FR2548856A1 - Dispositif de fusion par induction directe en cage froide segmentee - Google Patents

Abstract

FOUR OU DISPOSITIF DE FUSION 11 PAR INDUCTION DIRECTE DANS UN CREUSET DONT LA PAROI LATERALE EST CONSTITUEE PAR UNE CAGE FROIDE 20 SEGMENTEE, ENTOUREE D'UN INDUCTEUR 7 SUR UNE PARTIE DE SA HAUTEUR. L'INVENTION CONSISTE A MUNIR L'EXTERIEUR DES PARTIES DE LA CAGE FROIDE 20 COMPOSEE DE SEGMENTS TUBULAIRES METALLIQUES 30, ISOLES L'UN DE L'AUTRE QUI DEPASSENT DE L'INDUCTEUR 7 DE PART ET D'AUTRE, D'UN CIRCUIT MAGNETIQUE COMPOSE DE BARREAUX OU BATONNETS 8 EN FERRITE, DE PREFERENCE, DISPOSES DE MANIERE A CHEVAUCHER LES FENTES 4 ENTRE SEGMENTS 30 VOISINS. ELLE PERMET D'AMELIORER LE RENDEMENT DE CAGES DE CE TYPE. APPLICATION NOTAMMENT A L'ETIRAGE DE LINGOTS METALLIQUES PAR FUSION DE CHARGES DIVISEES, PAR UNE SOLE EN DEPLACEMENT VERS LE BAS.

Description

DISPOSITIF DE FUSION PAR INDUCTION DIRECTE
EN CAGE FROIDE SEGMENTEE
L'invention concerne un four ou dispositif de fusion par induction directe en cage froide segmentée, réalisée à l'aide d'éléments métalliques creux, parcourus par un fluide de refroidissement, et entourée par un inducteur, une telle cage segmentée etant sensiblement transparente pour le champ magnétique alternatif engendré par ce dernier et destine à chauffer au moins en partie la charge qu'elle contient.

Par cage froide on comprend ici la paroi latérale généralement cylindrique d'un creuset vertical, réalisée à l'aide de segments tubulaires métalliques, juxtaposés e isolés l'un de l'autre génera- lement soit par des espacements soit par l'interposition entre les segments de couches, de rubans (en feutre) ou de plaquettes en un matériau diélectrique, de préférence réfractaire, tel qu'une ceramique dls genre alumine (A12o3).

Un tel creuset métallique segmenté, utilisé pour la fusion par induction de metaux à point de fusion élevée (W, Ta, Th), a été mentionné, par exemple, dans la publication DE-C-518 499. Une autre réalisation d'un four à induction à creuset métallique seg menté et refroidi a été décrite dans la publication US-A-3 223 519, où l'effet du nombre de segments isolés sur l'atténuation du champ magnétique au niveau de la charge, notamment en fonction de la fréquence, a été étudié. Dans la publication GB-A-871 157, on a décrit et illustré sur la figure 2 un creuset en forme de cage cylindrique allongée, à paroi latérale composée de tubes métalliques verticaux espacés, entourée sur une faible longueur par un inducteur.Il est utilisable notamment pour le tirage de monocristaux de matériaux semiconducteurs ou pour le raffinage de cristaux par fusion de zone, par exemple.

On y mentionne l'induction de courants circonférentiels dans les tubes séparés qui réagissent avec les courants directement induits dans la périphérie de la charge qui sont respectivement de directions opposées de sorte que cette périphérie de la zone fondue qui est conductrice s'écarte de la cage (voir également
GB-A-827 676) et permet d'éviter sa contamination par le matériau de celle-ci (cuivre, argent ou or, par exemple).

Dans la publication FR-A-I 492 063 (et dans les GB-A-1 130 070 ou US-A-3 461 215 correspondantes), on a également décrit un four vertical à gamine froide composée d'éléments métalliques tubulaires juxtaposés avec insertion de plaquettes isolantes entre eux et entourée, sur une partie de sa hauteur, d'un inducteur en forme de solénolde. D'autres fours ou dispositifs de fusion de ce genre ont été décrits dans les publications GB-A-1 145 769, 1 186 806, 1 221 909, 1 234 369, US-A-3 531 574, 3582528, 3709678 et 3775091 ou FR-A-I 497 641, 2 Q36 418, 2 052 082, 2 054 464 et 2 303 774, par exemple.Dans les publications FR-A-2 036 418 et US-A-3 709 678 les faces latérales opposées des segments tubulaires sont recouvertes d'une couche de céramique isolante, par exemple, schoopage.

Dans la publication EP-A-0 0S6 951 du demandeur, on a décrit un dispositif de fusion par induction directe en cage froide, dans lequel cette dernière est également utilisée pour assurer un confinement électromagnétique supplémentaire des portions conductrices de la charge, en faisant passer dans les éléments tubulaires de la charge, outre les courants circonférentiels dûs aux variations temporelles du flux magnétique qu'ils circonscrivent (entourent), des courants alternatifs longitudinaux, alternativement dans des sens opposés, dans les éléments tubulaires verticaux de la cage.A cet fin, on effectue des interconnexions électriques des éléments adja cents de la cage, deux par deux, de façon à obtenir, soit des segments en épingles de cheveux (ou en 'tU"), soit un ou plusieurs serpentins en connectant plusieurs de ces épingles en série, repliés pour former une paroi cylindrique, et l'on branche ces segments en épingles à cheveux ou ces serpentins, en parallèle, en série ou en une combinaison série-parallèle, aux bornes d'un générateur de puissance à courant alteratif, autre que celui qui alimente l'inducteur de chauffage entourant la paroi extérieure de la cage froide.

Lorsque la cage froide est "courte", c'est-à-dire le rapport entre sa hauteur (longueur) et son diamètre est proche de l'unité et/ou lorsque l'inducteur de chauffage qui l'entoure présente une hauteur comparable à celle de la cage, sa dissipation propre dûe à l'effet de Joule des courants circonférentiels induits dans ses segments ntest pas prohibitive.

Lorsque la cage froide est "longue" (du genre ayant des rapports hauteur/diamètre notablement supérieurs à l'unité) et/ou lorsque la hauteur (longueur) de l'inducteur est nettement inférieure à celle de la cage de sorte que celle-ci en dépasse vers le haut et/ou vers le bas, on a constaté des pertes par dissipation dans la cage notablement supérieures, surtout lorsque les parois adjacentes (en regard) parallèles des segments voisins sont très rapprochées (de l'ordre de quelques dizièmes de millimètres), de façon à la rendre plus étanche à la substance fondue.L'expérience a montré que, lorsque les fentes entre les segments deviennent de plus en plus étroites et/ou l'épaisseur des couches d'isolement en céramique déposées deviennent de plus en plus minces, une proportion croissante du flux magnétique alternatif se trouve "captée" ou "piégée" dans la cage même, de telle sorte que celle-ci dissipe une trop grande partie de l'énergie fournie par l'inducteur et que llefficacité énergétique du système en charge sten trouve réduit d'autant.Ce phénomène est dû notamment d'une part, à l'effet de répulsion des courants circonférentiels de sens contraires dans les parois latérales adjacentes des segments voisins, qui sont ainsi repoussés vers les faces intérieures de tubes et du fait d'une plus faible section (plus grande densité) rencontrent des résistances accrues et, d'autre part, au couplage capacitif accru entre segments dont l'effort peut se manifester notamment aux fréquences plus élevées.En outre, dans la portion de la cage qui dépassent de l'inducteur, les lignes de force du flux magnétique ne sont plus sensiblement parallèles à l'axe des segments mais de plus en plus inclinées par rapport à cet axe avec l'éloignement croissant par rapport aux extrémités de celui-ci, de telle sorte que la composante radiale du champ magnétique y augmente et que les trajets des courants induits s'allongent en conséquence, en s'inclinant par rapport à la normale à cet axe.

Cet allongement des trajets de courants induits a également pour effet une résistance électrique accrue et un accroissement correspondant des pertes de Joule (ohmiques) dans la cage même segmentée.

L'invention a pour objet de pallier les inconvénients susmentionnés des cages longues, en y réduisant les pertes de Joule engendrées notamment dans les parties des segments dépassant l'inducteur par les courants circonférentiels induits.

L'invention a pour objet un four ou dispositif de fusion par induction directe dans un cage froide segmentée, contenant la charge à fondre et entourée sur une partie de sa hauteur d'un inducteur de manière sensiblement coaxiale.

Suivant l'invention, le four est muni d'un circuit magnétique composé de pièces en un matériau ferromagnétique sensiblement isolant qui entourent au moins partiellement les parties de la cage dépassant de l'inducteur.

Un tel circuit magnétique permet notamment de concentrer les lignes de force du flux magnétique autour du voisinage des extrémités opposées de l'inducteur.

Dans le cas d'une cage à confinement supplémentaire (de l'EP-A précitée), ces pièces ont, en outre, un effet concentrateur sur les courants de confinement qui sont alors transférés dans leur majeure partie vers les faces intérieures des segments où ils sont les plus utiles.

L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses objets, caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit et des dessins annexes sty rapportant, donne à titre d'exemple, sur lesquels:
- les figures 1 et 2 montrent respectivement en perspective et en coupe axiale en élévation, un four à induction de l'état de la technique, à cage courte;
- les figures 3 et 4 montrent respectivement en perspective et en coupe analogue, un four classique à cage longue;;
- les figures 5 et 6 montrent respectivement en perspective et en coupe axiale en élévation un four à cage longue réalisé selon un premier mode de réalisation de l'invention g et
- la figure 7 est une vue en perspective partielle d'un autre mode de réalisation possible d'un circuit magnétique pour une cage longue du type avec confinement électromagnétique supplémentaire.

Sur toutes ces figures, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes repères. Les différents modes de réalisation possibles de la sole obturant le fond du four, connus en soi, n'ont pas été représentes.

La figure I est une vue en perspective partielle d'un four vertical à induction directe en cage froide courte de l'état de la technique, représenté notamment par la publication FR-A-1 492 063 précitée.

Ce four ou dispositif de fusion 1 comporte un creuset dont la paroi latérale 2 est composée d'un certain nombre de segments tubulaires verticaux 3 métalliques de section sensiblement trapé zoldale, par exemple, juxtaposés de telle sorte qu'ils forment ensemble un corps cylindrique. L'inclinaison symétrique de leurs parois latérales opposées par rapport à leurs parois intérieure et extérieure est, de préférence, choisie de telle sorte que celles, adjacentes de deux segments 3 contigus assemblés, soient sensi blement radialement orientées et parallèles. Les segments 3 sont isolés, les uns par rapport aux autres, par des plaquettes, rubans ou couches de revêtement 4 rapportées (par schoopage, par exemple), respectivement insérés entre eux ou recouvrant au moins l'une de leurs faces latérales.Un autre moyen d'isolement est constitué par des fentes 4 qui peuvent être obtenues, par exemple, par l'insertion des barrettes, des tiges ou d'autres entretoises de faibles dimensions, notamment d'épaisseur, entre deux segments voisins à leurs extrémités respectives, lors de leur assemblage. Lorsque la cage froide est réalisée selon un mode de réalisation avantageux de la publication EP-A-O 056 951, où chaque segment 3 est interconnecté à chaque extrémité respectivement avec les segments voisins qui se trouvent de part et d'autre de lui-même afin de former un inducteur de confinement supplémentaire en forme de serpentin, leur espacement relatif est assuré à l'une de leurs extrémités par le tronçon d'interconnexion (non représenté) électrique et éventuellement également hydraulique.

Diverses autres formes possibles des segments 3 et façons de réaliser leur isolement, leur assemblage en une cage froide et leur alimentation en fluide réfrigérant, sont connues des publications précitées de l'état de la technique et ne font pas partie de la présente invention.

Sur la figure 1, les segments tubulaires 3 sont respectivement obturés à chaque bout par une plaquette métallique transversale 5 et de chacune de ces plaquettes 5 émerge un embout tubulaire 6 qui permet de raccorder le segment 3 à un circuit hydraulique véhiculant le fluide de refroidissement qui le traverse. Ce fluide de refroidissement peut être de l'eau à une température proche de I'ambiante en amont de la cage 2. Son entrée et sa sortie sont respectivement indiquées par des flèches W1 et WO.

La cage froide 2 courte de la figure 1, est entourée de l'extérieur par un inducteur 7 réalisé en un tube de cuivre également parcouru d'eau dont l'entrée est symbolisée par le flèche WE et la sortie par la flèche W. Les deux extrémités de l'inducteur 7 sont respectivement reliées aux deux bornes de sortie d'un générateur G de puissance de haute ou de moyenne fréquence (industrielle), tel qu'un oscillateur ou un onduleur statique, de préférence, par l'intermédiaire d'un circuit adaptateur d'impédance classique (non -représenté).

La figure 2 représente un four à induction à cage courte, semblable à celui de la figure 1, en une coupe axiale en élévation, de façon à permettre l'illustration à l'aide de traits interrompus des lignes de force F du flux magnétique engendré par le courant dans l'inducteur 7 et la direction des courants circonférentiels I induits par la partie du flux temporellement variable qui est entourée par les segments tubulaires 3.

On peut voir du côté gauche de la figure 2, que lorsqu'il s'agit d'une cage courte dont la hauteur est sensiblement égale ou inférieure à son diamètre et qui est entourée d'un inducteur 7 de longueur (hauteur) comparable, l'ensemble des lignes de flux F qu'entoure le pourtour extérieur de chaque segment 3 sont sensi blein ent parallèles à son axe vertical et elles n'induisent pratiquement sur toute la longueur du - segment 3 que des courants circonférentiels I dans des plans normaux à cet axe, c'est-à-dire au trajet le plus court possible. Ceci a été illustré sur le côté droit de la figure 2, par des lignes fléchées, désignées par I, qui indiquent le sens du courant circonférentiel le long d'une paroi latérale d'un segment 3, qui ne sont que légèrement inclinées par rapport à un plan normal à l'axe, aux deux extrémités de celui-ci. Si l'on optimise le nombre des segments 3 et leurs dimensions (les plus réduits possible) ainsi que leur espacement (aussi large que possible) en fonction des dimensions de la cage et des fréquences utilisées, sans pour autant augmenter les risques de fuite du matériau fondu et réduire leur effet de refroidissement à l'endroit de ces fentes ou espaces qui les séparent, on peut réduire les pertes dans une cage courte 2 à quelques pour cent de la puissance totale fournie par l'inducteur 7.

La figure 3 est une vue en perspective partielle d'un four vertical à inducteur 10 de l'état de la technique à cage froide segmentée longue, semblable à celle représentée dans la publication FR-A-l 492 063 précitée. De telles cages longues sont utilisables notamment en vue de l'étirage en continu de lingots avec une solidification progressive, de métaux, tels que le titane, le zirconium ou le hafnium, par exemple.

Sur la figure 3, un inducteur 7 ayant sensiblement la même longueur (hauteur) que celui de la figure 1 est placé à environ la mi-hauteur d'une cage froide 20 dont la hauteur est environ le triple de celui de l'inducteur 7, de sorte qu'elle en dépasse de part et d'autre. Le rapport hauteur/diamètre d'une telle cage 20 est très supérieur à l'unité. Une telle cage 20, dite "longue", est également composée de segments tubulaires 30 juxtaposés de manière isolée, dont la longueur est égale à la hauteur de la cage et dont la section 31 sensiblement trapézotdale (délimitée par deux arcs de cercle concentriques à rayons différents et par deux sections de droite radiales passant par le centre commun qui se trouve sur l'axe géométrique de la cage 20) est illustrée par un arrachement partiel 39 de l'un des segments 30.La circulation d'eau étant réalisée de même façon que dans l'état de la technique, elle n'a pas été représentée ici. Il paratt évident qu'en conservant la même distance entre les parois latérales adjacentes de deux segments 30 voisins, la réactance capacitive qu'elles forment sera le multiple de celle d'une cage courte et proportionnelle à la longueur (hauteur) des segments 30.

Pour des cages 20 très longues et de faible diamètre, la diminution de son impédance électrique avec l'augmentation de la fréquence peut réduire notablement l'efficacité électrique de l'ensemble inducteur/cage.

Par ailleurs, plus on s'éloigne des extrémités de l'inducteur 7, plus les lignes de force F du flux magnétique traversant les segments 30, s'inclinent par rapport aux axes respectifs de ceux-ci et plus les composants radiales de champ magnétique augmentent. Ceci a pour résultat que les plans dans lesquels circulent les courants circonférentiels I s'inclinent de plus en plus par rapport à des plans normaux à cet axe, avec l'éloignement par rapport aux extrémités de l'inducteur 7, en allongeant, par conséquent, leurs trajets et en augmentant la résistance électrique qu'ils doivent parcourir, d'où une augmentation des pertes par effet de 3ourle.

Ceci a été illustré sur la figure 4 qui représente une coupe axiale en élévation du four à cage longue de la figure 3, où sur le côté gauche on a illustré les lignes de force F du flux magnétique et sur le côté droit, les trajets I des courants induits par les variations temporelles de ce dernier, sur une paroi latérale d'un segment 30.

Il résulte de ce qui précède que les pertes de Joule dans la cage 20 et l'effet d'écran qu'elle occasionne augmentent rapidement avec sa longueur. Cette réduction d'efficacité ne peut pas être évitée pour une cage longue 20, où un inducteur court 7 doit se déplacer de haut en bas, parallèlement à son axe. Une telle disposition est connue pour la fusion de zones progress,ve (voir GB-A-871 157 et FR-A-I 492 063 précitées).

Toutefois, lorqu'il s'agit d'un système comportant une cage longue 20 avec un inducteur court 7 fixe, entourant celle-ci sur une partie quelconque de son hauteur, l'invention permet une réduction notable des pertes de joule susmentionnées par une déformation ou modification du champ magnétique et des trajectoires des lignes de force du flux magnétique, à l'aide d'un circuit magnétique additionnel composé de pièces en un matériau isolant ferromagnétique tel qu'une ferrite, disposées autour de la cage 20, au-dessus et au-dessous de l'inducteur 7.

La figure 5 est une vue en perspective d'un four à cage longue 20, équipé d'un premier mode de réalisation du perfectionnement suivant l'invention.

Le four 11 de la figure 5 comporte, outre la cage froide longue 20 segmentée et l'inducteur 7 qui entoure la partie centrale de la cage, des bâtonnets ou barreaux de ferrite 8 de forme allongée, de section rectangulaire et, de préférence, de largeur inférieure à celle d'un segment 30, qui sont disposés, régulièrement espacés autour des parties de la cage 20 qui dépassent de part et d'autre de l'inducteur 7. Ces bâtonnets 8 sont réalisés, de préférence, en un matériau ferromagnétique isolant ou au moins de faible conductivité électrique, afin d'y limiter des pertes par courants de Foucault et/ou par conduction de courants induits.

Lorsque leur largeur est inférieure à celle d'un segment 30, ces bâtonnets 8 sont, de préférence, disposés à cheval sur les fentes 4 séparant les segments 30 voisins. Plus précisèment, leur plan médian longitudinal est, de préférence, disposé en alignement avec celui d'une fente 4, de façon à faire passer de façon préférentielle le flux magnétique à travers ces dernières, de sorte que celui-ci n'induise que peu de courants dans la cage.

D'autre part, l'effet de la présence de ces bâtonnets 8 ou d'un autre genre de circuit magnétique, disposés de part et d'autre de l'inducteur 7, a pour effet, d'une part, de réduire la dispersion des lignes de force du flux magnétique à l'extérieur de l'espace défini par l'inducteur, c'est-à-dire de les concentrer dans le voisinage des extrémités de celui- et d'autre part rendre les lignes de force même éloignées de l'inducteur 7, lorsqu'elles entrent dans les bâtonnets 8, sensiblement normales aux surfaces de ces derniers.

Selon une autre interprétation possible des phénomènes de réduction des pertes par effet de 3oule dans la cage 20, on peut affirmer que le système composé de l'inducteur 7 et des segments 30 de cette dernière qu'il entoure, peut être considéré assimilable à un tranformateur à plusieurs enroulements secondaires monospires en court-circuit (à couplage lâche), dans lequel ceux des lignes de force
F du flux magnétique engendré par le courant dans l'inducteur, qui pénètrent à l'intérieur de la cage et ne sont pas circonscrits par les segments 30, traversent soit des fentes 4 entre ceux-ci, soit deux fois leurs parois intérieure et extérieure conductrices et y engendrant des courants tourbillonaires (de Foucault) qui à leur tour engendrent des forces magnétomotrices opposées de façon à produire un accroissement de la réluctance magnétique sur leur passage. En adjoignant à l'extérieur des parties de la cage 20 qui émergent de l'inducteur 7, des éléments en matériau ferromagnétique, on obtient une diminution notable de cette réluctance et une contraction en hauteur du champ magnétique en détournant les lignes de force F vers ce circuit magnétique et en les concentrant près des extrémités de l'inducteur. De ce fait, les lignes de force F sont raccourcies et la réluctance qu'elles rencontrent, diminuée.

Ce phénomène a donc pour conséquence, d'une part, la limitation de l'étendu des courants circonférentiels contournant les segments 30 au voisinage de l'inducteur 7 et, d'autre part, le remplacement des courants induits à trajet allongé incliné par rapport à la normale à l'axe du segment 30 par des courants tourbillonaires superficiels qui se referment pratiquement sur les faces intérieure et extérieure de celui-ci avec un trajet court. A l'aide du circuit magnétique constitué par ces bâtonnents ou barreaux 8, on obtient une réduction des pertes dûes à l'effet de Joule dans les segments 30 de la cage longue 20 de façon à ce qu'elles ne différent pas sensiblement de celle d'une cage courte (2, figures 1 et 2).

Pour limiter le coût de l'élaboration d'une telle cage à circuit magnétique, on utilise de préférence, des barreaux de ferrite couramment disponibles dans différentes dimensions (longueurs et sections), généralement utilisés dans les circuits de puissance mo-yenne fréquence pour y constituer par assemblage des noyaux magnétiques de transformateurs ou d'inductances (selfs de choc).

Des ferrites destinées au moyennes fréquences industrielles (jusqu'à des centaines de kHz) donc relativement peu coûteux, sont choisis de préférence, tels celles que du type B40 ou B52 du département dit COFELEC de la société française dite LCC-CICE ou du type 3C6 du groupe multinational néerlandais dit N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN. La perméabilité relative des ferrites de ce type est très élevée, de l'ordre de quelques centaines, et leur pertes par hystérésis ou par effet de joule sont relativement faibles (de quelques dizaines de milliwatts par centimètre cube à 10 kilohertz), lorsque l'on évite la saturation, comme c'est le cas dans la présente application.

La longueur des bâtonnets 8 ou de plusieurs bâtonnets alignés longitudinalement est, de préférence, choisie de façon à s'étendre de chaque extrémité de l'inducteur 7 à chaque extrémité de la cage 20, même si le plan médian transverse l'inducteur 7 n'est pas situé à mi-hauteur de cette dernière.

Si le prix de revient n'a pas d'importance, il est possible d'améliorer l'effet concentrateur de flux des bâtonnets 8 vers les fentes 4, en leur rajoutant le long de la ligne médiane de l'une de leurs faces, des crêtes d'épaisseurs adaptées à la largeur désirée des fentes 4 et de hauteur inférieure à la profondeur de celles-ci. Cette crête (non représentéé) est insérée dans la fente 4 et peut servir d'élément d'espacement entre les segments 30 à la manière d'une entretoise.

Les bâtonnets 8, avec ou sans la crête précitée, peuvent être fixés par collage sur les faces extérieures des segments 30 de la cage 20. Comme ils chevauchent chacun, de préférence, deux segments 30 voisins, ils peuvent alors être utilisés, lorsqu'ils sont d'une épaisseur suffisante, comme des éléments d'assemblage assurant la liaison mécanique entre les segments et, par conséquent, la rigidité de la cage froide longue 20. Dans ce cas, on utilise, de préférence, une colle polymérisante, résistante à des températures de l'ordre d'une ou de quelques centaines de degrés. Si la résistivité de la ferrite utilisée n'est pas suffisament élevée, on peut utiliser pour la fixation des bâtonnets 8 (sans crête) une couche de colle d'une épaisseur suffisante pour assurer l'isolement entre les segments 30.D'autres modes de fixation des bâtonnents 8 autour de la cage 20 sont envisageables, tels que le vissage ou à l'aide de colliers de sertissage en matériau isolant, de préférence, afin de ne pas constituer des spires en court-circuit pour le flux qu'ils enferment.

Si l'on dispose d'une ferrite parfaitement diélectrique (isolant galvanique) qui serait relativement coûteuse, on pourrait remplacer les bâtonnets 8 par des couronnes cylindriques de ferrite, em manchées sur la face extérieure de la cage froide 20, mais pour les ferrites courantes, les pertes par effet de Ioule seraient relati vement élevées, On notera ici que pour chaque diamètre de cage 20, il faudra spéc;alement faire fabriquer deux couronnes de diamètre intérieur adapté.

La figure 7 est une vue partielle en perspective d'un autre mode de réalisation possible du circuit magnétique, permettant d'éviter cet inconvénient, avec une cage longue du type à confinement supplementaire selon la publication EP-A-O 056 951 (ou
FR-A-2 497 050).

Sur la figure 7, on a représenté un four à induction 12 vertical à cage froide cylindrique segmentee 200 dans lequel chaque segment 31 est constitué de deux tubes métalliques verticaux voisins 32, 33, reliés ensemble à l'une de leurs extrémités adjacentes respectives, par un tronçon tubulaire transverse ou circonférentiel 35 en menas geant une fente 34 entre eux pour former un inducteur du type n épingle à cheveux. Deux segments 31 voisins y sont séparés par une fente 40.A leurs extrémités inférieures, non représentées, les tubes 32 et 33 sont respectivement reliés aux tubes 36 et 37 des segments voisins, situés de part et d'autre de celui qu'ils forment, par des tronçons analogues à celui désigné par le répère 35. On obtient ainsi un inducteur de conf.nen7ent supplémentaire en forme de serpertin, relié à un second générateur de haute ou de moyenne fréquence (non représenté) qui y fait passer des courants alternatifs lonsitudinaux qui sont alternativement de sens inverse et engendrent, dans la partie conductrice de la charge contenue dans la cage 200, des forces de répulsion écartant la périphérie de celle-là de la face intérieure de celle-ci.

Le circuit magnétique est composé ici de plusieurs (au moins deux et, de préférence, quatre) segments 9 de ferrite en forme d'arceaux ou de secteurs de cylindre, apposés contre la face exterieure de la cage 200 de façon à en recouvrir sensiblement toute la partie non-entourée par l'inducteur 7, partout où elle en dépasse.

Ces segments de ferrite 9 sont séparés l'un de l'autre par des fentes verticales 90 de largeur de préférence inférieure à celle d'un tube 32 (ou d'un segment 30 de la cage 20 de la figure 5), -afin ae réduire les pertes par conduction électrique (effet de Joule) dans la ferrite dont la résistivité est grande, mais non pas infinie. Les arceaux 9 peuvent également être fixés par collage et assurer l'assemblage de la cage 200 (ou 20).

Dans le cas d'une cage du type à confinement supplémentaire 200, décrite ci-dessus, outre la contraction du flux magnétique dû à la force magnétomotrice engendrée par le courant dans l'inducteur de chauffage 7, aux voisinages respectifs des extrémités de celui-ci, a également pour effet de repousser la majeure partie du courant longitudinal de confinement, au niveau des arceaux 9, vers les faces intérieures des segments 31, de façon à les y rendre plus efficaces.

Les barrettes 8 des figures 5 et 6 ont des effets analogues, moins prononcés, à un moindre coût.

Des mesures comparatives effectuées sur un four 10 à cage segmentée longue 20 (figures 3 et 4) dépourvu de circuit magnétique et sur un four il (figures 5 et 6) suivant l'invention, à l'aide d'un
Q-mètre, ont montré que le coefficient de surtension ou facteur de qualité Q d'un inducteur avec une cage vide (sans charge conductrice ou non) augmente d'au moins 30 pour cent, lorsque le circuit magnétique composé de barrettes 8 en ferrite est mis en place.

il est également possible de disposer autour de l'inducteur 7 un circuit magnétique annulaire de section en forme de "U" couché, obtenu, par exemple, par l'assemblage par superposition de deux anneaux à section en "L" ou de deux rondelles plates et d'un cylindre entre elles, de façon à l'enfermer complètement. Un tel circuit magnétique est notablement plus coûteux que les précédents, car il doit être adapté aux dimensions de l'inducteur et de la cage - (hauteur du premier et diamètres extérieurs respectifs des deux). Un tel circuit magnétique permet d'éliminer le flux des parties de la cage qui dépassent l'inducteur 7, mais n'a pas d'effet bénéfique notable sur les courants longitudinaux de confinement.

En résumé, on peut affirmer que l'invention qui consiste à munir l'extérieur de la cage froide d'éléments de circuit magnétique en un matériau ferromagnétique sensiblement isolant, tel qu'une ferrite, sur les parties de celle-ci qui dépassent de part et d'autre de l'inducteur, a pour effet d'améliorer le rendement énergétique du système en charge, grâce à l'augmentation de la transparence de la cage dûe à la concentration du flux magnétique aux environs des extrémités de l'inducteur.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Four ou dispositif de fusion (fla) par induction directe dans une cage froide (20) segmentée, contenant la charge à faire fondre et entourée sur une partie de sa hauteur d'un inducteur de chauffage (7) sensiblement coaxial avec la cage (20), caractérisé en ce qu'il est muni d'un circuit magnétique composé de pièces (8, 9) en un matériau ferromagnétique sensiblement isolant qui entourent au moins partiellement les parties de la cage (20) dépassant de l'inducteur (7).

2. Four suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces (8, 9) qui sont en ferrite recouvrent les parties de la cage (20) où elle dépasse de l'inducteur (7).

3. Four suivant la revendication 2, caractérise en ce que ces pièces (8,9) sont des barreaux ou batonnets (8) de ferrite.

4. Four suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur de ces bâtonnets (8) est inférieure a celle d'un segment (30) de la cage (20).

5. Four suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les bâtonnets (8) chevauchent les fentes (4) qui séparent deux segments (30) voisins.

6. Four suivant la revendication S, caractérisé en ce que les bâtonnets (8) comportent chacun sur l'une de leurs faces une saillie en forme de crête selon son plan médian longitudinal, qui est destinée à s'insérer dans une fente (4) séparant deux segments (30) voisins.

7. Four suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les bâtonnets (8) sont fixés par collage à la paroi extérieure de deux segments voisins (30), de façon à assurer égaiement la rigidité mécanique de leur assemblage formant la cage < 20).

8. Four suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ces pièces (8, 9) sont constitués par au moins deux segments de ferrite (9) en forme d'arceaux recouvrant de l'extérieur les parties dépassant de l'inducteur (7) de plusieurs segments (31) de la cage (200).

9. Four suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les arceaux (9) de ferrite sont séparés l'un de l'autre par des fentes (90) dont la largeur est inférieure à celle d'un tube (32) ou d'un segment (30) de la cage (200 ou 20).

10. Four suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les arceaux (9) sont fixés à l'extérieur de la cage (20) par collage et en assurent, au moins en partie, la rigidité mécanique.

Il Four suivant l'une quelconque des revendications I à 10, caractérisé en ce que la hauteur des pièces (8, 9) est choisie de façon à recouvrir sensiblement la totalité des parties de la cage (-) qui depassent de l'inducteur (7).

12. Four suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique est de forme annulaire et agencé de façon à entourer l'inducteur (7) de tous les côtés sauf de celui en regard de la cage (20).

13. Four suivant l'une quelconque des revendications 1 à 81, caractérisé en ce que les segments tubulaires (32, 33, 36, 37) sont interconnectées, au moins deux par deux, par l'une de leurs extré- mités, de manière à former des inducteurs en épingles à cheveux ou un ou plusieurs inducteurs en serpentin, connectable à un générateur de courant alternatif de façon à engendrer dans ces segments des courants longitudinaux de confinement supplémentaire, alternatif vement de sens contraires.