阻率而变化。由于坩埚的下部由导电材料(诸如铜)制成，因此它改变了磁场线，从而改变了感应电流。因此，通过焦耳效应注入的能量在坩埚的下部较弱，如图5所示，其中可以清楚地看到，感应能量密度分布Σ随着越来越靠近底板22而线性地快速地减小。
这种现象，与侧护套21和底板22的各部段20的冷却相结合，导致壳层厚度在底板22上比在侧护套21上更大，如图6所示。通常，底板22上的壳层厚度e1可能是侧护套21上的厚度e2的2至3倍，或甚至高达10倍，这取决于侧部感应器4的构造和实现的冷却。在图6中清楚地看到，壳层形成有两个厚度e1、e2，其容纳材料的熔融液浴B，在它们之间具有过渡区T。因此，尽管由侧部感应器4产生的洛伦兹力加强了热液压现象，但液浴B仍位于上部。
壳层厚度根据期望熔化的材料的类型而变化。导热率越低，壳层厚度可能越大。这里规定，对于诸如玻璃之类的透明材料，有必要考虑整体导热性(一部分由于传导并且一部分由于辐射)。对于导热率非常高(通常约为10至50瓦每米开尔文(W·m-1·K-1))的金属，壳层厚度可以约为几毫米，而对于氧化物和/或对于具有低导热率(通常约为1至5W·m-1·K-1)的材料，厚度可以达到几十毫米。
一旦(一种或多种)材料熔化，然后就可以以液态进行这种(这些)材料的熔融铸造。关于这一点，重要的是要考虑到以下事实：因此不能铸造的自坩埚的质量越大，熔化过程的材料产率越低。
可以设想两种铸造方法：或者通过坩埚的摆动；或者通过重力(通过移除嵌入底板22中的阻挡件23)。
在许多应用中，出于技术和成本原因，不能使用坩埚摆动方法。特别地，在发明人所面临的实施领域中，作为熔体的材料混合物的熔化需要在受控环境下操作。设想在这样的腔室内摆动冷坩埚炉将涉及非常大的腔室尺寸。此外，由于炉包括物理存在于其整个外周上的冷却回路的事实，摆动将有必要采取非常复杂的措施。最后，专用于摆动的时间可能非常严格。
重力铸造本身具有许多限制。首先，一旦移除阻挡件，为了清理材料液浴或材料混合物能够通过其流动的通孔，必须破坏坩埚底部的壳层。这是通过锤式机械元件实施的。
然而，壳层厚度越大，在不损坏壳层和/或周围设备的完整性的情况下破坏壳层就越困难甚至不可能。
因此，成功地进行传统铸造在于使熔融液浴过热。然而，由于同时存在液浴表面处的辐射损失、坩埚壁上的传导损失和到周围大气的对流损失，因此热损失是显著的。这些损失导致该过程的总产率可能非常低，约为10％。并且，在过热的情况下，根据过热温度，损失进一步增加1.5至2倍，这进一步影响了该过程的产率。为了对此进行补偿，感应发生器的电力增加并且冷却系统的尺寸加大。因此，整个设备仅对于铸造来说就尺寸过大，并伴随着高额成本。
即使采取这些措施，也不能确定过热是否足以实施铸造。
已经设想的一种解决方案在于在底板下方的铸造区域周围局部地添加感应器，这是阻挡件的定位区域并且通过移除阻挡件来进行清理。图7中示出了这种感应器，其被称为铸造感应器4'，因为其布置在铸造转移区域24周围。该铸造感应器4'使得可以在与铸造区域24成直线的液浴区域Zb周围产生额外的感应电流，并由此加热该区域Zb，这由此弱化了此高度处的壳层。图8示出了分别由侧部感应器4和铸造感应器4'感应的能量密度分布Σ1、Σ2。
例如在出版物[1]至[7]或专利EP 1 045 216B1中描述了这种具有铸造感应器的解决方案。该解决方案仅涉及在至多1700℃的温度下金属的熔化，诸如根据该专利的钛碎屑的熔化，因而可能不适合于与氧化物熔化有关的问题。
某些熔化过程需要其直径远大于其高度的坩埚。于是有必要将感应器布置在底板下方。在图9中示出了这种感应器(被称为底部感应器5)，其中还看到它产生的能量密度分布Σ3。在这种构造中，由于它们与液浴的自由表面直接相关，因此对流热损失可能很大，并且由于没有侧部感应器，所以侧护套壁上的传导热损失得不到补偿。
总之，传统冷坩埚炉的缺点与壳层厚度有关，壳层厚度沿正交于感应器位置的方向(太)大，由于在大多数情况下布置侧部感应器，因此壳层厚度通常在底部(底板)上大。这个大的厚度使得必须进行液浴的过热以局部地减少壳层，这具有增加热损失以及需要使感应发生器的电力和炉的冷却回路过大的主要缺点。
如在出版物[8]中所描述的，已经设想的一种解决方案在于，在非常远离位于底板下方的匝的位置处添加侧向匝并且最终与底部感应器形成单个感应器。这个侧向匝向液浴的上部注入局部能量。这种解决方案不适用于材料的总体(侧部和底部)熔化，诸如在本发明上下文中所针对的主要应用中考虑的熔化。
另一种解决方案在于布置两个感应器，也就是说除了侧部感应器之外，还添加称为底部感应器的感应器，其位于底板下方但离铸造区域一定空隙。
因此，可以在待熔化材料中获得能量密度的连续性，这使得可以减小底部上(即，与底板接触)的壳层厚度，而不需要像上述传统解决方案中那样使液浴过热。在不过热以获得熔化的情况下，热损失不会显著增加并且可以更好地优化感应能量。
专利US 4609425描述了这种具有冷坩埚炉的解决方案，该冷坩埚炉具有两个单独的感应器，包括侧部感应器和底部感应器。利用所述炉可以获得的熔点限制在约1550℃，这排除了任何氧化物的熔化。此外，炉底板的耐温性和介电材料的使用是棘手的，并且可能不适合于约2200℃且优选地3000℃的熔融。
专利US 4687646也公开了一种具有侧部感应器和底部感应器的冷坩埚炉。该专利当然提到氧化物的熔化，但所公开的炉实际上不能进行混合的氧化物/金属混合物的熔化，具有与根据专利US 4609425的炉相同的缺点，并且此外，由于其构造，禁止了任何重力铸造。
专利JP 10253260也公开了一种具有两个单独感应器的冷坩埚炉，其仅允许金属的熔化，具有约60Hz的非常低的感应频率且熔化温度低于氧化物的熔化温度。该专利的作者试图不惜一切代价阻止形成壳层，并因此将底部感应器专用于提升熔融物质，使其不会与底板接触。根据该专利的底部感应器支撑件和底板成形为限定底部感应器的冷却水回路。因此，底板必须是不漏的，并且其壁由此必然是连续的，也就是说它不被分成多个部段。因此，如果试图以较高的感应频率操作所提出的底部感应器，则极有可能感应电流不能穿过底板或者至少不能充分地穿过底板而产生令人满意的熔融。更具体地，为了获得氧化物的熔化，感应频率必须是几百kHz或甚至100kHz。洛伦兹力相对较低。因此，如果试图获得高熔化温度，则底板的介电材料可能不合适。相反，如果根据该专利JP 10253260的底板是金属的，在其未被分成部段的前提下，则在约100kHz的高频下感应的磁场不能穿过底板，并且因此不能在待熔化的装料中产生感应电流。
除了专利US 4609425、US 4687646和JP 10253260的上述缺点之外，所公开的具有两个单独感应器(侧部感应器和底部感应器)的解决方案具有一个主要缺点。两个感应器中的每个都可以在周围部件中感应出电流。特别地，并且最重要的是，由一个感应器感应的电流干扰另一个感应器，反之亦然，这种现象通常由术语“互感(mutuelles)”来表示。除了干扰感应器(特别是底部感应器)的效率降低的事实外，这还存在以下风险：对于可能具有不同操作频率的两个独立电流发生器而言，干扰是不可接受的，其控制电路可能不支持感应电流的返回。在用于两个感应器的单个电流发生器与用于在两个感应器上分配电力的系统组合的情况下，操作频率因此是相同的。于是，互感可能仅降低效率，而不具有优化的能量密度分布。
因此需要改进通过电磁感应加热的冷坩埚炉，特别是为了能够减少底板上的壳层的厚度，而不会产生熔融材料(特别是含有氧化物)的液浴的过热和/或不会显著地增加炉的设备成本，和/或不会产生可能干扰感应器的周围部件(特别是电流发生器)的有害感应电流。
本发明的目的是至少部分地满足这种需要。
发明内容
为了做到这一点，根据本发明的方面之一，本发明的一个主题是通过电磁感应加热的冷坩埚炉，其用于熔化至少一种导电材料，诸如氧化物和/或金属，该冷坩埚炉包括：
-坩埚，其用于容纳待熔化材料，其壁由导电材料制成，优选地由铜制成，并且包括侧护套和底部，侧护套具有围绕轴线X回转的大致圆柱体形状，底部(称为底板)设有至少一个阻挡件，侧护套和底板各自被分成平行于轴线X延伸的电绝缘部段；
-称为侧部感应器的至少一个感应器，其具有围绕侧护套的外周边缠绕的至少一匝；
-称为底部感应器的至少一个感应器，其具有围绕轴线X缠绕的与底板的下表面相对的至少一匝，同时留下阻挡件下方的区域不被占用。
这两个感应器(即，侧部感应器和底部感应器)用于熔化和均匀化待熔化装料。
根据本发明，炉进一步包括至少一个形成磁通量集中器的装置，该磁通量集中器由铁磁材料制成的部件构成，该磁通量集中器包括分别与底部感应器的下表面和外周边相对地布置的至少一个侧壁和一个底壁。
在本发明的上下文中，“磁通量集中器”在此应理解为表示由具有相对较高或甚至非常高的磁导率(即具有远大于1的μr值)的材料制成的部件。它可以有利地是由铁氧体制成的部件或由一叠磁性板构成的部件。
规定根据本发明的集中器部件具有围绕轴线X的大致回转形状，其可以包括一个或多个凹口、开口或凹槽，以允许在适当情况下底部感应器的供给电流通过，其可以另外地包括用于冷却底部感应器的传热流体的供给管。
因此，本发明在于围绕底部感应器的大部分(其不直接与底板相对)具有元件，该元件的较高或甚至非常高的磁导率使得可以将底部感应器产生的磁场限定在坩埚底部的与底板接触的区域中。
因此，通过限定或换句话说通过定位磁场，它们对待熔化装料材料的作用将得到改善。因此，在不需要使冷坩埚炉的设备尺寸过大的情况下，提高了底部感应器的效率。发明人相信，相对于具有两个感应器而没有根据本发明的集中器的解决方案，可以将产率提高到20％至30％的因数。
此外，根据本发明的集中器使得可以防止或至少极大地减少侧部感应器和底部感应器之间的互感的出现。这防止了感应发生器的电磁干扰的风险，并因此使得可以更容易地具有专用频率的两个不同馈源(一个用于侧部感应器，另一个用于底部感应器)。
最后，根据本发明的集中器使得可以增加待熔化材料内部的洛伦兹力。因此，由于根据本发明的集中器在配置中在待熔化装料中存在金属(其中传导热损失大于存在氧化物时的热损失)，因此装料的半悬浮状况可以增强，从而减少了由接触造成的热损失。这些配置中的频率优选地将较低。
根据本发明的磁集中器解决方案不同于本领域技术人员可能推荐的EM屏蔽屏：实际上，面临侧部感应器与底部感应器之间出现互感的问题时，本领域技术人员倾向于如常规那样在两个感应器之间形成电磁屏蔽屏，但是这样的屏不仅存在可能感应出对期望熔化目标有害的其他电流的风险，而且此外一定不会有效地限定底部感应器的磁场。还应该强调的是，在任何情况下，电磁屏蔽屏都不能比作根据本发明的磁通量集中器。
根据一个有利实施例，磁通量集中器部件还包括与底部感应器的内周边相对布置的侧壁，该部件的两个侧壁和底壁基本上限定出U形，其中底部感应器布置在U形中。利用这种辅助侧壁，避免了可能由旨在用于熔融材料的铸造的导电壁引起的所有电流的上升。
根据另一有利实施例，可以提供在侧部感应器下方布置可选地分段的辅助磁集中器环。在发明人进行计算之后，在两个感应器邻近且高势能的某些几何构造中，发明人能够观察到辅助磁集中器环的存在有利地使得可以极大地减少两个感应器之间的互感。
侧部感应器下方的这种辅助磁集中器使得可以改善上述磁集中器的结果。实际上，根据两个感应器的能量、频率和邻近性，该辅助磁集中器元件(环或部段)提高了底部感应器的效率并减少了互感，使得互感几乎不存在。
优选地，根据本发明的集中器部件由铁氧体制成或由磁性板制造。
根据一个有利变型，侧部感应器和底部感应器能够同时以不同频率操作。
根据这个变型，底部感应器的操作频率略低于侧部感应器的操作频率可能是有利的。
在待熔化的氧化物和混合氧化物/金属材料的情况下，对于约30kg至1000kg的装料容量：
-侧部感应器和底部感应器的电源尺寸设计为根据待熔化装料在约500Hz至300kHz的频率范围内操作；
-在熔化熔体的具体应用中，侧部感应器和底部感应器的电源优选地尺寸设计为在约80kHz至160kHz的频率范围内操作。
通常，可以选择侧部感应器或底部感应器的操作频率适合于熔化一种或多种金属，并且侧部感应器或底部感应器的另一个操作频率适合于熔化一种或多种氧化物。
根据本发明的另一方面，本发明的另一主题是上述炉用于熔化至少一种或多种金属与一种或多种氧化物的混合物的用途。
混合物可以是金属(钢、锆等)与氧化物(铀UO2、氧化锆等)以及混凝土组分的混合物，混合物作为熔体。
附图说明
在阅读详细描述时将更清楚地呈现其他优点和特征，所述详细描述参考以下附图以非限制性说明方式给出，在附图中：
图1是通过电磁感应加热的坩埚炉的局部剖切透视图；
图2是用于通过电磁感应加热的冷坩埚炉的坩埚的示例性实施例的局部剖切透视图，其中，侧护套和底板各自被分成相同的部段，侧护套的部段不同于底板的部段；
图3是用于通过电磁感应加热的冷坩埚炉的坩埚的另一示例性实施例的局部剖切透视图，其中侧护套和底板各自被分成相同部段，每个部段共用于侧护套和底板；
图4是坩埚炉的示意性俯视图，该坩埚炉也通过电磁感应加热，其形成冷坩埚炉；
图5是根据现有技术的由侧部感应器进行感应加热的冷坩埚炉的示意性纵向半剖视图，图5示出了沿侧护套壁的能量密度分布；
图6重复图5并且示出了坩埚中的熔融材料的液浴以及在侧护套和底板上的壳层的厚度；
图7是根据现有技术的由侧部感应器和铸造感应器进行感应加热的冷坩埚炉的示意性纵向半剖视图，图7示出了坩埚中的熔融材料的液浴以及阻挡件顶部上的局部熔化区域、在侧护套和底板上的自坩埚壳层的厚度；
图8重复图7并且示出了沿侧护套壁和阻挡件顶部上的能量密度分布；
图9是根据现有技术的通过感应加热的冷坩埚炉的示意性纵向半剖视图，其具有直径大于其高度的坩埚以及单个底部感应器，图9示出了沿底板壁的能量密度分布；
图10是根据本发明的通过感应加热的冷坩埚炉的示意性纵向半剖视图，其具有侧部感应器、底部感应器和磁通量集中器，图10示出了对于感应器之间具有相同操作频率时的沿侧护套壁和底板壁的能量密度分布；
图11重复图10，并且示出了坩埚中的熔融材料的液浴以及在侧护套和底板上的自坩埚壳层的厚度；
图12重复图10，并且示出了对于底部感应器的操作频率低于侧部感应器的操作频率时的沿侧护套壁和底板壁的能量密度分布；
图13是根据本发明的通过感应加热的冷坩埚炉的示意性纵向半剖视图，其具有侧部感应器、底部感应器和磁通量集中器，在侧部感应器下方添加有辅助磁通量集中器；
图14是类似于图13的视图，示出了根据本发明的辅助磁通量集中器的实施例变型。
具体实施方式
在整个本申请中，术语“竖直”、“下”、“上”、“底部”、“顶部”、“下方”和“在顶部上”、“内”、“外”应该参考相对于以竖直操作构造布置的通过感应加热的冷坩埚炉来理解。因此，在操作构造中，炉竖直地布置，其中熔融材料通过其底部(底板)向下排出。
已在序言中对图1至图9作出评述。因此，下面不再详细描述它们。
为了清楚起见，对于根据现有技术的和根据本发明的冷坩埚炉共同的元件用相同的附图标记表示。
图10中示出了根据本发明的冷坩埚炉1，其包括至少一个磁通量集中器6。这种炉1优选地用于执行作为熔体的包括金属和氧化物(诸如氧化铀UO2)的混合物的装料的熔化。
这种炉1包括由侧部感应器(即电磁感应线圈4)包围的铜坩埚2，电磁感应线圈具有围绕坩埚的侧护套21的外周缠绕的至少一匝。在所示的示例中，感应器4包括四个相同且彼此等距的连续匝40-43。
尽管未示出，但是坩埚2的侧壁被分成一定数量的相同的部段20。
坩埚2还包括底部22(称为底板)。底部22包括阻挡件23，一旦材料或材料的混合物经由熔化而处于液态，阻挡件就能够排出这种或者这些材料。
通过这样将坩埚2的侧壁或护套21分成部段20，当交流电流经过感应器4的匝时，感应电流不会保持局限在坩埚的周边处，而是绕过每个部段20，如结合图4在前序部分中已经说明的。每个部段20的内周边处的电流组在容纳于坩埚中的装料中产生电磁场。
因此，在装料中感应的电流对应于感应器4的直接感应和冷坩埚2的间接感应的总和，这使得可以加热装料的材料，直到发生熔化，并且液体装料由于洛伦兹力以及由液体装料中的温度梯度产生的自然对流而混合。当熔融装料变成液体时，它与坩埚2的壁接触，该壁由冷却回路(未示出)冷却，使液体固化，从而形成壳层，即由最初引入坩埚2中的装料的材料制成的固体层。
使用这种冷坩埚炉1有利于熔化作为熔体的包括氧化铀和金属的混合物的装料。实际上，氧化铀的熔点约为2865℃，远高于金属(特别是钛)的熔点。在这些温度下的金属的特征在于粘度几乎为零，也就是说它可以渗透到坩埚的最微小裂缝中。
通过如上所述地形成壳层，一方面确保存在于待熔化装料中的金属在任何情况下都不会侵蚀构成坩埚壁的金属，并且另一方面确保材料混合物保持其初始纯度。
优选地，由电绝缘材料制成的元件(未示出)布置在两个连续(相邻)部段20之间。这种绝缘元件不仅用于防止泄漏并减少热损失，而且用于在炉操作期间最小化铜部段20之间的电弧的形成。
如图10所示，炉1还包括底部感应器5，底部感应器具有与底板22的下表面相对的围绕轴线X缠绕的至少一匝50、51、52，留下阻挡件23下方的区域不被占用。在所示的示例中，底部感应器5具有三个相同且彼此等距的匝43。
以侧部感应器4和底部感应器5作为加热装置，使得可以获得在待熔化的装料材料中感应的能量密度的连续性。因此，可以更好地分布壳层厚度，而不需要像根据现有技术的传统解决方案那样使装料过热。因此，热损失不会显著增加，并且可以优化感应能量。
既然如此，发明人已经分析了由底部感应器5感应的电流可能干扰侧部感应器4的操作，反之亦然。这种被称为“互感”的现象可能进一步劣化较低的底部感应发生器。
因此，本发明人植入了磁通量集中器6，该磁通量集中器包括由铁磁材料制成的部件60，该部件包括至少一个侧壁61和一个底壁62，它们分别与底部感应器5的下表面和外周边相对地布置。
因此，由铁磁材料制成的部件60使得可以将底部感应器5产生的磁场限定在围绕中心阻挡件23的底板22上的局部区域中。
这使得不仅可以减少或者甚至消除任何互感，而且还可以提高底部感应器5的效率。这由图10示出，其中可以看出在侧护套21和底板22上都存在良好的感应能量密度分布Σ。
图11示出了借助于根据本发明的两个感应器4、5及磁通量集中器获得的熔融材料的均匀液浴B以及壳层厚度e的几乎均匀的分布。
根据一个有利实施例，当待熔化的装料包括氧化物和至少一种金属的混合物(诸如作为熔体的混合物)时，与底部感应器5的频率不同的交流电流在侧部感应器4中循环。实际上，金属(诸如通常在1800℃附近的钛)的温度显著低于氧化物(诸如2865℃附近的氧化铀UO2)的温度。
因此，通过向侧部感应器4和底部感应器5供给两种不同频率的电流，其中一种适合于金属的感应熔化，而另一个适合于氧化物的感应熔化，在确保混合并由此确保均匀混合物的同时，确保混合物组分的同时熔化，并且此外确保在整个熔化过程中一种或多种金属不直接与坩埚的壁接触。实际上，一方面，对于相同的材料，感应频率越高，穿透所述材料并因此在整体内产生焦耳效应加热的电磁波越多。
而且，如前所述，由于它们的熔点不同，氧化物需要较高的感应频率，而金属需要较低的感应频率。
最后，一旦炉内的熔化过程进行，当氧化物开始熔化时，金属的粘度几乎为零。
因此，通过使用单个感应频率来操作根据本发明的炉，仍有熔融金属渗入存在于坩埚壁中的最小裂缝的风险。还存在如同金属粘附在所述壁上的风险，这将具有对电磁波产生屏蔽以及可选性地劣化冷坩埚的不利影响。
因此，根据本发明的炉以两种不同的频率操作，一种频率用于侧部感应器4，另一种频率用于底部感应器5，使得可以避免或至少降低这些风险：在整个熔化过程中，金属被朝向坩埚内部向回推动。由此在熔融组分的平衡体系中获得均匀混合物。这样，特别是在其中待熔化装料主要包括氧化物的情况下，侧部感应器4和底部感应器5可以在相对相似或甚至相同的频率下操作。
图12示出了这种有利实施例，其中底部感应器5的操作频率低于侧部感应器4的操作频率：因此能量密度分布Σi在侧护套21上比在底板22上更低。
图13和图14中示出了根据本发明的炉的有利实施例。根据该实施例，提供在侧部感应器4下方布置的呈环7形式的辅助磁集中器元件(其可选地被分段)。
如所示，该环7可以包括正交于侧部感应器4的匝40、41、42、43延伸的单个壁70(图13)，或者它可以包括平行于侧部感应器4的匝40、41、42、43延伸的辅助壁71(图14)。
这种侧部感应器4下方的环7使得可以增强磁集中器6、60的结果。实际上，根据两个感应器4、5的能量、频率和邻近性，环7增强了底部感应器5的效率并减小了互感，使得互感几乎不存在。
优选地，侧部感应器4和底部感应器5的电源的尺寸设计为根据待熔化装料而在大约500Hz至300kHz的频率范围内操作。
更优选地，在熔化熔体的具体应用中，侧部感应器4和底部感应器5的电源的尺寸优选地设计为在大约80kHz至160kHz的频率范围内操作。
本发明不限于刚刚描述的示例；特别地，在未示出的变型中所示示例的特征可以彼此组合。
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Claims (11)

1.一种通过电磁感应加热的冷坩埚炉(1)，其用于熔化至少一种导电材料，诸如氧化物和/或金属，所述冷坩埚炉包括：
坩埚，其用于容纳待熔化材料，所述坩埚的壁(20)由导电材料制成，优选地由铜制成，并且包括具有围绕轴线X回转的大致圆柱体形状的侧护套(21)和称为底板(22)的底部，所述底板设有至少一个阻挡件(23)，所述侧护套(21)和所述底板(22)各自被分成平行于所述轴线X延伸的电绝缘部段；
称为侧部感应器(4)的至少一个感应器，其具有围绕所述侧护套的外周边缠绕的至少一匝(40，41，42，43)；
称为底部感应器(5)的至少一个感应器，其具有围绕轴线X缠绕的与所述底板下表面相对的至少一匝(50，51，52)，同时留下所述阻挡件(23)下方的区域不被占用，
其特征在于，所述冷坩埚炉进一步包括至少一个形成磁通量集中器(6)的装置，所述磁通量集中器由铁磁材料制成的部件(60)构成，包括，所述分别与所述底部感应器(5)的下表面和外周边相对地布置的至少一个侧壁(61)和一个底壁(62)。
2.根据权利要求1所述的冷坩埚炉，所述磁通量集中器的部件进一步包括与所述底部感应器(5)的内周边相对地布置的侧壁(63)，所述部件的两个侧壁(61，63)和底壁(62)基本上限定出U形，其中所述底部感应器(5)布置在所述U形中。
3.根据权利要求1或2所述的冷坩埚炉，包括位于所述侧部感应器下方的可选地分段的辅助磁集中器环(7，70，71)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的冷坩埚炉，所述部件由铁氧体制成或由磁性板制造。
5.根据上述权利要求中任一项所述的冷坩埚炉，所述侧部感应器(4)和所述底部感应器(5)能够同时以不同的频率操作。
6.根据权利要求5所述的冷坩埚炉，所述底部感应器的操作频率低于所述侧部感应器的操作频率。
7.根据上述权利要求中任一项所述的冷坩埚炉，所述侧部感应器和所述底部感应器的操作频率在约500Hz至300kHz之间。
8.根据权利要求7中任一项所述的冷坩埚炉，在混合物作为待熔化熔体的情况下，所述侧部感应器和所述底部感应器的操作频率在80kHz至160kHz之间。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的冷坩埚炉，所述侧部感应器(4)或所述底部感应器(5)的操作频率之一适合于熔化一种或多种金属，而所述侧部感应器(4)或所述底部感应器(5)的另一操作频率适合于熔化一种或多种氧化物。
10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的炉的用途，其用于熔化至少一种或多种金属与一种或多种氧化物的混合物。
11.根据权利要求10所述的用途，所述混合物是金属(钢、锆等)与氧化物(铀UO2、锆等)以及混凝土组分的混合物，所述混合物作为熔体。
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