EP0311506B1 - Creuset de four à induction - Google Patents

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EP0311506B1
EP0311506B1 EP88402505A EP88402505A EP0311506B1 EP 0311506 B1 EP0311506 B1 EP 0311506B1 EP 88402505 A EP88402505 A EP 88402505A EP 88402505 A EP88402505 A EP 88402505A EP 0311506 B1 EP0311506 B1 EP 0311506B1
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crucible
elements
conductive material
ducts
electrically conductive
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core
    • H05B6/24—Crucible furnaces
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core

Definitions

  • the present invention relates to a particular construction of an induction furnace crucible of the type made of an electrically conductive material, such as copper, surrounded externally by an induction coil.
  • the cylindrical wall of such crucibles is subjected to significant overheating both because of the molten charge which it surrounds and as clearances by Joule effect due to the induced currents of which it is the seat. It is therefore important to limit these overheating by inserting cooling circuits inside the wall.
  • the obligation to limit the currents induced in this same wall which, in addition to the thermal losses which they produce, also create an electromagnetic decoupling between the turn and the load, means that the wall consists of the assembly of longitudinal elements by their transverse faces, like a barrel stave, with an electrical insulating joint between two adjacent elements.
  • Figure 1 shows in perspective and partial section one of these crucibles already known.
  • the inductor 1 is a turn wound around longitudinal elements 2 which have a section in the form of a crown sector which embraces an angle C '. They are assembled by their transverse faces 3 to form the cylindrical wall of a crucible, which further comprises a bottom which does not appear in the figure. Seals 4 of electrical insulating material are interposed between the adjacent elements 2 and are pressed between the transverse faces 3.
  • the elements 2 each contain a hydraulic cooling circuit which is here a U-shaped duct 5 which extends over all their length.
  • One of its branches 6 communicates with a water supply pipe 8, the other branch 7 with a water discharge pipe 9.
  • the cooling water therefore travels successively through the two branches 6 and 7 of the conduit in U 5.
  • the two branches 6 and 7 are located on the same circumference, halfway between the external and internal surfaces of the cylindrical wall of the crucible.
  • the angle C 'of the elements 2 must therefore be sufficient to embrace the two branches; here it is 24 °, when we would like it to be as small as possible.
  • the invention overcomes these drawbacks by overcoming the prejudice that the elements 2 must each be cooled by an independent circuit. It shows that it is perfectly possible to have circumferential cooling circuits which pass in turn through several elements 2. The seals 4 can indeed perfectly seal.
  • the invention therefore relates to a crucible made of an electrically conductive material of an induction furnace consisting of longitudinal elements assembled together according to their transverse faces by means of electrical insulating joints, characterized in that the elements are pierced with conduits leading to their transverse faces and leading to similar conduits of the elements to which they are assembled, and in that the joints are impervious to coolants passing through the conduits.
  • the inductor 1 of FIGS. 2A and 2B is the same as in the previous figure, and there are longitudinal elements 12 in the form of crown sectors which embrace an angle C much less than the angle C 'in FIG. 1: approximately one or two degrees. It can be seen that the elements 12 then have a greater thickness than their width between their transverse faces 13, which means that the currents induced by the inductor 1 cannot develop there and that the electromagnetic losses, as well as the heating which they produce by Joule effect, are very reduced. Indeed, electrical insulating joints 14 are interposed as before between adjacent longitudinal elements 12.
  • the seals 14 must be drilled in front of the conduits 15, and at the same time prevent leaks between the cooling network and the outside, that is to say seal.
  • FIG 3 shows a possible embodiment of the invention.
  • the wall of the crucible is cut diametrically.
  • the elements 12 have a lower heel 16 which is in the form of a projection 17 of their external surface and of a reentrant 18 of their internal surface.
  • the cooling network made up of the channels 15 here forms two nested propellers 15 ′ and 15 ", each of which opens at its lower end into a cylindrical supply water box 19 on which the reentrants 18 fit together, and at its upper end in a cylindrical drainage water box 20 which fits around the upper edge 21 of the elements 12.
  • the drainage water box 20 is supported on the upper edge 22 of a coating ring 23 disposed around the elements 12 and which is itself supported on the projections 17. It is electrically insulating such that the fiberglass.
  • conduits 15 can form any number of helices, which is only limited by reasons of ease of construction.
  • FIG. 4 represents another possible embodiment of the invention, which differs from the previous one in that the hydraulic circuit is formed this time of several horizontal channels 30 which each extend over a circumference of the cylindrical wall.
  • a longitudinal element 32 of particular shape is then provided, possibly of greater angular extension than the others, the section of which is in the shape of an H and which thus comprises an internal wall 33, an external wall 34 and a median cross-member 35 connecting the two walls 33 and 34.
  • the cross-piece separates two vertical channels 36 and 37; one of them 36, on the right in the drawing, is traversed by the cooling water arriving from a supply pipe 38 and distributes this water in the horizontal channels 30; the other, 37, on the left in the drawing, collects and collects the water which has passed through the horizontal channels 30 before drain it through a drain hose 39.
  • FIG. 5 A particular advantage of the invention appears in Figure 5.
  • longitudinal elements 42 having a cylindrical upper part 43 connecting to a lower part 44 widening downwards from the inside can perfectly be envisaged: the volume occupied by the molten charge is then cylindro-conical with the point of the cone at the bottom and it leads to a drain neck 45 of small diameter delimited by the lower parts 44.
  • These longitudinal elements 12 have a much narrower width near the drain neck 45. It is however possible to cool them at this location by gradually increasing the width (radial dimension) of the section of the cooling conduits 15 for those located downwards.
  • the arrangement of the conduits 15 in through channels therefore presents a double advantage: it is possible either to reduce the losses in the crucible by constructing it with thinner and numerous elements, or to ensure the cooling of narrowed zones.

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Description

  • La présente invention se rapporte à une construction particulière de creuset de four à induction du type en matériau conducteur électrique, tel que du cuivre, entouré extérieurement par une spire d'induction.
  • La paroi cylindrique de tels creusets est soumise à des échauffements importants tant à cause de la charge fondue qu'elle entoure que des dégagements par effet Joule dus aux courants induits dont elle est le siège. Il importe donc de limiter ces échauffements en insérant des circuits de refroidissement à l'intérieur de la paroi. Toutefois, l'obligation de limiter les courants induits dans cette même paroi qui, outre les pertes thermiques qu'ils produisent, créent en outre un découplage électromagnétique entre la spire et la charge, fait que la paroi est constituée de l'assemblage d'éléments longitudinaux par leurs faces transversales, à la façon des douves d'un tonneau, avec un joint isolant électrique entre deux éléments adjacents.
  • On voudrait restreindre autant que possible l'extension transversale de ces éléments, c'est-à-dire l'angle qu'ils embrassent, mais on est limité par les dimensions minimales des conduits de refroidissement.
  • La figure 1 représente en perspective et coupe partielle un de ces creusets déjà connus. L'inducteur 1 est une spire bobinée autour d'éléments longitudinaux 2 qui ont une section en forme de secteur de couronne qui embrasse un angle C'. Ils sont assemblés par leurs faces transversales 3 pour former la paroi cylindrique d'un creuset, qui comprend en outre un fond qui n'apparaît pas sur la figure. Des joints 4 en matériau isolant électrique sont interposés entre les éléments 2 adjacents et sont pressés entre les faces transversales 3.
  • Les éléments 2 renferment chacun un circuit hydraulique de refroidissement qui est ici un conduit en U 5 qui s'étend sur toute leur longeur. Une de ses branches 6 communique avec un tuyau d'alimentation d'eau 8, l'autre branche 7 avec un tuyau d'evacuation d'eau 9. L'eau de refroidissement parcourt donc successivement les deux branches 6 et 7 du conduit en U 5.
  • Ici, les deux branches 6 et 7 sont situées sur la même circonférence, à mi-chemin des surfaces externe et interne de la paroi cylindrique du creuset. L'angle C' des éléments 2 doit donc être suffisant pour embrasser les deux branches ; il est ici de 24°, alors qu'on le souhaiterait aussi petit que possible.
  • Le problème n'est pas fondamentalement différent si les deux branches sont placées à des profondeurs différentes de la paroi et sur le même rayon, ou si on remplace le conduit en U 5 par un conduit rectiligne vertical avec un tuyau d'alimentation en haut et un tuyau d'évacuation en bas. L'angle C' ne peut être que légèrement diminué par ces aménagements.
  • L'invention permet de s'affranchir de ces inconvénients en surmontant le préjugé selon lequel les éléments 2 doivent être refroidis chacun par un circuit indépendant. Elle montre qu'il est parfaitement possible de disposer des circuits de refroidissement circonférentiels et qui passent tour à tour par plusieurs éléments 2. Les joints 4 peuvent en effet parfaitement assurer l'étanchéité.
  • En conséquence, on peut réduire l'angle embrassé par les éléments 2 jusqu'à des valeurs inconnues auparavant, de l'ordre du degré. Les courants induits dans le creuset sont alors négligeables, et des gains d'énergie considérables en résultent.
  • L'invention concerne donc un creuset en matériau conducteur électrique de four à induction se composant d'éléments longitudinaux assemblés entre eux selon leurs faces transversales par l'intermédiaire de joints isolants électriques, caractérisé en ce que les éléments sont percés de conduits débouchant sur leurs faces transversales et débouchant sur des conduits analogues des éléments auxquels ils sont assemblés, et en ce que les joints sont étanches à des liquides de refroidissement parcourant les conduits.
  • Cette invention va à présent être décrite à l'aide des figures annexées dont l'énumération suit, et qui sont données à titre illustratif et nullement limitatif :
    • la figure 1, déjà décrite, représente un creuset selon l'art antérieur ;
    • la figure 2A représente un creuset selon l'invention ;
    • la figure 2B représente un détail de la figure 2A ;
    • les figures 3, 4 et 5 représentent trois réalisations particulières de l'invention.
  • L'inducteur 1 des figures 2A et 2B est le même que sur la figure précédente, et on retrouve des éléments longitudinaux 12 en forme de secteurs de couronne qui embrassent un angle C très inférieur à l'angle C' de la figure 1 : environ un ou deux degrés. On voit que les éléments 12 ont alors une épaisseur plus importante que leur largeur entre leurs faces transversales 13, ce qui fait que les courants induits par l'inducteur 1 ne peuvent s'y développer et que les pertes électromagnétiques, de même que l'échauffement qu'ils produisent par effet Joule, sont très réduits. En effet, des joints isolants électriques 14 sont interposés comme précédemment entre des éléments longitudinaux 12 adjacents.
  • La principale différence de structure avec la figure 1 est que des conduits circonférentiels 15, étagés sur la hauteur des éléments 12, traversent ces derniers et débouchent sur leurs faces latérales 13 où ils se raccordent aux conduits 15 correspondants des éléments 12 adjacents pour former un réseau hydraulique global de refroidissement. Bien entendu, les joints 14 doivent être percés en face des conduits 15, et en même temps empêcher des fuites entre le réseau de refroidissement et l'extérieur, c'est-à-dire assurer l'étanchéité.
  • La figure 3 représente une exécution possible de l'invention. La paroi du creuset est coupée diamétralement. Les éléments 12 présentent un talon inférieur 16 qui se présente sous forme d'une saillie 17 de leur surface externe et d'un rentrant 18 de leur surface interne. Le réseau de refroidissement constitué des canaux 15 forme ici deux hélices imbriquées 15' et 15" dont chacune débouche à son extrémité inférieure dans une boîte à eau cylindrique d'alimentation 19 sur laquelle les rentrants 18 s'emboîtent, et à son extrémité supérieure dans une boîte à eau cylindrique d'évacuation 20 qui s'emboîte autour du rebord supérieur 21 des éléments 12.
  • La boîte à eau d'évacuation 20 s'appuie sur le rebord supérieur 22 d'un anneau d'enrobage 23 disposé autour des éléments 12 et qui s'appuie lui-même sur les saillies 17. Il est en isolant électrique tel que la fibre de verre.
  • Les boîtes à eau 19 et 20, ainsi que l'anneau d'enrobage 23, assurent donc la solidarisation mécanique des éléments longitudinaux 12.
  • Un fond 24 en matériau réfractaire, pourvu d'un orifice d'évacuation 25 de la charge fondue, complète le dispositif. Il est placé au milieu de la boîte à eau d'alimentation 19, dans l'espace qu'elle délimite.
  • Bien entendu, les conduits 15 peuvent former un nombre quelconque d'hélices, qui n'est limité que par des raisons de facilité de construction.
  • La figure 4 représente une autre réalisation possible de l'invention, qui diffère de la précédente en ce que le circuit hydraulique est formé cette fois de plusieurs canaux horizontaux 30 qui s'étendent chacun sur une circonférence de la paroi cylindrique. On prévoit alors un élément longitudinal 32 de forme particulière, éventuellement de plus grande extension angulaire que les autres, dont la section est en forme de H et qui comprend ainsi un paroi interne 33, une paroi externe 34 et une traverse 35 médiane reliant les deux parois 33 et 34. La traverse sépare deux canaux verticaux 36 et 37 ; l'un d'eux 36, à droite sur le dessin, est parcouru par l'eau de refroidissement arrivant d'un tuyau d'alimentation 38 et distribue cette eau dans les canaux horizontaux 30 ; l'autre, 37, à gauche sur le dessin, collecte et rassemble l'eau qui a parcouru les canaux horizontaux 30 avant de l'évacuer par un tuyau d'évacuation 39.
  • Un avantage particulier de l'invention apparaît sur la figure 5. Avec les conceptions de l'art antérieur, il n'est pas possible de refroidir correctement des parties rétrécies de creuset. Par contre, des éléments longitudinaux 42 présentant une partie supérieure cylindrique 43 se raccordant à une partie inférieure 44 s'élargissant vers le bas par l'intérieur peuvent parfaitement être envisagés : le volume occupé par la charge fondue est alors cylindro-conique avec la pointe du cône en bas et il débouche sur un goulot de vidange 45 de petit diamètre délimité par les parties inférieures 44. Ces éléments longitudinaux 12 présentent une largeur beaucoup plus réduite près du goulot de vidange 45. Il est toutefois possible de les refroidir à cet endroit en augmentant progressivement la largeur (dimension radiale) de la section des conduits de refroidissement 15 pour ceux situés vers le bas.
  • La disposition des conduits 15 en canaux traversants présente donc un double intérêt : on peut soit réduire les pertes dans le creuset en le construisant avec des éléments plus fins et nombreux, soit assurer le refroidissement de zones rétrécies.
  • Bien entendu, on peut concevoir de nombreuses autres formes et constitutions de ces canaux de refroidissement sans sortir du cadre défini par les revendications.

Claims (5)

  1. Creuset en matériau conducteur électrique de four à induction se composant d'éléments longitudinaux (12 ; 22, 32, 42) assemblés entre eux selon leurs faces transversales (13) par l'intermédiaire de joints (14) isolants électriques, caractérisé en ce que les éléments sont percés de conduits (15) débouchant sur leurs faces transversales (13) et débouchant sur des conduits analogues des éléments auxquels ils sont assemblés, et en ce que les joints (14) sont étanches à des liquides de refroidissement parcourant les conduits (15).
  2. Creuset en matériau conducteur électrique de four à induction suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les conduits (15) forment au moins une hélice à l'intérieur du creuset.
  3. Creuset en matériau conducteur électrique de four à induction suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les conduits (15) forment des anneaux (30) parallèles à l'intérieur du creuset, traversés chacun par un conduit longitudinal d'alimentation (36) en un conduit longitudinal d'évacuation (37).
  4. Creuset en matériau conducteur électrique de four à induction suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments ont une distance entre leurs faces transversales (13) inférieure à l'épaisseur du creuset.
  5. Creuset en matériau conducteur électrique de four à induction suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le creuset présente une partie rétrécie (45).
EP88402505A 1987-10-06 1988-10-04 Creuset de four à induction Expired - Lifetime EP0311506B1 (fr)

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FR8713778 1987-10-06

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EP0311506A1 EP0311506A1 (fr) 1989-04-12
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