JP6807926B2 - 磁束濃縮器を形成する装置を有する２つの電磁誘導装置によって加熱された低温坩堝炉、金属及び酸化物の混合物を溶融するための炉の使用 - Google Patents
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Description
本発明は、電磁誘導により加熱され、少なくとも１つの巻き線を有する２つのインダクタを含む少なくとも１つの導電性材料、例えば酸化物及び／又は金属を溶融することを目的とする低温坩堝炉に関する。
本発明による低温坩堝炉は、自己坩堝炉であってもよい。
目標とされる１つの特に有利な用途は、金属と酸化物との混合物の溶融である。コリウムは、深刻な原子力事故の場合、核燃料集合体および核制御棒の溶融中に形成することができる溶融材料（ＵＯ２、ＺｒＯ２、Ｚｒ、鋼）の混合物である。
コリウムの溶融に関して記載されているが、本発明は、任意の導電性材料の電磁誘導溶融にも適用される。低温では非常に良好な電気絶縁体を形成するが、ある温度より上では導電性である酸化物上で溶融を完全に行うことができると、ここでは特定されている。従って、本発明の文脈内では、酸化物の溶融を行わなければならない場合、この溶融は、好ましくは、通常は金属サセプタと呼ばれる金属リングの形態の抵抗ヒータによって開始され、酸化物がある温度に到達して導電性になると、酸化物中で本発明による炉による誘導が可能になる。
従って、本発明は、特に、鋳造または冶金において使用される炉に適用される。
鋳造または冶金分野では、材料の製造は、一般に、様々な成分に対する液体の均質化または温度の均質化を得るために、または化学反応が液体内で行われることを可能にするために、十分に長い時間、それらを溶融し、液体状態に保つことを必要とする。これを行うためには、混合作用によって液体を攪拌することが重要である。従って、これらの分野では、大量の金属の溶融を行うための非常に一般的なプロセスは、坩堝炉における電磁誘導加熱である。このようなプロセスの主な利点は、使用の単純さ、その効率、および、熱エネルギー源と金属との接触を回避するという事実である。
図１に示されているのは、充填物３、すなわち特定の質量および体積の導電性材料を含むように意図された坩堝２を備える誘導炉１である。坩堝２のサイドジャケットは、電磁誘導によって坩堝に含まれる充填物３を加熱するために、一定の高周波で交流電流が供給されるインダクタ４によって取り囲まれている。
この図１に示すように、坩堝の壁は、耐火材料、例えば、ラミング材料、またはグラファイトなどの導電性材料で作られている。これらの坩堝の欠点の１つは、壁が充填物の温度に上昇することである。このように、これらの壁（容器）を構成する耐火物およびその中に含有される不純物は、溶融した充填物（内容物）中に拡散することができ、それは、坩堝が、例えばチタンをベースとする合金またはガラス／エナメルである反応性の高い物質を含むことを意図する場合に厄介であり、その処理は、非常に高純度の生成物を提供することを意図している。これは、本発明者らの特定の実施分野においても厄介であり、具体的には、コリウム（ＵＯ２、ＺｒＯ２、Ｚｒ、鋼）を代表する金属と酸化物との混合物の溶融を実施する必要性に直面している。しかし、耐火材料の充填物への同じ拡散問題が生じるだけでなく、コリウム溶融のために達成されるべき温度も３０００Ｋ程度であり、ＵＯ２の融点は、このオーダーの大きさである。トリウム（Ｔｈ）の放射性の性質のためにその供給が不可能になるトリア（ＴｈＯ２）以外の耐火物は、この温度に耐えることができない。
また、坩堝には他にも欠点がある。第１に、溶融した充填物の材料は、多孔性のため徐々に容器内に浸透することがある。溶融物の反応性が高いため、容器は徐々に溶解する。従って、溶融は、長時間続くことができない。
従って、坩堝（容器）の壁の動作温度は、前述の条件の下で不可避的に制限される。
従って、耐火材料および／または非常に高い融点を有する材料で反応材料の溶融を行うための可能な解決策は、電磁誘導加熱の同じ原理を使用し、低温坩堝又は低温壁坩堝と称される坩堝を用いることからなる。文献はまた、自己坩堝型の誘導炉を参照する。なぜなら、炉の内周部において、低温壁に対して、坩堝の内壁を構成するとみなされ得る実際の充填物の材料の凝固層が形成されるからである。低温坩堝炉は、少量、典型的には数十キロの金属充填物用を対象に既によく試みられている。
このようにして、低温坩堝炉において１５００℃以上の高温で、または３１００℃に達するような高温で溶融され得る反応性材料は、チタン、鋼または様々な合金のような金属材料、ならびにガラス、酸化チタン、希土類酸化物、または上述のコリウム等のこれらの混合物、またはケイ素、エナメル、ガラス等のような導電性の低い材料であってもよい。
図２〜図４には、そのような低温坩堝炉１の一部が示されている：坩堝２は、互いに電気的に絶縁された幾つかの中空の長手方向部分２０に垂直に分割された導電性材料からなる壁によって形成される。これらの部分２０は、一般に、電気抵抗率が低く、熱交換特性が良好であるという利点を有する、銅のような金属で作られている。さらに、これらの部分は、一般に水である冷却剤（図示せず）の流れによって内部的に通過される。この冷却剤は、この部分２０の内面を、充填物の融点より十分低い温度、典型的には３００℃以下の温度で液体充填物と接触させておくことを可能にする。
溶融プロセスの応力に応じて、低温坩堝２は、図２に示すように、シェルとも呼ばれるサイドジャケット２１とフロアとも呼ばれる底部２２との間に個別の部分２０を含むことができる。この構成では、サイドジャケット２１とフロア２２との間の界面は、幾分長方形の形状を有する。
サイドジャケット２１およびフロア２３の各部分２０は、図３に示すように、唯一の同じ部分２０を形成してもよい。この構成では、サイドジャケット２１とフロア２２との間の内壁が半球形状を有する部分２０を有することが可能である。
低温坩堝２のサイドジャケット２１は、少なくとも一巻きを有するインダクタ４の内側に配置され、セクション２０に誘導電流Ｉを生成する特定の周波数の交流Ｉが供給され、この電流Ｉは、坩堝の内壁を通って閉じて、そこに磁場が発生する。従って、インダクタ４を流れる高周波電流は、部分２０の各々において周辺電流を生成する。各部分２０の内周部における電流の組は、坩堝の収容された充填物中に電磁場を生成する。実際、このような坩堝内の導電性材料は、インダクタ４によって生成される磁場と相互作用して、ローレンツ力として知られる起電力の出現につながる誘導電流のシートである。従って、インダクタ４による直接誘導と低温坩堝２による間接誘導との和に対応する充填物に誘導された電流は、溶融が起こるまで充填物の材料を加熱することを可能にし、液体の充填物は、ローレンツ力と液体の充填物の温度勾配とによって生じる自然対流によって混合される。
冷却回路のために、部分２０の内面の温度は、溶融充填物の温度よりもはるかに低く、溶融材料の急速な固化は、坩堝２の部分２０およびフロア２２と接触して起こり、これは、この部分の材料と溶融材料との間の何らかの反応性を防止する固体拡散障壁層を生成する。言い換えれば、薄い外皮は、数ミリメートル、または数センチメートルにわたって充填物の凝固によって生成され、これは、従来技術では、充填物の自己坩堝または低温坩堝と称されている。この低温坩堝は、銅製の低温坩堝を用いて、２０℃〜２５０℃程度の温度から溶融充填物の固化温度までの温度勾配を可能にする。
従って、低温坩堝炉は、坩堝による汚染のないことによる充填物の高純度、溶融液の組成を均一にし、熱移動を改善し、それにより温度の均一性を高める混合の実施に加えて、高温での使用のような、上述した所謂高温坩堝誘導炉の全ての利点を有する。
一方、知られている低温坩堝炉は、その動作原理のために、幾つかの制約を有する。
上述したように、溶融すべき材料の充填物を加熱する側部インダクタ４は、ジュール効果による電力を充填物の周縁部で一定の厚さにあるこの材料に注入し、その値は、インダクタの供給電流の周波数及び溶融される材料の充填物の抵抗率の関数として変化する。坩堝の下部が銅のような導電性材料で作られているので、それは、磁力線、従って誘導電流を変更する。従って、注入されたジュール効果による電力は、図５に示すように、坩堝の下部ではより弱く、誘導電力密度分布Σがフロア２２に近づくにつれて急速に直線的に減少することが明らかに分かる。
この現象は、サイドジャケット２１およびフロア２２の部分２０の冷却と組み合わされて、図６に示すように、フロア２２上で、サイドジャケット２１上よりも大きい外皮厚さを生じる。典型的には、フロア２２上の外皮厚さｅ１は、側方インダクタ４の構成及び達成された冷却に依存して、サイドジャケット２１上の厚さｅ２の２倍から３倍又は１０倍までであってもよい。図６に明らかに見られるように、材料の溶融液槽Ｂを含む２つの厚さｅ１、ｅ２で形成された外皮は、それらの間に移行帯Ｔを有する。従って、液体槽Ｂは、側方インダクタ４によって生成されるローレンツ力によって補強された熱水圧現象にもかかわらず、上部にある。
外皮の厚さは、溶融することが望まれる材料の種類によって異なる。熱伝導率が低いほど、外皮の厚さは大きくなる。ここでは、ガラス等の透明材料では、伝導による部分と放射線による部分とでバルクの熱伝導率を考慮する必要がある。熱伝導率が非常に高く、典型的にはメーター・ケルビン（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）当たり１０〜５０ワットのオーダーの金属の場合、外皮の厚さはｍｍのオーダーであり得るが、酸化物及び／又は、熱伝導率が低い、典型的には１から５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度の材料の場合、厚さは数十ｍｍに達することがある。
一旦材料が溶融すると、この（これらの）材料を液体状態で溶融鋳造することができる。この点に関しては、鋳造することができない自己坩堝の質量が大きいほど、溶融プロセスの材料収率が低くなるという事実を考慮に入れることが重要である。
坩堝を揺動させるか、またはフロア２２に固定されたストッパー２３を取り除くことによる重力によって、２つの鋳造方法を想定することができる。
数多くの用途では、坩堝の振り方を技術的およびコスト的な理由で使用することはできない。特に、本発明者らが直面する実施の分野において、コリウムを表す材料の混合物の溶融は、制御された雰囲気下での操作を必要とする。このようなチャンバー内で低温坩堝炉を振ることを想定するためには、非常に大きなチャンバーのサイジングが必要である。さらに、炉がその周囲全体に物理的に存在する冷却回路を含むという事実のために、揺動は非常に複雑な手段を講ずる必要がある。最後に、揺動に費やされる時間は、非常に制限的な場合がある。
重力鋳造自体には、一定の制約がある。まず、ストッパーを取り除いた後、材料の液浴または材料混合物が流れることができる貫通開口を清掃するために、坩堝の底部で外皮を破砕する必要がある。これは、ハンマー型の機械要素によって行われる。
しかし、外皮の厚さが厚くなればなるほど、外皮及び／又は周囲の機器の完全性を損なうことなく、それを破ることは困難または不可能になる。
従って、従来の鋳造を成功させるには、溶融液浴を過熱することが必要である。しかしながら、浴の表面での放射による損失、坩堝の壁への伝導による損失、および周囲の大気への対流による損失が同時に生じるので、熱損失は重要である。これらの損失は、プロセスの一般的な収率をもたらし、これは非常に低く、約１０％である。また、過熱の場合、過熱温度に応じて損失がさらに１．５〜２倍に増加し、プロセスの歩留まりにさらに影響する。これを補うために、誘導発生器の電力を増加させ、冷却システムのサイズをさらに拡大する。従って、全体的な設備は、鋳造のためだけに大型であり、付随するコストプレミアムを伴う。
これらの規定を設けることによっても、過熱が鋳造を実行するのに十分であるとは限らない。
既に想定された解決策の１つは、ストッパーの位置ゾーンであり、ストッパーを除去することによってクリアされるものであるフロアの下の鋳造ゾーンの周りにインダクタを局所的に追加することからなる。図７には、鋳造転写ゾーン２４の周りに配置された鋳造インダクタ４’と称されるこのようなインダクタが描かれている。この鋳造インダクタ４’は、鋳造ゾーン２４との直接的なラインにおいて液体浴Ｚｂのゾーンの周りに追加の誘導電流を生成することを可能にし、従って、このゾーンＺｂを加熱し、このレベルの外皮を弱める。図８は、側方インダクタ４および鋳造インダクタ４’によってそれぞれ誘導される電力密度分布Σ１、Σ２を示す。
鋳造インダクタを有するこの解決策は、例えば、刊行物［１］〜［７］または欧州特許第１０４５２１６号に記載されている。この解決策は、１７００℃以下の温度における、この特許によるチタン破片のような金属の融解にのみ関係し、従って、酸化物の溶融に関する問題には適さない。
特定の融解プロセスには、直径がその高さよりもはるかに大きい坩堝が必要である。次に、フロアの下にインダクタを配置する必要がある。ボトムインダクタ５と称されるこのようなインダクタは、図９に示されており、そこで生成される電力密度分布Σ３も見られる。この構成では、対流による熱損失は、液槽の自由表面に直接連結されており、サイドジャケットの壁面での伝導による熱損失が、側方インダクタがないために補償されないので、大きくなり得る。
要約すると、従来の低温坩堝炉の欠点は、ほとんどの場合、一般に側方インダクタの配置のために生じる底部（フロア）上のインダクタの位置に直交する方向に実質的に存在する外皮の厚さに関連している。この実質的な厚さは、局所的に外皮を減少させるために液体槽の過熱を実施することを必要とし、熱損失を増加させ、誘導発生器の出力および炉の冷却回路の電力を過大にする必要があるという主な欠点を有する。
刊行物［８］に記載されているように、既に想定された解決策の１つは、フロア下に配置された巻き線から非常に遠くに横方向の巻き線を追加し、最終的には底部インダクタを有する単一のインダクタを形成することである。この横方向の巻き線は、槽の上部に局部的な電力を注入する。この溶液は、本発明の文脈内で対象とする主な用途で考慮されるような材料の全部（側方および底部）溶融には適していない。
もう１つの解決策は、２つのインダクタを配置することであり、すなわち、側方インダクタに加えて、鋳造領域をクリアにしたままで底部インダクタと称されるインダクタをフロアの下に追加する。
従って、溶融する材料中の出力密度の連続性を得ることができ、例えば上述の従来の溶液のように液槽を過熱する必要はなく、フロアと接触する底部の外皮の厚さを減少させることが可能になる。溶融を得るために過熱することなく、熱損失が大幅に増加せず、誘導電力がより最適化され得る。
米国特許第４６０９４２５号明細書には、側方インダクタと底部インダクタを含む２つの別個のインダクタを有する低温坩堝炉を有するこのような解決策が記載されている。記載されている炉で得ることができる融点は、約１５５０℃に制限されており、それは、酸化物による融解を除外する。さらに、炉のフロアの耐熱性および誘電材料の使用は厄介であり、２２００℃及び好ましくは３０００℃のオーダーの溶融には適していない可能性がある。
米国特許第４６８７６４６号明細書には、側方インダクタおよび底部インダクタを備えた低温坩堝も開示されている。この特許は、確かに酸化物の融解について言及しているが、開示された炉は、混合酸化物／金属混合物の溶融を実際に行わないかもしれず、加えて、あらゆる重力鋳造を避けるその構成により、米国特許第４６０９４２５号明細書による炉と同じ欠点を有する。
特開平１０−２５３２６０号公報には、６０Ｈｚのオーダーの非常に低い誘導周波数及び酸化物よりも低い溶融温度を有する、金属の溶融のみを可能にする２つの別個のインダクタを有する低温坩堝炉が開示されている。この特許の著者は、どんな費用でも外皮の形成を防止することを目的とし、従って、溶融した塊をフロアに接触しないように持ち上げるように底部インダクタを専念させている。この特許による底部インダクタ支持体およびフロアは、底部インダクタの冷却水回路を形成するように成形されている。従って、フロアは漏れのないものでなければならず、その壁は必然的に連続しており、すなわち、それは部分に分割されていない。従って、提案された底部インダクタをより高い誘導周波数で動作させようとすると、誘起された電流がフロアを通過できないか、少なくとも満足できる融合を得るために十分に通過できない可能性が高い。より具体的には、酸化物の融解を得るために、誘導周波数は数百ｋＨｚまたは１００ｋＨｚでなければならない。ローレンツ力は比較的低い。従って、高い溶融温度を得ることが求められる場合、フロアの誘電体材料は適切でない可能性がある。逆に、この特開平１０−２５３２６０号公報によるフロアが金属である場合、断面が与えられていないとすれば、１００ｋＨｚ程度の高い周波数で誘導される磁場は、フロアを通過することができず、従って、溶融すべき充填物に誘導電流を生じさせることができない。
米国特許第４６０９４２５号明細書、米国特許第４６８７６４６号明細書および特開平１０−２５３２６０号公報の前述の欠点に加えて、２つの別個のインダクタ、側方インダクタおよび底部インダクタで開示される解決策は、大きな欠点を有する。２つのインダクタの各々は、周囲の部品に電流を誘導する可能性がある。特に、最も重要なことに、一方のインダクタによって誘導された電流は、他方のインダクタを妨害し、逆もまた同様であり、この現象は通常、“相互関係”という用語で表される。妨害されたインダクタの効率、特に底部インダクタの効率が低減されるという事実に加えて、これは、潜在的に異なる動作周波数を有する２つの独立した電流発生器に対して妨害が受け入れられず、その制御電子回路が誘導帰還電流をサポートしないかもしれないという危険性をもたらす。電力を２つのインダクタに分配するシステムと組み合わされた２つのインダクタ用の単一の電流発生器の場合、動作周波数は同じである。相互関係は、効率を低下させ、最適化された電力密度分布を有しないかもしれない。
従って、特に酸化物を含む溶融材料の液体槽の過熱を発生させることなく、および／または炉の設備コストを著しく増加させることなく、および／またはインダクタの周囲部品、特に電流発生器を妨害する有害な誘導電流を発生させることなく、フロア上の外皮の厚さを減少させることを可能にする観点から、特に、電磁誘導によって加熱された冷却坩堝炉を改善する必要がある。
本発明の目的は、この必要性を少なくとも部分的に満たすことである。
この課題を解決するために、本発明の第１の主題は、その一側面によれば、電磁誘導によって加熱され、酸化物及び／又は金属等の少なくとも１つの導電性材料を溶融するための低温坩堝炉であって、
−溶融される前記材料を含有する坩堝であって、その壁が、導電性材料で作られており、好ましくは銅で作られたており、軸Ｘを中心とする回転シリンダの一般的な形状を有するサイドジャケット、及び、フロアと称される底部を含み、それぞれが前記軸Ｘに平行に延びる電気絶縁部分に分割された少なくとも１つのストッパー、前記サイドジャケット及び前記フロアが備えられた坩堝と、
−前記サイドジャケットの外周に巻かれた少なくとも１つの巻き線を有する、側方インダクタと称される少なくとも１つのインダクタと、
−前記ストッパーの下の領域を空けたままで、前記フロアの下面に対向する前記軸Ｘに巻かれた少なくとも１つの巻き線を有する、底部インダクタと称される少なくとも１つのインダクタと、
を備える低温坩堝炉である。
−溶融される前記材料を含有する坩堝であって、その壁が、導電性材料で作られており、好ましくは銅で作られたており、軸Ｘを中心とする回転シリンダの一般的な形状を有するサイドジャケット、及び、フロアと称される底部を含み、それぞれが前記軸Ｘに平行に延びる電気絶縁部分に分割された少なくとも１つのストッパー、前記サイドジャケット及び前記フロアが備えられた坩堝と、
−前記サイドジャケットの外周に巻かれた少なくとも１つの巻き線を有する、側方インダクタと称される少なくとも１つのインダクタと、
−前記ストッパーの下の領域を空けたままで、前記フロアの下面に対向する前記軸Ｘに巻かれた少なくとも１つの巻き線を有する、底部インダクタと称される少なくとも１つのインダクタと、
を備える低温坩堝炉である。
２つのインダクタ、すなわち側方インダクタ及び底部インダクタを使用して、溶融すべき充填物を溶融し、均質化する。
本発明によれば、前記坩堝は、前記底部インダクタの下面及び外周に対向してそれぞれ配置される少なくとも１つの側壁及び１つの底壁を備える強磁性材料で作られる部品で構成される磁束濃縮器を形成する少なくとも１つの装置を備える。
「磁束濃縮器」は、ここでは、本発明の文脈内で、値μｒが１より遥かに大きい、比較的高い透磁率または非常に高い透磁率を有する材料で作られた部品を意味するものと理解される。それは、有利には、フェライトで作られた部品または磁性板の積層体からなる部品であり得る。
本発明による濃縮器の部品は、軸Ｘを中心とする一般的な回転形状を有し、適切な場合には、底部インダクタを冷却するための熱伝達流体の供給管をさらに含む得る底部インダクタの電流供給を可能にすることができる１つ又は複数のノッチ、開口又は溝を含む。
従って、本発明は、フロアの正反対ではない底部インダクタの大部分を部材で囲むことにあり、その高透磁率または非常に高い透磁率によって、底部インダクタによって生成された磁場を、フロアに接触する坩堝の底のゾーンに閉じ込めることを可能にする。
従って、磁場を閉じ込めることによって、すなわち磁場を局在化することによって、溶融される材料の充填物に対するそれらの作用が改善される。従って、低温坩堝炉の設備を大型化する必要なく、底部インダクタの効率が向上する。本発明者らは、本発明による濃縮器を用いることなく２つのインダクタを用いて溶液に対して収率を２０％〜３０％まで増加させることが可能であると考えている。
さらに、本発明による濃縮器は、側方インダクタと底部インダクタとの間の相互作用の発生を防止することができ、または少なくとも非常に低減することができる。これにより、誘導発生器の電磁妨害の危険性が回避され、従って、専用の周波数で２つの異なる給電を行うことがより容易になり、一方は側方インダクタ用であり、他方は底部インダクタ用である。
最後に、本発明による濃縮器は、溶融すべき材料の内部のローレンツ力を増加させることができる。従って、伝導による熱損失が酸化物の存在下よりも大きい溶融されるべき充填物中に金属が存在する形態の本発明による濃縮器のために、充填物の半浮上条件は、強化され、接触による熱損失を低減する。これらの構成の周波数は、優先的に低くなる。
本発明による磁気濃縮器の解決策は、実際に、側方インダクタと底部インダクタとの間の相互作用の出現の問題に直面している、当業者が推奨するＥＭ遮蔽スクリーンとは異なり、当業者は、従来技術のように、２つのインダクタの間の電磁遮蔽スクリーンを製造する傾向があるが、このようなスクリーンは、所望の溶融目的に有害な他の電流を誘導する危険性があるだけでなく、底部インダクタの磁場を確実に効率的に閉じ込めない危険性がある。いずれにしても、電磁遮蔽スクリーンを本発明による磁束集束器に関連付けることができないことはさらに強調されるべきである。
１つの有利な実施形態によれば、磁束集束器の部品は、底部インダクタの内周に対向して配置された側壁、底部インダクタが配置されるＵ形状を実質的に確定する部品の２つの側壁及び底壁をさらに備える。この補助側壁によって、溶融材料の鋳造を意図した導電性壁によって誘発され得る全ての電流の上昇が回避される。
他の有利な実施形態によれば、任意にセグメント化された補助磁気集束器リングを前記側方インダクタの下側に配置することができる。本発明者らの計算によれば、２つのインダクタの近似と高い潜在的な出力のある幾何学的構成において、本発明者は、補助磁気集束器リングが存在することにより、有利に２つのインダクタ間の相互作用を大幅に低減することが可能であることを観察することができた。
側方インダクタの下にあるこのような補助的磁気濃縮器は、上述した磁気濃縮器の結果を改善することを可能にする。実際に、２つのインダクタの電力、周波数及び近接度に応じて、この補助磁気濃縮器要素（リングまたはセグメント）は、底部インダクタの効率を高め、相互関係を減少させて事実上存在しないようにする。
好ましくは、前記濃縮器の前記部品は、フェライトで形成されているか、または磁性板で製造されている。
有利な実施形態によれば、前記側方インダクタ及び前記底部インダクタは、異なる周波数で同時に動作することができる。
変形例によれば、前記底部インダクタの動作周波数が、前記側方インダクタの動作周波数よりも若干低いことが有利であり得る。
溶解すべき酸化物および混合酸化物／金属材料が約３０ｋｇ〜１０００ｋｇの充填物量の場合、：
−前記側方インダクタ及び前記底部インダクタの電源が、溶融されるべき充填物に応じて約５００Ｈｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲にわたって動作するような大きさである。
−溶融コリウムの特定の用途においては、前記側方インダクタ及び前記底部インダクタの電源は、約８０ｋＨｚ〜１６０ｋＨｚの周波数範囲にわたって動作するように優先的に大きさが決められる。
−前記側方インダクタ及び前記底部インダクタの電源が、溶融されるべき充填物に応じて約５００Ｈｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲にわたって動作するような大きさである。
−溶融コリウムの特定の用途においては、前記側方インダクタ及び前記底部インダクタの電源は、約８０ｋＨｚ〜１６０ｋＨｚの周波数範囲にわたって動作するように優先的に大きさが決められる。
一般的に、１つ又は複数の金属を溶融するのに適している前記側方インダクタ又は前記底部インダクタの動作周波数、及び、１つ又は複数の酸化物を溶融するのに適している前記側方インダクタ又は前記底部インダクタの他の動作周波数を選択することが可能である。
本発明の他の主題は、他の側面によれば、少なくとも１つ以上の金属と１つ以上の酸化物との混合物を溶融するための、上記炉の使用である。
前記混合物は、金属（鋼、ジルコニウム等）及び酸化物（ウランＵＯ２、ジルコニウム等）並びにコンクリートの成分の混合物であり得、前記混合物は、コリウムを代表するものである。
他の利点および特徴は、以下の図を参照しながら、例示的かつ限定的ではない詳細な説明を読むことによってより明らかになるであろう。
本出願を通して、「垂直」、「下部」、「上部」、「底部」、「頂部」、「下に」および「上に」、「内部の」、「外部の」という用語は、誘導加熱された低温坩堝炉が垂直動作構成で配置されているものとして理解されるべきである。したがって、動作構成では、炉は、溶融材料が排出される底部（フロア）と垂直に、下向きに配置される。
図１〜図９は、前文で既に言及されている。したがって、それらは、以下に詳細には記載されない。
明瞭化のために、従来技術及び本発明による低温坩堝炉に共通の要素は、同じ参照番号で示されている。
図１０には、本発明による少なくとも１つの磁束濃縮器６を含む低温坩堝炉１が示されている。このような炉１は、好ましくは、コリウムを代表とする酸化ウランＵＯ２等の、金属と酸化物との混合物からなる充填物の溶融を行うことを意図している。
このような炉１は、側方インダクタ、すなわち坩堝のサイドジャケット２１の外周に少なくとも一巻きの巻き線を巻回した電磁誘導コイル４で囲まれた銅坩堝２を備えている。図示の例では、インダクタ４は、互いに同一で等距離にある４つの連続する巻き線４０〜４３を含む。
図示されていないが、坩堝２の側壁は、いくつかの同一の部分２０に分割されている。
坩堝２はまた、フロアと呼ばれる底部２２を含む。底部２２は、材料が溶融によって液体状態になると、材料又は材料の混合物の排出を可能にするためのストッパー２３を含む。
このように、坩堝２の側壁またはジャケット２１を部分２０に分割することにより、インダクタ４の巻き線を交流電流が通過するとき、誘起された電流は、図４に関連して前文で既に説明したように、坩堝の周辺に局在したままではなく、各部分２０の周りを進む。各部分２０の内周部における電流の組は、坩堝に含まれる充填物に電磁場を生成する。
従って、インダクタ４による直接誘導と低温坩堝２による間接誘導との和に対応する、充填物に誘導された電流は、溶融が起こり、ローレンツ力と液体充填物の温度勾配によって生じる自然対流のために液体充填物が混合されるまで充填物の材料を加熱することを可能にする。溶融した充填物が液体になったとき、それは示されていない冷却回路によって冷却された坩堝２の壁と接触し、それを凝固させて外皮、すなわち坩堝２に最初に導入された充填物の材料から作られた固体層を生成する。
このような低温坩堝炉１の使用は、コリウムを代表する酸化ウランと金属との混合物からなる充填物を溶融するのに有利である。実際に、酸化ウランの融点は、２８６５℃程度であり、金属、特にチタンの融点よりはるかに高い。これらの温度の金属は、粘度が実質的にゼロであること、すなわち坩堝の最小の亀裂に浸透する可能性があることが特徴である。
上記で説明したような外皮の形成により、一方で、溶融すべき充填物中に存在する金属は、いずれの場合にも、坩堝の壁の構成金属を攻撃することができず、他方で、材料の混合物は初期純度を保持する。
好ましくは、２つの連続する（隣接する）部分２０の間に、電気絶縁材料からなる、図示しない要素が配置される。このような絶縁要素は、漏れを防止し、熱損失を減少させるだけでなく、炉の運転中に銅部分２０間の電気アークの形成を最小限にするのに役立つ。
図１０に示すように、炉１はまた、ストッパー２３の下の領域を空けて、フロア２２の下面に対向する軸Ｘの周りに巻かれた少なくとも１つの巻き線５０、５１、５２を有する底部インダクタ５を備える。図示した例では、底部インダクタ５は、互いに同一で等距離の３つの巻き線４３を有する。
側方インダクタ４と底部インダクタ５の両方を加熱手段とすることにより、溶融すべき充填物の材料に誘導される電力密度の連続性を得ることができる。従って、従来技術による従来の解決法のように、充填物を過熱する必要なく、外皮の厚さをより良好に分布させることができる。従って、熱損失は、大幅に増加せず、誘導電力は、最適化される。
従って、本発明者らは、底部インダクタ５によって誘起された電流が側方インダクタ４の動作を妨害することができ、逆もまた同様であることを分析した。「相互関係」という用語で知られているこの現象は、底部の誘導発生器の劣化が低い限り、進行する可能性がある。
従って、本発明者らは、底部インダクタ５の下面及び外周にそれぞれ対向して配置された少なくとも１つの側壁６１及び１つの底壁６２を含む強磁性材料からなる部品６０からなる磁束集束器６を埋め込んでいる。
従って、強磁性材料で作られた部品６０は、底部インダクタ５によって生成された磁場を、中央ストッパー２３の周りのフロア２２上の局所領域に閉じ込めることを可能にする。
これにより、相互関係を低減または排除することが可能になるだけでなく、底部インダクタ５の効率を高めることが可能になる。これは、図１０に示されており、サイドジャケット２１とフロア２２の両方に誘導電力密度の良好な分布Σがあることが分かる。
図１１は、溶融材料の均質な浴Ｂと、本発明による磁束集束器を有する２つのインダクタ４、５によって得られる外皮の厚さｅの実質的に均一な分布を示す。
１つの有利な実施形態によれば、溶融すべき充填物が、コリウムを代表する混合物のような、酸化物と少なくとも１つの金属との混合物からなる場合、底部インダクタ５の周波数とは異なる周波数の交流電流が側方インダクタに循環する。実際には、典型的には１８００℃付近のチタンなどの金属の温度は、２８６５℃付近の酸化ウランＵＯ２のような酸化物の温度よりも実質的に低い。
このように、側方インダクタ４および底部インダクタ５に２つの異なる周波数の電流を供給することにより、その一方は金属の誘導溶融に適しており、他方は酸化物の誘導溶融に適しており、混合を確実にしながら、すなわち均一な混合物を保証しながら、混合物の構成の同時の溶融を確保し、しかも溶融プロセスを通して金属が坩堝の壁に直接接触しないようにすることを保証する。実際に、一方で、同じ材料の場合、誘導周波数が高いほど電磁波が前記材料をより多く透過し、従ってバルク内でのジュール効果加熱が生じる。
さらに、前述のように、融点の違いにより、酸化物の誘導周波数が高くなり、金属の周波数が低くなる。
最後に、炉内の溶融プロセスが進行すると、金属は、酸化物が溶融し始めると実質的にゼロの粘度を有する。
従って、本発明による炉の操作のために単一誘導周波数を用いることによって、溶融金属が坩堝の壁に存在する最小の亀裂に浸透する危険が残る。また、金属が壁に付着すると金属が突き出る危険性があり、電磁波のスクリーンを作り、場合によっては低温坩堝を劣化させるという有害な影響を与える。
従って、本発明による炉の２つの異なる周波数、すなわち側方インダクタ４用と、底部インダクタ５用とにおける動作は、これらの危険性を回避するか、または少なくとも低減することを可能にする：プロセス中に、金属は、坩堝の内部に向かって押し戻される。このようにして均質な混合物が溶融成分の平衡系で得られる。これは、特に、溶融すべき充填物が主として酸化物からなる場合には、側方インダクタ４および底部インダクタ５は、比較的類似した周波数、または同一の周波数で動作することができる。
図１２は、この有利な実施形態を示しており、底部インダクタ５の動作周波数は、側方インダクタ４の動作周波数よりも低い：従って、電力密度分布Σｉは、サイドジャケット２１においてフロア２２よりも低い。
図１３および図１４には、本発明による炉の有利な実施形態が示されている。この実施形態によれば、任意にセグメント化されたリング７の形態の補助磁気集磁器素子を、側方インダクタ４の下に配置することができる。
図示されているように、このリング７は、側方インダクタ４（図１３）の巻き線４０、４１、４２、４３に直交して延びる単一の壁７０を含むことができ、あるいは、側方インダクタ４（図１４）の巻き線４０、４１、４２、４３に平行に延びる補助壁７１を含むことができる。
側方インダクタ４の下のこのリング７は、磁気濃縮器６、６０の結果を増加させることを可能にする。実際には、２つのインダクタ４、５の電力、周波数および近接度に応じて、リング７は、底部インダクタ５の効率を増加させ、相互関係を減少させて事実上存在しないようにする。
好ましくは、側方インダクタ４および底部インダクタ５の電源は、溶融すべき充填物に応じて約５００Ｈｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲にわたって動作するような大きさである。
より好ましくは、溶融コリウムの特定の用途では、側方インダクタ４および底部インダクタ５の電源は、約８０ｋＨｚ〜１６０ｋＨｚの周波数範囲にわたって動作するように優先的に大きさが設定される。
本発明は、ここに説明した例に限定されない。特に図示された例の特徴は、図示されていない変形例において互いに組み合わせることができる。
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［参考文献８］Ｄ．Ｂ．Ｌｏｐｕｃｈ， Ａ． Ｐ． Ｍａｒｔｉｎｏｖ， Ａ．Ｖ． Ｖａｖｉｌｏｖ， Ｐ．Ｍ． Ｇａｒｉｆｕｌｌｉｎ “Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｌｔ ｇｌａｓｓ ｂｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｅｌｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｃｏｌｄ ｃｒｕｃｉｂｌｅ”， ６７ｔｈ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ， Ａｃｔｓ ｏｆ ｓｔｕｄｅｎｔｓ， ｇｒａｄｕａｔｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ａｎｄ ｙｏｕｎｇ ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ， ｐｐ １５７−１６０ （ｉｎ Ｒｕｓｓｉａｎ）
１ 低温坩堝炉
２ 坩堝
３ 充填物
４ インダクタ
６ 磁束濃縮器
７ 補助磁気濃縮器リング
２０ 長手方向部分
２１ サイドジャケット
２２ 底部
２３ フロア
４０ 巻き線
４１ 巻き線
４２ 巻き線
４３ 巻き線
５０ 巻き線
５１ 巻き線
５２ 巻き線
６０ 部品
６１ 側壁
６２ 底壁
６３ 側壁
７０ 補助磁気濃縮器リング
７１ 補助磁気濃縮器リング
２ 坩堝
３ 充填物
４ インダクタ
６ 磁束濃縮器
７ 補助磁気濃縮器リング
２０ 長手方向部分
２１ サイドジャケット
２２ 底部
２３ フロア
４０ 巻き線
４１ 巻き線
４２ 巻き線
４３ 巻き線
５０ 巻き線
５１ 巻き線
５２ 巻き線
６０ 部品
６１ 側壁
６２ 底壁
６３ 側壁
７０ 補助磁気濃縮器リング
７１ 補助磁気濃縮器リング
Claims (10)
- 電磁誘導によって加熱され、酸化物及び／又は金属等の少なくとも１つの導電性材料を溶融するための低温坩堝炉（１）であって、
−溶融される前記材料を含有する坩堝であって、その壁（２０）が、導電性材料で作られており、軸Ｘを中心とする回転シリンダの一般的な形状を有するサイドジャケット（２１）、及び、フロア（２２）と称され、少なくとも１つのストッパー（２３）を備える底部を含み、前記サイドジャケット（２１）及び前記フロア（２２）がそれぞれ、前記軸Ｘに平行に延びる電気絶縁部分に分割される、坩堝と、
−前記サイドジャケットの外周に巻かれた少なくとも１つの巻き線（４０、４１、４２、４３）を有する、側方インダクタ（４）と称される少なくとも１つのインダクタと、
−前記ストッパー（２３）の下の領域を空けたままで、前記フロアの下面に対向する前記軸Ｘに巻かれた少なくとも１つの巻き線（５０、５１、５２）を有する、底部インダクタ（５）と称される少なくとも１つのインダクタと、
を備え、
前記底部インダクタ（５）の下面及び外周に対向してそれぞれ配置される少なくとも１つの側壁（６１）及び１つの底壁（６２）を備える強磁性材料で作られる部品（６０）で構成される磁束濃縮器（６）を形成する少なくとも１つの装置をさらに備え、
前記磁束濃縮器の部品が、前記底部インダクタ（５）の内周に対向して配置された側壁（６３）をさらに備え、前記部品の前記２つの側壁（６１、６３）及び前記底壁（６２）が、前記底部インダクタ（５）が配置されるＵ形状を画定することを特徴とする、低温坩堝炉（１）。 - 前記側方インダクタの下側に、補助磁気濃縮器リング（７、７０、７１）をさらに備える、請求項１に記載の低温坩堝炉。
- 前記部品が、フェライトからなり、または磁性板からなる、請求項１または２に記載の低温坩堝炉。
- 前記側方インダクタ（４）及び前記底部インダクタ（５）が、異なる周波数で同時に動作することができる、請求項１から３の何れか一項に記載の低温坩堝炉。
- 前記底部インダクタの動作周波数が、前記側方インダクタの動作周波数よりも低い、請求項４に記載の低温坩堝炉。
- 前記側方インダクタ及び前記底部インダクタの動作周波数が、５００Ｈｚと３００ｋＨｚの間である、請求項１から５の何れか一項に記載の低温坩堝炉。
- 前記側方インダクタ及び前記底部インダクタの動作周波数が、８０ｋＨｚと１６０ｋＨｚとの間である、請求項６に記載の低温坩堝炉。
- 前記側方インダクタ（４）又は前記底部インダクタ（５）の動作周波数の一方が、１つ又は複数の金属を溶融するように設定され、前記側方インダクタ（４）又は前記底部インダクタ（５）の動作周波数の他方が、１つ又は複数の酸化物を溶融するように設定される、請求項４から７の何れか一項に記載の低温坩堝炉。
- 少なくとも１つ以上の金属と１つ以上の酸化物との混合物を溶融するための、請求項１から８の何れか一項に記載の炉の使用。
- 前記混合物が、金属及び酸化物並びにコンクリートの成分の混合物である、請求項９に記載の使用。
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