WO2017093165A1 - Four a creuset froid à chauffage par deux inducteurs electromagnetiques possédant un dispositif formant un concentrateur à flux magnétique, utilisation du four pour la fusion d'un melange de metal(ux) et d oxyde(s) representatif d'un corium - Google Patents

Four a creuset froid à chauffage par deux inducteurs electromagnetiques possédant un dispositif formant un concentrateur à flux magnétique, utilisation du four pour la fusion d'un melange de metal(ux) et d oxyde(s) representatif d'un corium Download PDF

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lateral
furnace
crucible
melting
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Guillaume Lecomte
Guy WILLERMOZ
Patrice Brun
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    • F27B2014/108—Cold crucibles (transparent to electromagnetic radiations)

Definitions

  • the present invention relates to a cold crucible furnace with electromagnetic induction heating, for melting at least one electrically conductive material, such as an oxide and / or a metal, comprising two inductors with at least one turn.
  • the furnace according to the invention with a cold crucible may be a self-crucible furnace.
  • a particularly interesting target application is the melting of a mixture of metal (ux) and oxide (s).
  • a corium is a mixture of molten materials (U0 2 , Zr0 2 , Zr, steel) which, in cases of serious nuclear accidents, is likely to form during the fusion of nuclear fuel assemblies and nuclear control rods5 .
  • the invention also applies to electromagnetic induction melting of any electrically conductive material. It is specified here that the melting can be carried out on an oxide which, although constituting a very good cold electrical insulator, is conductive beyond a certain temperature. Also, in the context of the invention, when the fusion of an oxide must be carried out, it is first initiated by means of a resistor, preferably in the form of a metal ring, usually called susceptor metal, around the furnace, and once the oxide has reached a certain temperature and is conductive, induction with the furnace according to the invention is possible in the oxide.
  • a resistor preferably in the form of a metal ring, usually called susceptor metal
  • the invention thus applies in particular to ovens used in foundry or metallurgy.
  • FIG. 1 illustrates an induction heating furnace 1 comprising a crucible 2 intended to contain a charge 3, that is to say a certain mass and volume of an electrically conductive material.
  • the lateral envelope of the crucible 2 is surrounded by an inductor 4 fed with alternating current at a certain high frequency, intended to heat by electromagnetic induction the charge 3 contained in the crucible.
  • the walls of the crucible are made of a refractory material, for example rammed earth or a conductive material, for example graphite.
  • a disadvantage of these crucibles is that their walls rise to the temperature of the load.
  • the refractory material constituting these walls (the container) and the impurities contained therein are capable of diffusing into the melt (the contents), which is particularly troublesome in the case where the crucibles are intended to contain materials.
  • very reactive for example alloys based on titanium or glasses / enamels, whose treatment is intended to provide a product of very high purity.
  • the material of the molten charge can gradually penetrate into the container because of its porosity.
  • the container dissolves little by little because of the strong reactivity of the molten material.
  • the merger can not last long.
  • the operating temperature of the walls of the crucible is therefore in the conditions mentioned above, necessarily limited.
  • the possible solution to achieve the melting of reactive materials with refractory materials and / or very high melting temperature is to use a crucible implementing the same principle of heating by electromagnetic induction but called cold crucible or cold walls .
  • the self-crucible type induction furnace is also referred to in the literature as, at the inner periphery of the furnace, against the cold walls, a solidified layer of the material itself of the load is formed which may be considered as constituting the wall.
  • internal crucible Cold crucible furnaces have already proven themselves in small quantities, typically a few tens of kilograms of metal load.
  • the reactive materials that can be melted at high temperature above 1500 ° C or even up to 3100 ° C in cold crucible furnaces can be both metallic, such as titanium, steel or various alloys, that oxides such as glass, titanium oxide, rare earth or a mixture thereof such as the corium mentioned above or even poorly conductive materials, such as silicon, enamels, glasses ...
  • FIGS. 2 to 4 show a part of such a cold crucible furnace 1: the crucible 2 is formed by walls of electrically conductive material, divided vertically into several longitudinal sectors 20, hollow, electrically insulated from each other . These sectors 20 are commonly made of a metal such as copper which has the advantage of having a low electrical resistivity and of having good heat exchange qualities. These sectors are further internally traversed by a circulation of cooling fluid (not shown), commonly water. This cooling fluid makes it possible to maintain the internal surface of the sectors 20 in contact with the liquid charge at a temperature well below the melting temperature of the feedstock, typically below 300 ° C.
  • cooling fluid commonly water
  • the cold crucible 2 may comprise distinct sectors 20 between the lateral envelope 21, also called ferrule, and the bottom 22, also called sole, as illustrated in FIG. 2.
  • the interface between the lateral envelope 21 and sole 22 is rather rectangular.
  • Each sector 20 of the lateral envelope 21 and the sole 23 may also constitute a single sector 20 as illustrated in FIG. configuration, it is possible to have sectors 20 whose inner wall between the side shell 21 and the sole 22 has a hemispherical shape.
  • the lateral envelope 21 of the cold crucible 2 is arranged inside an inductor 4 with at least one turn, supplied with alternating current I at a certain frequency which creates induced currents I in the sectors 20, currents I which close by traversing the inner wall of the crucible and in which they create a magnetic field.
  • the high frequency current flowing in the inductor 4 produces a peripheral current in each of the sectors 20.
  • the set of currents at the inner periphery of each sector 20 produces an electromagnetic field in the contained charge of the crucible.
  • any electrically conductive material in such a crucible is the seat of the induced currents that interact with the magnetic field created by the inductor 4 causes the appearance of electromotive forces called Lorentz forces.
  • the currents induced in the load which correspond to the sum of the direct induction by the inductor 4 and the indirect induction by the cold crucible 2 make it possible to heat the material (s) of the charge up to at the fusion and the liquid charge is brewed because of the Lorentz forces but also the natural convection generated by the thermal gradients in the liquid charge.
  • the temperature of the inner surface of the sectors 20 is much lower than that of the melt load, and there is a rapid solidification of the molten material in contact with the sectors 20 of the crucible 2 and also with the sole 22, which creates a solid diffusion barrier layer avoiding reactivity between the sector material and the melt material.
  • there is creation of a thin crust by solidification of the load over a few millimeters or centimeters that is called in the state of the art self-crucible load or cold crucible.
  • This cold crucible admits a thermal gradient of a temperature of the order of 20 ° C to 250 ° C with the cold copper crucible to the solidus temperature of the molten charge.
  • cold crucible furnaces have all the advantages of "hot” induction furnace induction furnaces mentioned above, such as the use at high temperatures, with further high purity of the load due to the absence of pollution by the crucible, the realization of a mixing which makes the composition of the load uniform melting liquid and improves heat transfer and thus increases the homogeneity of temperature.
  • the lateral inductor 4 which heats the charge of material to be melted injects power by Joule effect in the material which is at a certain thickness at the periphery of the load, the value of which varies as a function of the frequency of the supply current of the inductor and the resistivity of the charge of the material to be melted.
  • the lower part of the crucible being of electrically conductive material, such as copper, it modifies the magnetic field lines and thus the induced currents.
  • the Joule effect power injected is less strong in the lower part of the crucible, as illustrated in FIG. 5 where it is clearly seen that the distribution ⁇ of induced power density decreases linearly, rapidly as the we are getting closer to the sole 22.
  • crust thickness e1 on the hearth 22 may be from 2 to 3 times more or even up to 10 times the thickness e2 on the lateral envelope 21 according to the configuration of the lateral inductor 4 and the cooling retained.
  • FIG. 6 clearly distinguishes the crust formed with its two thicknesses e1, e2 which contains the liquid bath B for melting the material or materials with a transition zone T between them.
  • the liquid bath B is in the upper part and this despite the thermo-hydraulic phenomena reinforced by the Lorentz forces generated by the lateral inductor 4.
  • the crust thicknesses vary according to the type of material (x) that is to be melted. The lower the thermal conductivity, the greater the thickness of the crust. It is specified here that for transparent materials such as glass, it is necessary to consider an apparent thermal conductivity with a part due to the conduction and a part due to radiation. For metals for which the thermal conductivity is quite high, typically of the order of 10 to 50 watt per meter-Kelvin (Wm ⁇ -K 1 ), the crust thickness may be of the order of mm, while for oxides and / or materials of low thermal conductivity, typically of the order of 1 to 5 Wm _1 -K " 1 , the thickness can reach several tens of mm.
  • Two casting modes can be envisaged: either by tilting of the crucible or by gravity by removing a plug 23 housed in the hearth 22.
  • crucible failover mode can not be retained for technological and cost reasons.
  • the melting of a mixture of materials representative of a corium requires placing in a controlled atmosphere.
  • the furnace includes cooling circuits that are physically present on its entire periphery, a switchover would require taking very complex measurements.
  • the time dedicated to the changeover can be very restrictive.
  • Gravity casting also has a number of constraints. First, once cap removed, in order to clear a through opening through which the liquid bath of material or the mixture of materials will be able to flow, it is necessary to break the crust in the bottom of the crucible. This is done by a mechanical element of striker type.
  • FIG. 7 diagrammatically shows such an inductor, called casting 4 ', as it is arranged around the transfer zone 24 of the casting.
  • This casting inducer 4 ' makes it possible to create additional induced currents around the zone of the liquid bath Zb in line with the casting zone 24 and thus to heat this zone Zb, thereby weakening the crust at this level.
  • FIG. 8 schematizes the power density distributions ⁇ 1, ⁇ 2 induced respectively by the lateral inductor 4 and the inductor 4 '.
  • the disadvantages of conventional cold crucible furnaces are related to a thickness of crust which is (too) important in the direction orthogonal to the location of the inductor, in general on the bottom (sole) because of the arrangement of a lateral inductor in most cases.
  • This large thickness makes it necessary to overheat the liquid bath in order to reduce the crust locally, which has the effect of major drawbacks to increase heat losses and require oversizing of the power of the induction generator and the cooling circuit of the oven.
  • Another solution is to arrange two inductors, that is to say to add in addition to the lateral inductor, an inductor, said bottom, below the sole but leaving unobstructed the casting area.
  • US Pat. No. 4,609,425 describes such a solution with a cold crucible furnace with two separate inductors, one of which is a lateral and a bottom.
  • the melting temperature that can be achieved with the described furnace is limited to about 1550 ° C, which rules out any fusion with oxides.
  • the temperature resistance and the implementation of the dielectric material of the furnace hearth is delicate and can not be suitable for fusions of the order of 2200 ° C and preferably 3000 ° C.
  • US Patent 4687646 also discloses a cold crucible furnace with a side inductor and a bottom inductor. This patent certainly mentions fusion of oxides but the disclosed oven can not actually achieve the melting of a mixed mixture of oxides / metal, has the same disadvantages as the oven according to US Patent 4609425 and in addition, because of its configuration, prohibits gravity casting.
  • JP 10253260 also discloses a cold crucible furnace with two separate inductors which only allows the melting of metals, with very low induction frequencies of the order of 60 Hz and melting temperatures lower than those of oxides.
  • the authors of this patent seek to avoid at all costs the formation of a crust and therefore dedicate the bottom inductor to lift the melt so that it does not come into contact with the sole.
  • the support of the bottom inductor and the sole according to this patent are shaped to define a cooling water circuit of the bottom inductor. Therefore, the sole must be waterproof and its walls are necessarily continuous, that is to say, it is not divided into sectors.
  • the induction frequency must be a few hundred kHz or even 100 kHz. Lorentz's forces are quite weak. Therefore, if one seeks to obtain a high melting temperature, a dielectric material of the hearth can not be suitable.
  • the sole according to this patent JP 10253260 is metallic, since it is not sectorized, the magnetic field induced at a high frequency, of the order of 100 kHz, could not cross the sole and therefore could not develop currents induced in the charge to melt.
  • the object of the invention is to respond at least in part to this need.
  • the invention has, in one of its aspects, a cold crucible furnace, heated by electromagnetic induction, intended to melt at least one electrically conductive material, such as an oxide and / or a metal, comprising:
  • a crucible for containing the material to be melted whose walls are made of electrically conductive material, preferably copper, and comprise a generally cylindrical side shell of revolution about an axis X and a bottom, called sole, provided with at least one plug, the lateral envelope and the sole being each divided into electrically isolated sectors, which extend parallel to the X axis;
  • At least one inductor said bottom inductor, at least one turn wrapped around the X axis facing the underside of the sole leaving a clear area below the cap.
  • the two inductors i.e. the lateral one and the bottom one, are used for melting and homogenizing the charge to be melted.
  • the furnace furthermore comprises at least one magnetic fluxconcentrator device consisting of a piece of ferromagnetic material comprising at least one sidewall and a bottom wall respectively arranged facing the lower face and the outer periphery. of the bottom inductor.
  • magnetic flux concentrator is meant here and in the context of the invention, a piece of material with relatively high or very high relative magnetic permeability, that is to say with a value ⁇ ⁇ much greater than 1. It may advantageously be a ferrite component or a part consisting of a stack of magnetic sheets.
  • the concentrator part according to the invention has a general shape of revolution around the X axis which may comprise one or more notches, openings, grooves to pass if necessary the electric current leads of the base inductor which may further include the coolant coolant supply pipes of the bottom inductor.
  • the invention therefore consists in surrounding the major part of the bottom inductor which is not directly facing the sole, by an element whose high or very high magnetic permeability will make it possible to confine the magnetic fields generated by the bottom inductor, in an area at the bottom of the crucible in contact with the hearth.
  • the efficiency of the bottom inductor is increased without any need to oversize the equipment of the cold crucible furnace.
  • the inventors believe that it is possible to increase the efficiency up to a factor of 20 to 30% compared to a solution with two inductors without the concentrator according to the invention.
  • the concentrator according to the invention makes it possible to avoid or at least greatly reduce the occurrence of mutuals between the lateral inductor and the bottom inductor. This avoids the risk of electromagnetic disturbance of the induction generators and thus makes it easier to have two different power supplies with dedicated frequencies, one for the lateral inductor and the other for the inductor.
  • the concentrator according to the invention makes it possible to increase the forces of
  • the magnetic concentrator solution according to the invention is different from an EM shielding screen that could be recommended by a man of the state of the art: indeed, faced with the problem of occurrence of mutuals between lateral inductor and bottom inductor , it would rather tend to achieve as conventionally an electromagnetic shielding screen between the two inductors but not only such a screen could cause other currents detrimental to the desired fusion goal but also could not certainly not effectively confining the magnetic field of the inductor. It must also be emphasized that under no circumstances can an electromagnetic shielding screen be assimilated to a magnetic flux concentrator according to the invention.
  • the part of the magnetic flux concentrator further comprises a lateral wall arranged facing the inner periphery of the bottom inductor, the two side walls and the bottom wall of the part defining substantially a shape.
  • U in which is arranged the bottom inductor.
  • an additional magnetic concentration ring may be provided to arrange an additional magnetic concentration ring, segmented or not, below the lateral inductor.
  • the concentrator part according to the invention is made of ferrite or made from magnetic sheets.
  • the lateral inductor and the bottom inductor are able to operate simultaneously at different frequencies.
  • the operating frequency of the base inductor may be slightly lower than that of the lateral inductor.
  • the power sources of the lateral inductor and the bottom inductor are sized to operate over the frequency range of about 500 Hz to 300 kHz depending on the filler to melt;
  • the power sources of the lateral inductor and the bottom inductor are preferably sized to operate over the frequency range of about 80 kHz to 160 kHz.
  • an operating frequency of the lateral inductor or of the base inductor which is suitable for the melting of one or more metals (ux) and the other of the operating frequencies of the inductor lateral or bottom inductor being adapted for melting one or more oxide (s).
  • the invention also relates, in another of its aspects, the use of the oven described above for melting a mixture of at least one or more metals with one or more oxides.
  • the mixture can be a mixture of metals (steel, zirconium, ...) with oxides (uranium U0 2 , zirconium, ...) as well as concrete components, the mixture being representative of a corium.
  • FIG. 1 is a partially cut away perspective view of a crucible furnace with electromagnetic induction heating
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of an exemplary embodiment of a crucible for a cold crucible furnace with electromagnetic induction heating, in which the lateral envelope and the hearth are each divided into identical sectors with the sectors of the lateral envelope being different from those of the sole;
  • FIG. 3 is a partially cut away perspective view of another embodiment of a crucible for a cold crucible furnace with electromagnetic induction heating, in which the lateral envelope and the hearth are each divided into identical sectors with each sector common to both the lateral envelope and sole sole;
  • FIG. 4 is a schematic top view of a crucible furnace also electromagnetic induction heating forming a cold crucible furnace
  • FIG. 5 is a schematic longitudinal half-sectional view of an induction-heated cold crucible furnace with only one lateral inductor according to the state of the art, FIG. 5 showing the power density distribution along the wall of the lateral envelope;
  • Figure 6 shows Figure 5 and shows the liquid bath of material (x) melt in the crucible and the thickness of the crust on the side shell and on the sole;
  • FIG. 7 is a schematic longitudinal half-sectional view of an induction-heated cold crucible furnace with a lateral inductor and a casting inductor according to the state of the art, FIG. 7 showing the liquid bath of material (s) melted in the crucible and the local melting zone above the plug, the thicknesses of the self-crucible crust on the lateral envelope and on the hearth;
  • FIG. 8 shows FIG. 7 and shows the power density distribution along the wall of the lateral envelope and above the plug
  • FIG. 9 is a schematic longitudinal half-sectional view of an induction-heated cold crucible furnace with a crucible with a diameter greater than its height and a single bottom inductor according to the state of the art, FIG. 9 showing the power density distribution along the wall of the hearth;
  • FIG. 10 is a schematic longitudinal half-sectional view of an induction heating cold crucible furnace with a lateral inductor, a base inductor and a magnetic flux concentrator according to the invention, FIG. power density both along the wall of the side casing and the hearth for identical operating frequencies between inductors;
  • Figure 11 shows Figure 10 and shows the liquid bath of material (x) melt in the crucible and the thickness of the self-crucible crust on the side shell and on the sole;
  • FIG. 12 shows FIG. 10 and showing the power density distribution both along the wall of the lateral envelope and the sole for a operating frequency of the lower inductor than that of the lateral inductor;
  • FIG. 13 is a schematic longitudinal half-sectional view of an induction heating cold crucible furnace with a lateral inductor, a base inductor and a magnetic flux concentrator according to the invention, to which is added a magnetic flux concentrator; additional below the lateral inductor;
  • Figure 14 is a view similar to Figure 13 showing an alternative embodiment of the additional magnetic flux concentrator according to the invention.
  • FIG. 10 shows a cold crucible furnace 1 comprising at least one magnetic flux concentrator 6 according to the invention.
  • a furnace 1 is preferably intended for melting a charge consisting of a mixture of metal (ux) and oxide (s), such as uranium oxide U0 2 , representative of a corium .
  • Such an oven 1 comprises a copper crucible 2 surrounded by a lateral inductor, i.e. an electromagnetic induction coil 4 with at least one turn wound around the outer periphery of the lateral envelope 21 of the crucible.
  • the inductor 4 comprises a number equal to four consecutive turns 40-43 identical and equidistant from each other.
  • the side wall of the crucible 2 is divided into a number of identical sectors.
  • the crucible 2 also comprises a bottom 22, called sole.
  • the bottom 22 comprises a plug 23 to allow the evacuation of the material or mixture of materials once it (these) in the liquid state by melting.
  • the currents induced in the load which correspond to the sum of the direct induction by the inductor 4 and the indirect induction by the cold crucible 2 make it possible to heat the material (s) of the charge up to at the fusion and the liquid charge is brewed because of the Lorentz forces but also the natural convection generated by the thermal gradients in the liquid charge.
  • the molten charge has become liquid, it comes into contact with the walls of the crucible 2 cooled by the not shown cooling circuit, which solidifies it, thus creating a crust, that is to say a solid layer made in the material (s) of the feed initially introduced into the crucible 2.
  • the use of such a furnace 1 cold crucible is advantageous for the melting of a charge consisting of a mixture of uranium oxide and metal representative of a corium.
  • the melting temperature of the uranium oxide is of the order of 2865 ° C, well above the melting temperature of metals, especially titanium.
  • the metal at these temperatures is characterized by a viscosity almost zero, that is to say, it can infiltrate into the slightest crack of the crucible.
  • an element not shown in electrical insulating material is arranged between two consecutive sectors (adjacent).
  • An insulating element tel serves not only to prevent leakage and decrease heat losses, but also, to minimize the arcing between the copper sectors 20 during operation of the furnace.
  • the oven 1 also comprises a bottom inductor 5 with at least one turn 50, 51, 52 wound around the X axis facing the face. bottom of the hearth 22 leaving an area underneath the cap 23 open.
  • the bottom inductor 5 has three identical and equidistant turns of each other.
  • both a lateral inductor 4 and a bottom inductor 5 provides a continuity of the power density induced in the material of the filler to melt.
  • the crust thickness can be better distributed, without there being any need for supercooling the load as in conventional solutions according to the state of the art.
  • the heat losses are not increased significantly and the induction power can be optimized.
  • the inventors have analyzed that the current induced by the base inductor 5 is likely to disrupt the operation of the lateral inductor 4, and vice versa. This phenomenon known as the "mutuals" can go as far as damaging the induction generators bottom is lower.
  • a magnetic flux concentrator 6 consisting of a piece 60 of ferromagnetic material comprising at least one side wall 61 and a bottom wall 62 respectively arranged facing the lower face and the outer periphery of the inductor 5.
  • the piece 60 made of ferromagnetic material thus makes it possible to confine the magnetic field created by the bottom inductor 5 in the local area on the floor 22 around the central plug 23.
  • FIG. 10 This makes it possible not only to reduce or even eliminate any mutual but also to increase the efficiency of the inductor 5. This is illustrated by FIG. 10 where it can be seen that there is a good distribution of the induction power density both on the lateral envelope 21 and on the hearth 22.
  • FIG. 11 illustrates the homogeneous bath B of molten material (x) and the quasi-uniform thickness distribution e of the crust obtained thanks to the two inductors 4, 5 with the magnetic flux concentrator according to the invention.
  • the filler to be melted consists of a mixture of oxides and at least one metal, such as a representative mixture of a corium
  • the lateral inductor 4 an alternating current operating at a frequency different from that of the bottom inductor 5.
  • the temperature of the metal such as titanium typically around 1800 ° C, is significantly lower than those of oxides, such as uranium oxide U0 2 at about 2865 ° C.
  • the lateral and bottom inductors 5 at one of two frequencies, one of which is suitable for the induction melting of the metal (of the metals) and the other of the oxides, it is ensured that simultaneous melting of the constituents of the mixture while ensuring a mixing and therefore a homogeneous mixture, and in addition, it is ensured that, throughout the melting process, the metal (metals) does not come into direct contact with the walls of the crucible. Indeed, on the one hand, for the same material, the higher the induction frequency, the more the electromagnetic wave will penetrate the material and thus generate Joule heating in the mass.
  • oxides require higher induction frequencies and the metal (metals) lower frequencies.
  • the metal (metals) has (have) a near-zero viscosity when the oxides begin to melt.
  • the operation of an oven according to the invention at two different frequencies one for the lateral inductor 4, the other for the bottom inductor 5, makes it possible to avoid at least reducing these risks.
  • the metal (metals) is (are) repulsed towards the inside of the crucible. This gives a homogeneous mixture in a system of equilibrium of the melt components. This being so, especially in the case where the charge to be melted consists mainly of oxide (s), the lateral inductor 4 and the bottom inductor 5 can operate at relatively similar frequencies, or even identical.
  • FIG. 12 illustrates this advantageous embodiment with an operating frequency of the bottom inductor 5 which is lower than that of the lateral inductor 4: the power density distribution ⁇ i is therefore less important on the lateral envelope 21 than on the sole 22.
  • FIGS. 13 and 14 show an advantageous embodiment of a furnace according to the invention. According to this mode, it is intended to arrange an additional magnetic concentration element in the form of a ring 7, segmented or not, below the lateral inductor 4.
  • this ring 7 may comprise a single wall 70 which extends orthogonally to the turns 40, 41, 42, 43 of the lateral inductor 4 (FIG. 13), or it may comprise an additional wall 71 which extends parallel to the turns 40, 41, 42, 43 of the lateral inductor 4 ( Figure 14).
  • This ring 7 below the lateral inductor 4 reinforces the results of the magnetic concentrator 6, 60. Indeed, according to the power, the frequencies and the proximity of the two inductors 4, 5, the ring 7 increases the efficiency of the inductor 5 and reduce the mutuals to make them almost nonexistent.
  • the power sources of the side inductor 4 and the base inductor 5 are sized to operate over the frequency range of about 500 Hz to 300 kHz depending on the filler to be melted.
  • the power sources of the lateral inductor 4 and the bottom inductor 5 are preferably sized to operate over the frequency range of about 80 kHz to 160 kHz.

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Abstract

Four à creuset froid comprenant : - un creuset pour contenir un matériau conducteur électrique à faire fondre, aux parois en matériau conducteur électrique, et comprennent une enveloppe latérale, cylindrique de révolution autour d'un axe X et une sole munie d'au moins un bouchon, l'enveloppe latérale et la sole étant chacune divisée en secteurs isolés électriquement, parallèles à X; - au moins un inducteur latéral à au moins une spire enroulée autour de l'enveloppe latérale; - au moins un inducteur de fond, à au moins une spire enroulée autour de X en regard de la face inférieure de la sole en laissant dégagée une zone en dessous du bouchon, - au moins un concentrateur à flux magnétique constitué d'une pièce ferromagnétique comprenant au moins une paroi latérale et une paroi de fond agencées en regard de la face inférieure et de la périphérie extérieure de l'inducteur de fond.

Description

FOUR A CREUSET FROID A CHAUFFAGE PAR DEUX INDUCTEURS ELECTROMAGNETIQUES POSSÉDANT UN DISPOSITIF FORMANT UN CONCENTRATEUR À FLUX MAGNÉTIQUE, UTILISATION DU FOUR POUR LA FUSION D UN MELANGE DE METAL(UX) ET D OXYDE(S)
REPRESENTATIF D UN CORIUM
5 Domaine technique
La présente invention concerne un four à creuset froid à chauffage par induction électromagnétique, destiné à faire fondre au moins un matériau conducteur électrique, tel qu'un oxyde et/ou un métal, comprenant deux inducteurs à au moins une spire.
0 Le four selon l'invention à creuset froid, peut être un four à auto-creuset.
Une application visée particulièrement intéressante est la fusion d'un mélange de métal(ux) et d'oxyde(s). Un corium est un mélange de matériaux fondus (U02, Zr02, Zr, acier) qui, dans des cas d'accidents nucléaires graves, est susceptible de se former lors de la fusion des assemblages de combustibles nucléaires et des barres de contrôle5 nucléaire.
Bien que décrite en référence à la fusion d'un corium, l'invention s'applique également à la fusion par induction électromagnétique de tout matériau conducteur électrique. On précise ici que la fusion peut tout à fait être réalisée sur un oxyde qui bien que constituant un très bon isolant électrique à froid, est conducteur au-delà d'une certaine0 température. Aussi, dans le cadre de l'invention, lorsque la fusion d'un oxyde doit être réalisée, celle-ci est d'abord initié au moyen d'une résistance, de préférence sous la forme d'un anneau métallique, usuellement appelé suscepteur métallique, autour du four, puis une fois que l'oxyde a atteint une certaine température et est donc conducteur, l'induction avec le four selon l'invention est possible dans l'oxyde.
5 L'invention s'applique ainsi en particulier aux fours utilisés en fonderie ou en métallurgie.
Etat de la technique
Dans le domaine de la fonderie ou de la métallurgie, l'élaboration de matériaux nécessite généralement leur fusion et le maintien dans leur état liquide pendant un temps0 suffisamment long pour obtenir l'homogénéisation du liquide vis à vis des divers constituants ou de la température ou pour permettre à des réactions chimiques de s'accomplir au sein du liquide. Pour ce faire, il importe qu'un brassage anime le liquide. Ainsi, dans ces domaines, un procédé largement répandu pour réaliser la fusion de masses de métal importantes est celui du chauffage par induction électromagnétique dans un four à creuset. Les avantages majeurs d'un tel procédé sont sa simplicité de mise en œuvre, son efficacité et le fait qu'il évite tout contact entre la source d'énergie thermique et le métal.
On a illustré en figure 1, un four 1 à chauffage par induction comprenant un creuset 2 destiné à contenir une charge 3, c'est-à-dire une certaine masse et volume d'un matériau conducteur électrique. L'enveloppe latérale du creuset 2 est entourée d'un inducteur 4 alimenté en courant alternatif à une certaine fréquence élevée, destiné à chauffer par induction électromagnétique la charge 3 contenue dans le creuset.
Comme illustré sur cette figure 1, les parois du creuset sont réalisées en un matériau réfractaire, par exemple du pisé ou un matériau conducteur, par exemple du graphite. Un inconvénient de ces creusets est que leurs parois s'élèvent à la température de la charge. Ainsi, le matériau réfractaire constituant ces parois (le contenant) et les impuretés qui y sont contenues sont susceptibles de diffuser dans la charge en fusion (le contenu), ce qui est particulièrement gênant dans le cas où les creusets sont destinés à contenir des matériaux très réactifs, par exemple des alliages à base de titane ou de verres/d'émaux, dont le traitement est destiné à fournir un produit de très haute pureté. Cela est également gênant dans le domaine particulier de mise en œuvre qui est celui des inventeurs : ils ont en effet été confrontés à la nécessité de réaliser la fusion d'un mélange de métal et d'oxydes représentatif d'un corium (U02, Zr02, Zr, acier). Or, non seulement la même problématique de diffusion dans la charge du matériau réfractaire se pose, mais en outre la température à atteindre pour la fusion du corium est de l'ordre 3 000°K, la température de fusion de l'U02 étant de cet ordre de grandeur. Aucun matériau réfractaire, hormis la thorine (Th02) dont l'approvisionnement est rendu impossible du fait du caractère radioactif du thorium (Th), n'est capable de tenir cette température.
En outre, il existe d'autres inconvénients pour le creuset. Tout d'abord, le matériau de la charge en fusion peut venir pénétrer peu à peu dans le contenant à cause de sa porosité. Le contenant se dissout peu à peu à cause de la réactivité forte du matériau en fusion. La fusion ne peut alors durer longtemps.
La température de fonctionnement des parois du creuset (contenant) est donc dans les conditions évoquées précédemment, nécessairement limitée. Ainsi, la solution possible pour réaliser la fusion de matériaux réactifs avec les matériaux réfractaires et/ou de température de fusion très élevée consiste à utiliser un creuset mettant en œuvre le même principe de chauffage par induction électromagnétique mais appelé creuset froid ou encore à parois froides. On parle également dans la littérature de four à induction du type à auto-creuset car, à la périphérie interne du four, contre les parois froides, se forme une couche solidifiée du matériau proprement dit de la charge qui peut être considérée comme constituant la paroi interne du creuset. Les fours à creuset froid ont déjà fait leurs preuves sur de petites quantités, typiquement quelques dizaines de kilos de charge de métal.
Les matériaux réactifs qui peuvent être ainsi fondus à haute température au- delà de 1500°C, voire atteignant les 3100°C dans des fours à creuset froid peuvent être aussi bien métalliques, comme le titane, l'acier ou des alliages divers, que des oxydes comme le verre, l'oxyde de titane, de terre rare ou un mélange de ceux-ci comme le corium évoqué ci-dessus ou bien encore des matériaux peu conducteurs, tels que le silicium, les émaux, les verres...
On a représenté aux figures 2 à 4, une partie d'un tel four à creuset froid 1 : le creuset 2 est formé par des parois en matériau électriquement conducteur, divisée verticalement en plusieurs secteurs longitudinaux 20, creux, isolés électriquement les uns des autres. Ces secteurs 20 sont couramment en un métal tel que du cuivre qui présente l'avantage d'avoir une faible résistivité électrique et de présenter de bonnes qualités d'échange thermique. Ces secteurs sont en outre parcourus intérieurement par une circulation de fluide de refroidissement (non représenté), couramment de l'eau. Ce fluide de refroidissement permet de maintenir la surface interne des secteurs 20 en contact avec la charge liquide à une température bien inférieure à la température de fusion de la charge, typiquement inférieure à 300°C.
Selon les contraintes du procédé de fusion, le creuset froid 2 peut comprendre des secteurs 20 distincts entre l'enveloppe latérale 21 appelée aussi virole et le fond 22 appelé aussi sole comme illustré en figure 2. Dans cette configuration, l'interface entre enveloppe latérale 21 et sole 22 a plutôt une forme rectangulaire.
Chaque secteur 20 de l'enveloppe latérale 21 et de la sole 23 peut aussi constituer un seul et même secteur 20 comme illustré en figure 3. Dans cette configuration, il est possible d'avoir des secteurs 20 dont la paroi intérieure entre l'enveloppe latérale 21 et la sole 22 présente une forme hémisphérique.
L'enveloppe latérale 21 du creuset froid 2 est agencée à l'intérieur d'un inducteur 4 à au moins une spire, alimenté en courant alternatif I à une certaine fréquence qui crée des courants induits I dans les secteurs 20, courants I qui se referment en parcourant la paroi interne du creuset et dans lequel ils créent un champ magnétique. Ainsi, le courant à haute fréquence circulant dans l'inducteur 4 produit un courant périphérique dans chacun des secteurs 20. L'ensemble des courants à la périphérie interne de chaque secteur 20 produit un champ électromagnétique dans la charge contenue du creuset. En effet, tout matériau conducteur électrique dans un tel creuset est le siège des courants induits qui en interaction avec le champ magnétique créé par l'inducteur 4 entraîne l'apparition de forces électromotrices dites forces de Lorentz. Ainsi, les courants induits dans la charge qui correspondent à la somme de l'induction directe par l'inducteur 4 et de l'induction indirecte par le creuset froid 2 permettent de chauffer le(s) matériau(x) de la charge jusqu'à la fusion et la charge liquide est brassée du fait des forces de Lorentz mais aussi de la convection naturelle engendrée par les gradients thermiques dans la charge liquide.
Du fait du circuit de refroidissement, la température de la surface interne des secteurs 20 est bien moindre que celle de la charge en fusion, et il se produit une solidification rapide du matériau fondu en contact avec les secteurs 20 du creuset 2 et également avec la sole 22, ce qui crée une couche-barrière de diffusion solide évitant toute réactivité entre le matériau des secteurs et celui en fusion. Autrement dit, il y a création d'une croûte de faible épaisseur, par solidification de la charge sur quelques millimètres voire centimètres que l'on nomme dans l'état de l'art auto-creuset de la charge ou creuset froid. Ce creuset froid admet un gradient thermique d'une température de l'ordre de 20°C à 250°C avec le creuset froid en cuivre jusqu'à la température de solidus de la charge en fusion.
Ainsi, les fours à creuset froid présentent tous les avantages des fours à chauffage par induction à creuset dit « chaud » mentionné ci-dessus, tels que l'utilisation aux hautes températures, avec en outre une grande pureté de la charge due à l'absence de pollution par le creuset, la réalisation d'un brassage qui rend la composition de la charge liquide en fusion uniforme et améliore les transferts thermiques et donc augmente l'homogénéité de température.
En revanche, les fours à creuset froid connus présentent de par leur principe de fonctionnement plusieurs contraintes.
Comme évoqué ci-avant, l'inducteur latéral 4 qui chauffe la charge de matériau à fondre injecte une puissance par effet Joule dans le matériau qui se situe à une certaine épaisseur en périphérie de la charge dont la valeur varie en fonction de la fréquence du courant d'alimentation de l'inducteur et de la résistivité de la charge du matériau à fondre. La partie inférieure du creuset étant en matériau électriquement conducteur, tel que le cuivre, elle modifie les lignes de champ magnétique et donc les courants induits. Ainsi, la puissance par effet Joule injectée est moins forte dans la partie inférieure du creuset, comme illustré en figure 5 où l'on voit clairement que la distribution ∑ de densité de puissance induite diminue linéairement, rapidement au fur et à mesure que l'on se rapproche de la sole 22.
Ce phénomène combiné au refroidissement des secteurs 20 de l'enveloppe latérale 21 et de la sole 22 conduit à une épaisseur de croûte qui est plus importante sur la sole 22 que sur l'enveloppe latérale 21, comme montré en figure 6. Typiquement, l'épaisseur de croûte el sur la sole 22 peut être de 2 à 3 fois plus voire jusqu'à 10 fois l'épaisseur e2 sur l'enveloppe latérale 21 selon la configuration de l'inducteur latéral 4 et le refroidissement retenu. Sur la figure 6, on distingue clairement la croûte formée avec ses deux épaisseurs el, e2 qui contient le bain liquide B de fusion du ou des matériaux avec une zone de transition T entre eux. Ainsi, le bain liquide B est en partie supérieure et ce malgré les phénomènes thermo-hydrauliques renforcés par les forces de Lorentz générés par l'inducteur latéral 4.
Les épaisseurs de croûte varient selon le type de matériau(x) que l'on cherche à fondre. Plus la conductivité thermique est faible, plus l'épaisseur de croûte peut être importante. On précise ici que pour les matériaux transparents comme le verre, il faut considérer une conductivité thermique apparente avec un partie due à la conduction et une partie due au rayonnement. Pour les métaux pour lesquels la conductivité thermique est assez élevée, typiquement de l'ordre de 10 à 50 watt par mètre-kelvin (W-m^ -K 1), l'épaisseur de croûte peut être de l'ordre du mm, tandis que pour des oxydes et/ou pour des matériaux de faible conductivité thermique, typiquement de l'ordre de 1 à 5 W-m_1 -K" 1, l'épaisseur peut atteindre plusieurs dizaines de mm.
Une fois le(s) matériau(x) fondu(s), la coulée de celui-ci (ceux-ci) à l'état liquide par fusion peut alors s'effectuer. Sur ce point, il est important de prendre en compte le fait que plus la masse de l'auto-creuset qui ne peut être donc coulée, est importante plus le rendement matière du procédé de fusion est diminué.
Deux modes de coulée peuvent être envisagés : soit par basculement du creuset, soit par gravité par retrait d'un bouchon 23 logé dans la sole 22.
Dans bon nombre d'applications, le mode par basculement du creuset ne peut être retenu pour des raisons technologiques et de coût. En particulier, dans le domaine de mise en œuvre auquel ont été confrontés les inventeurs, la fusion d'un mélange de matériaux représentatif d'un corium impose la mise sous atmosphère contrôlée. Envisager le basculement d'un four à creuset froid sous une telle enceinte impliquerait le dimensionnement d'une très grande enceinte. En outre, du fait que le four comprend des circuits de refroidissement qui sont physiquement présents sur toute sa périphérie, un basculement nécessiterait de prendre des mesures très complexes. Enfin, le temps dédié au basculement peut-être très contraignant.
La coulée par gravité présente elle aussi un certain nombre de contraintes. Tout d'abord, une fois bouchon retiré, afin de dégager une ouverture traversante par laquelle le bain liquide de matériau ou le mélange de matériaux va pouvoir s'écouler, il est nécessaire de venir casser la croûte en fond de creuset. Cela s'effectue par un élément mécanique de type percuteur.
Or, plus l'épaisseur de la croûte est importante, plus il est difficile de la casser voire impossible sans détériorer l'intégrité de la croûte et/ou de l'équipement autour.
Aussi, pour parvenir à effectuer la coulée classique consiste à surchauffer le bain liquide en fusion. Cependant, les pertes thermiques sont importantes car il y a à la fois des pertes par rayonnement en surface du bain, des pertes par conduction sur les parois du creuset et des pertes par convection selon l'atmosphère environnante. Ces pertes induisent un rendement général du procédé qui peut être très faible de l'ordre de 10%. Et, dans le cas d'une surfusion, les pertes sont encore augmentées d'un facteur de 1,5 à 2 fois en fonction de la température de surfusion, ce qui impacte encore davantage le rendement du procédé. Pour compenser cela, on augmente classiquement la puissance électrique du générateur d'induction et on dimensionne davantage le système de refroidissement. L'équipement global est donc surdimensionné uniquement pour la coulée, avec un surcoût afférent.
Même en prenant ces dispositions, il n'est pas certain que la surfusion soit suffisante pour assurer la coulée.
Une solution qui a déjà été envisagée consiste à ajouter un inducteur localement autour de la zone de coulée en dessous de la sole, qui est la zone d'emplacement du bouchon et destinée à être dégagée par le retrait de ce dernier. On a schématisé en figure 7 un tel inducteur, dit de coulée 4' tel qu'il est agencé autour de la zone de transfert 24 de la coulée. Cet inducteur de coulée 4' permet de créer des courants induits supplémentaires autour de la zone du bain liquide Zb à l'aplomb de la zone de coulée 24 et donc de réchauffer cette zone Zb ce qui vient ainsi affaiblir la croûte à ce niveau. La figure 8 schématise les distributions de densité de puissance∑1,∑2 induites respectivement par l'inducteur latéral 4 et l'inducteur de coulée 4'.
Cette solution avec inducteur de coulée est par exemple décrite dans les publications [1] à [7] ou bien encore dans le brevet EP1045216B1. Cette solution concerne uniquement la fusion de métal, comme celui des débris de titane selon ce brevet, à une température au plus de 1700°C et ne peut donc convenir dans une problématique de fusion d'oxydes.
Certains procédés de fusion nécessitent des creusets, dont le diamètre est bien supérieur à leur hauteur. Il est alors nécessaire d'agencer l'inducteur en dessous de la sole. Un tel inducteur, dit de fond 5 est montré schématiquement en figure 9, où l'on voit également la distribution de densité de puissance ∑3 qu'il génère. Dans cette configuration, les pertes thermiques par convection peuvent être importantes car directement liées à la surface libre du bain liquide et les pertes thermiques par conduction sur la paroi de l'enveloppe latérale ne sont pas compensées du fait de l'absence d'inducteur latéral.
En résumé, les inconvénients des fours à creuset froid classiques sont liés à une épaisseur de croûte qui est (trop) importante dans la direction orthogonale à l'emplacement de l'inducteur, en général sur le fond (sole) du fait de l'agencement d'un inducteur latéral dans la plupart des cas. Cette épaisseur importante oblige à réaliser une surchauffe du bain liquide afin de réduire localement la croûte, ce qui a comme inconvénients majeurs d'augmenter les pertes thermiques et de nécessiter un surdimensionnement de la puissance du générateur d'induction et du circuit de refroidissement du four.
Une solution qui a déjà été envisagée, telle que décrite dans la publication [8], consiste à ajouter une spire latérale très éloignée des spires positionnées en dessous de la sole et formant au final un seul inducteur avec l'inducteur du fond. Cette spire latérale injecte une puissance localisée en partie supérieure du bain. Cette solution n'est pas adaptée à la fusion totale (latérale et fond) de matériaux tels que considérés dans l'application principale visée dans le cadre de l'invention.
Une autre solution consiste à agencer deux inducteurs, c'est-à-dire à ajouter en plus de l'inducteur latéral, un inducteur, dit de fond, en dessous de la sole mais en laissant dégagée la zone de coulée.
Il est ainsi possible d'obtenir une continuité de la densité de puissance dans le ou les matériaux à faire fondre, ce qui permet de diminuer l'épaisseur de la croûte en fond, i.e. en contact avec la sole, et ce sans qu'il soit nécessaire de surchauffer le bain liquide comme dans les solutions classiques évoquées ci-avant. Sans surchauffe pour obtenir la surfusion, les pertes thermiques ne sont pas augmentées de façon importante et la puissance d'induction peut être mieux optimisée.
Le brevet US4609425 décrit une telle solution avec un four à creuset froid à deux inducteurs séparés dont un latéral et un de fond. La température de fusion que l'on peut obtenir avec le four décrit est limitée à environ 1550°C, ce qui écarte toute fusion avec des oxydes. En outre, la tenue en température et la mise en œuvre du matériau diélectrique de la sole du four est délicate et ne peut convenir pour des fusions de l'ordre de 2200°C et préférentiellement 3000°C.
Le brevet US 4687646 divulgue aussi un four à creuset froid avec un inducteur latéral et un inducteur de fond. Ce brevet fait certes mention de fusion d'oxydes mais le four divulgué ne peut de fait réaliser la fusion d'un mélange mixte d'oxydes/métal, présente les mêmes inconvénients que le four selon le brevet US 4609425 et en outre, du fait de sa configuration, interdit toute coulée par gravité.
Le brevet JP 10253260 divulgue également un four à creuset froid à deux inducteurs séparés qui ne permet la fusion que de métaux, avec des fréquences d'induction très basses de l'ordre de 60Hz et des températures de fusion inférieures à celles des oxydes. Les auteurs de ce brevet cherchent à éviter à tout prix la formation d'une croûte et donc dédient l'inducteur de fond à soulever la masse en fusion de sorte qu'elle ne vient pas en contact avec la sole. Le support de l'inducteur de fond et la sole selon ce brevet sont conformés pour définir un circuit d'eau de refroidissement de l'inducteur de fond. De ce fait, la sole doit être étanche et ses parois sont donc nécessairement continues, c'est-à- dire qu'elle n'est pas divisée en secteurs. Aussi, si on cherchait à faire fonctionner l'inducteur de fond proposé à des fréquences d'induction plus élevées, il est très vraisemblable que les courants induits ne pourraient traverser la sole ou tout du moins suffisamment pour créer une fusion satisfaisante. Plus précisément, pour obtenir une fusion d'oxydes, la fréquence d'induction doit être de quelques centaines de kHz voire 100kHz. Les forces de Lorentz sont assez faibles. Donc, si on cherche à obtenir une température de fusion élevée, un matériau diélectrique de la sole ne peut convenir. A contrario, si la sole selon ce brevet JP 10253260 est métallique, étant donné qu'elle n'est pas sectorisée, le champ magnétique induit à une haute fréquence, de l'ordre de 100kHz, ne pourrait traverser la sole et donc ne pourrait développer des courants induits dans la charge à fondre.
En sus des inconvénients précités des brevets US 4609425, US 4687646 et JP 10253260, les solutions divulguées à deux inducteurs séparés, un latéral et un de fond, présentent un inconvénient majeur. Chacun des deux inducteurs peut induire des courants dans des pièces environnantes. En particulier, et surtout le courant induit par l'un des inducteurs vient perturber l'autre inducteur et vice et versa, phénomène que l'on désigne usuellement sous le terme de « mutuelles ». Outre le fait que le rendement de l'inducteur perturbé est réduit, notamment celui de fond, cela présente le risque que les perturbations soient rédhibitoires pour deux générateurs de courant indépendants avec des fréquences de fonctionnement potentiellement différentes, dont l'électronique de commande peut ne pas supporter les courants induits en retour. Dans le cas d'un unique générateur de courant pour les deux inducteurs combiné à un système de répartition de puissance sur les deux inducteurs, la fréquence de fonctionnement est donc identique. Les mutuelles peuvent alors venir seulement diminuer le rendement et ne pas avoir une distribution de densité de puissance optimisée.
Il existe donc un besoin pour améliorer les fours à creuset froid à chauffage par induction électromagnétique, en particulier en vue de permettre une diminution de l'épaisseur de la croûte sur la sole et ce sans générer une surfusion du bain liquide du ou des matériaux en fusion, notamment qui contien(nen)t des oxydes, et/ou sans augmenter de manière notable le coût d'équipement des fours, et/ou sans générer de courants induits néfastes susceptibles de perturber les pièces environnantes du ou des inducteurs, notamment les générateurs de courant.
Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l'invention :
Pour ce faire, l'invention a pour objet, sous l'un de ses aspects, un four à creuset froid, à chauffage par induction électromagnétique, destiné à faire fondre au moins un matériau conducteur électrique, tel qu'un oxyde et/ou un métal, comprenant :
- un creuset pour contenir le matériau à faire fondre, dont les parois sont en matériau conducteur électrique, de préférence en cuivre, et comprennent une enveloppe latérale de forme générale cylindrique de révolution autour d'un axe X et un fond, appelé sole, muni d'au moins un bouchon, l'enveloppe latérale et la sole étant chacune divisée en secteurs isolés électriquement, qui s'étendent parallèlement à l'axe X;
- au moins un inducteur, dit inducteur latéral à au moins une spire, enroulée autour de la périphérie extérieure de l'enveloppe latérale ;
- au moins un inducteur, dit inducteur de fond, à au moins une spire enroulée autour de l'axe X en regard de la face inférieure de la sole en laissant dégagée une zone en dessous du bouchon.
Les deux inducteurs, i.e. celui latéral et celui de fond, servent à la fusion et à l'homogénéisation de la charge à fondre.
Selon l'invention, le four comprend en outre au moins un dispositif formantconcentrateur à flux magnétique constitué d'une pièce en matériau ferromagnétique comprenant au moins une paroi latérale et une paroi de fond agencées respectivement en regard de la face inférieure et de la périphérie extérieure de l'inducteur de fond.
Par « concentrateur à flux magnétique », on entend ici et dans le cadre de l'invention, une pièce en matériau à perméabilité magnétique relative élevée voire très élevée, c'est-à-dire avec une valeur μΓ bien supérieure à 1. Il peut s'agir avantageusement d'une pièce en ferrite ou d'une pièce constituée d'un empilement de tôles magnétiques.
On précise que la pièce du concentrateur selon l'invention a une forme générale de révolution autour de l'axe X qui peut comprendre une ou plusieurs échancrures, ouvertures, gorges pour laisser passer le cas échéant les amenées de courant électrique de l'inducteur de fond qui peuvent englober en outre les tuyaux d'amenée du fluide caloporteur de refroidissement de l'inducteur de fond.
L'invention consiste donc à entourer la majeure partie de l'inducteur de fond qui n'est pas en regard directement de la sole, par un élément dont la perméabilité magnétique élevée voire très élevée va permettre de confiner les champs magnétiques générés par l'inducteur de fond, dans une zone au niveau du fond du creuset en contact avec la sole.
Ainsi, en confinant ou autrement dit en localisant les champs magnétiques, leur action sur la charge de matériau(x) à faire fondre va être améliorée. On augmente donc le rendement de l'inducteur de fond sans qu'il y ait de nécessité à surdimensionner l'équipement du four à creuset froid. Les inventeurs pensent qu'il est possible d'augmenter le rendement jusqu'à un facteur 20 à 30% par rapport à une solution à deux inducteurs sans le concentrateur selon l'invention.
En outre, le concentrateur selon l'invention permet d'éviter ou tout du moins réduire très fortement l'apparition de mutuelles entre l'inducteur latéral et l'inducteur de fond. Cela évite le risque de perturbation électromagnétique des générateurs d'induction et donc permet d'avoir plus facilement deux alimentations différentes à fréquences dédiées, l'une pour l'inducteur latéral, l'autre pour l'inducteur de fond.
Enfin, le concentrateur selon l'invention permet d'augmenter les forces de
Lorentz à l'intérieur du (des) matériau(x) à fondre. Ainsi, grâce au concentrateur selon l'invention dans des configurations avec la présence de métal dans la charge à fondre, dans lesquelles les pertes thermiques par conduction sont plus importantes qu'en présence d'oxydes, des conditions de semi-lévitation de la charge peuvent être renforcées et ainsi réduire les pertes thermiques par contact. Les fréquences dans ces configurations seront préférentiellement plus basses.
La solution de concentrateur magnétique selon l'invention est différente d'un écran de blindage EM que pourrait préconiser un homme de l'état de l'art: en effet, confronté au problème d'apparition de mutuelles entre inducteur latéral et inducteur de fond, il aurait plutôt tendance à réaliser comme classiquement un écran de blindage électromagnétique entre les deux inducteurs mais non seulement un tel écran risquerait d'induire d'autres courants néfastes au but de fusion recherché mais en outre ne pourrait certainement pas confiner de manière efficace le champ magnétique de l'inducteur de fond. Il doit d'ailleurs être souligné qu'en aucun cas un écran de blindage électromagnétique ne peut être assimilé à un concentrateur à flux magnétique selon l'invention.
Selon un mode de réalisation avantageux, la pièce du concentrateur à flux magnétique comprenant en outre une paroi latérale agencée en regard de la périphérie intérieure de l'inducteur de fond, les deux parois latérales et la paroi de fond de la pièce définissant sensiblement une forme de U dans laquelle est agencée l'inducteur de fond. Avec cette paroi latérale supplémentaire, on évite de faire remonter tous les courants qui pourraient être induits par une paroi conductrice destinée à la coulée du (des) matériau(x) en fusion.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, il peut être prévu d'agencer un anneau de concentration magnétique supplémentaire, segmenté ou non, en dessous de l'inducteur latéral. A la suite de calculs faits par les inventeurs, dans certaines configurations géométriques de proximité des deux inducteurs et de fortes puissances potentielles, les inventeurs ont pu constater que la présence de l'anneau supplémentaire de concentration magnétique permet avantageusement de diminuer fortement les mutuelles entre les deux inducteurs.
Un tel concentrateur magnétique supplémentaire en dessous de l'inducteur latéral permet de renforcer les résultats du concentrateur magnétique décrit ci-avant. En effet, selon la puissance, les fréquences et la proximité des deux inducteurs, cet élément concentrateur magnétique (anneau ou segment) supplémentaire vient augmenter le rendement de l'inducteur de fond et diminuer les mutuelles pour les rendre quasi inexistantes.
De préférence, la pièce du concentrateur selon l'invention est en ferrite ou réalisé à partir de tôles magnétiques.
Selon une variante avantageuse, l'inducteur latéral et l'inducteur de fond sont aptes à fonctionner simultanément à des fréquences différentes.
Selon cette variante, il peut être avantageux que la fréquence de fonctionnement de l'inducteur de fond soit légèrement plus faible que celle de l'inducteur latéral. Dans le cas des oxydes et des matériaux mixtes oxyde/métal à faire fondre, pour des capacités de charge l'ordre de 30kg à 1000kg :
- les sources de puissance de l'inducteur latéral et de l'inducteur de fond sont dimensionnées pour fonctionner sur la plage de fréquence d'environ 500 Hz à 300 kHz en fonction de la charge à fondre ;
- dans l'application spécifique de la fusion de corium, les sources de puissance de l'inducteur latéral et de l'inducteur de fond sont dimensionnées préférentiellement pour fonctionner sur la plage de fréquence d'environ 80 kHz à 160 kHz.
De manière générale, on peut choisir une fréquence de fonctionnement de l'inducteur latéral ou de l'inducteur de fond qui soit adaptée pour la fusion d'un ou plusieurs métal (ux) et l'autre des fréquences de fonctionnement de l'inducteur latéral ou de l'inducteur de fond étant adaptée pour la fusion d'un ou plusieurs oxyde(s).
L'invention a également pour objet, sous un autre de ses aspects, l'utilisation du four décrit précédemment pour la fusion d'un mélange d'au moins un ou plusieurs métaux avec un ou plusieurs oxydes.
Le mélange peut être un mélange de métaux (acier, zirconium, ...) avec des oxydes (uranium U02, zirconium, ...) ainsi que des composants du béton, le mélange étant représentatif d'un corium.
Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes parmi lesquelles:
- la figure 1 est une vue en perspective partiellement écorchée d'un four à creuset à chauffage par induction électromagnétique;
- la figure 2 est une vue en perspective partiellement écorchée d'un exemple de réalisation de creuset pour four à creuset froid à chauffage par induction électromagnétique, dans lequel l'enveloppe latérale et la sole sont chacune divisée en secteurs identiques avec les secteurs de l'enveloppe latérale étant différents de ceux de la sole ;
- la figure 3 est une vue en perspective partiellement écorchée d'un autre exemple de réalisation de creuset pour four à creuset froid à chauffage par induction électromagnétique, dans lequel l'enveloppe latérale et la sole sont chacune divisée en secteurs identiques avec chaque secteur commun à la fois à l'enveloppe latérale et à la sole la sole ;
- la figure 4 est une vue schématique de dessus d'un four à creuset également à chauffage par induction électromagnétique formant un four à creuset froid;
- la figure 5 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'un four à creuset froid à chauffage par induction avec un seul inducteur latéral selon l'état de l'art, la figure 5 montrant la distribution de densité de puissance le long de la paroi de l'enveloppe latérale;
- la figure 6 reprend la figure 5 et montre le bain liquide de matériau(x) en fusion dans le creuset et les épaisseurs de la croûte sur l'enveloppe latérale et sur la sole;
- la figure 7 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'un four à creuset froid à chauffage par induction avec un inducteur latéral et un inducteur de coulée selon l'état de l'art, la figure 7 montrant le bain liquide de matériau(x) en fusion dans le creuset et la zone de fusion locale au-dessus du bouchon, les épaisseurs de la croûte d'auto-creuset sur l'enveloppe latérale et sur la sole;
- la figure 8 reprend la figure 7 et montre la distribution de densité de puissance le long de la paroi de l'enveloppe latérale et au-dessus du bouchon;
- la figure 9 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'un four à creuset froid à chauffage par induction avec un creuset de diamètre supérieur à sa hauteur et un seul inducteur de fond selon l'état de l'art, la figure 9 montrant la distribution de densité de puissance le long de la paroi de la sole;
- la figure 10 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'un four à creuset froid à chauffage par induction avec un inducteur latéral, un inducteur de fond et un concentrateur à flux magnétique selon l'invention, la figure 10 montrant la distribution de densité de puissance à la fois le long de la paroi de l'enveloppe latéral et de la sole pour des fréquences de fonctionnement identiques entre inducteurs;
- la figure 11 reprend la figure 10 et montre le bain liquide de matériau(x) en fusion dans le creuset et les épaisseurs de la croûte d'auto-creuset sur l'enveloppe latérale et sur la sole;
- la figure 12 reprend la figure 10 et montrant la distribution de densité de puissance à la fois le long de la paroi de l'enveloppe latéral et de la sole pour une fréquence de fonctionnement de l'inducteur de fond inférieure à celle de l'inducteur latéral;
la figure 13 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'un four à creuset froid à chauffage par induction avec un inducteur latéral, un inducteur de fond et un concentrateur à flux magnétique selon l'invention auquel est ajouté un concentrateur à flux magnétique supplémentaire en dessous de l'inducteur latéral ;
- la figure 14 est une vue similaire à la figure 13 montrant une variante de réalisation du concentrateur à flux magnétique supplémentaire conforme à l'invention.
Dans l'ensemble de la présente demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous » et « dessus », « intérieur », « extérieur » sont à comprendre par référence par rapport à un four à creuset froid à chauffage par induction agencé en configuration verticale de fonctionnement. Ainsi, dans une configuration de fonctionnement, le four est agencé à la verticale avec son fond (sole) par lequel le matériau en fusion est évacué, vers le bas.
Les figures 1 à 9 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas décrites en détail ci-après.
Par souci de clarté, les éléments communs à un four à creuset froid selon l'état de l'art et selon l'invention sont désignés par les mêmes références numériques.
On a représenté en figure 10 un four à creuset froid 1 comportant au moins un concentrateur à flux magnétique 6 conforme à l'invention. Un tel four 1 est de préférence destiné à réaliser la fusion d'une charge constituée d'un mélange de métal(ux) et d'oxyde(s), tel que l'oxyde d'uranium U02, représentatif d'un corium.
Un tel four 1 comporte un creuset 2 en cuivre entouré d'un inducteur latéral, i.e. une bobine d'induction électromagnétique 4 à au moins une spire enroulée autour de la périphérie extérieure de l'enveloppe latérale 21 du creuset. Dans l'exemple représenté, l'inducteur 4 comporte un nombre égal à quatre spires consécutives 40-43 identiques et équidistantes les unes des autres.
Bien que non représenté, la paroi latérale du creuset 2 est divisée en un certain nombre de secteurs 20 identiques.
Le creuset 2 comporte également un fond 22, appelé sole. Le fond 22 comprend un bouchon 23 afin de permettre l'évacuation du matériau ou mélange de matériaux une fois celui-ci (ceux-ci) à l'état liquide par fusion. En divisant ainsi la paroi ou enveloppe latérale 21 du creuset 2 en secteurs 20, lorsque le courant alternatif parcourt la ou les spires de l'inducteur 4, les courants induits ne restent pas localisés à la périphérie du creuset, mais font le tour de chaque secteur 20, comme déjà expliqué en préambule en relation avec la figure 4. L'ensemble des courants à la périphérie interne de chaque secteur 20 produit un champ électromagnétique dans la charge contenue dans le creuset.
Ainsi, les courants induits dans la charge qui correspondent à la somme de l'induction directe par l'inducteur 4 et de l'induction indirecte par le creuset froid 2 permettent de chauffer le(s) matériau(x) de la charge jusqu'à la fusion et la charge liquide est brassée du fait des forces de Lorentz mais aussi de la convection naturelle engendrée par les gradients thermiques dans la charge liquide. Lorsque la charge en fusion est devenue liquide, elle entre en contact avec les parois du creuset 2 refroidies par le circuit de refroidissement non représenté, ce qui la solidifie, créant ainsi une croûte, c'est-à-dire une couche solide réalisée dans le(s) matériau(x) de la charge introduite initialement dans le creuset 2.
L'utilisation d'un tel four 1 à creuset froid est avantageuse pour la fusion d'une charge constituée d'un mélange d'oxyde d'uranium et de métal représentatif d'un corium. En effet, la température de fusion de l'oxyde d'uranium est de l'ordre de 2865°C, bien supérieure à la température de fusion des métaux, notamment le titane. Le métal à ces températures est caractérisé par une viscosité quasi-nulle, c'est-à-dire qu'il peut s'infiltrer dans la moindre fissure du creuset.
Avec la formation de la croûte comme expliqué ci-dessus, on s'assure d'une part que le métal présent dans la charge à faire fondre ne peut en aucun cas venir attaquer le métal constitutif des parois du creuset et d'autre part que le mélange de matériaux conserve sa pureté initiale.
De préférence, un élément, non représenté en matériau isolant électrique est agencé entre deux secteurs 20 consécutifs (adjacents). Un tél élément isolant sert non seulement à éviter les fuites et diminuer les pertes thermiques, mais également, à minimiser la formation d'arc électrique entre les secteurs de cuivre 20 lors du fonctionnement du four.
Tel qu'illustré en figure 10, le four 1 comprend également un inducteur de fond 5, à au moins une spire 50, 51, 52 enroulée autour de l'axe X en regard de la face inférieure de la sole 22 en laissant dégagée une zone en dessous du bouchon 23. Dans l'exemple illustré, l'inducteur de fond 5 présente trois spires identiques et équidistantes les unes des autres.
Avoir en tant que moyens de chauffage, à la fois un inducteur latéral 4 et un inducteur de fond 5 permet d'obtenir une continuité de la densité de puissance induite dans le matériau de la charge à faire fondre. Ainsi l'épaisseur de croûte peut être mieux répartie, sans qu'il y ait de nécessité de surfusion de la charge comme dans les solutions classiques selon l'état de l'art. De ce fait, les pertes thermiques ne sont pas augmentées de façon importante et la puissance d'induction peut être optimisée.
Cela étant, les inventeurs ont analysé que le courant induit par l'inducteur de fond 5 est susceptible de venir perturber le fonctionnement de l'inducteur latéral 4, et vice- versa. Ce phénomène connu sous le terme « mutuelles » peut aller jusqu'à détériorer les générateurs d'induction fond est plus faible.
Aussi, les inventeurs ont implanté un concentrateur à flux magnétique 6 constitué d'une pièce 60 en matériau ferromagnétique comprenant au moins une paroi latérale 61 et une paroi de fond 62 agencées respectivement en regard de la face inférieure et de la périphérie extérieure de l'inducteur de fond 5.
La pièce 60 en matériau ferromagnétique permet donc de confiner le champ magnétique créé par l'inducteur de fond 5 dans la zone locale sur la sole 22 autour du bouchon central 23.
Cela permet non seulement de réduire voire de supprimer toute mutuelle mais en outre d'augmenter le rendement de l'inducteur de fond 5. Cela est illustré par la figure 10 où l'on voit qu'il y a une bonne distribution∑ de la densité de puissance d'induction à la fois sur l'enveloppe latérale 21 et sur la sole 22.
La figure 11 illustre le bain homogène B de matériau(x) en fusion et la répartition d'épaisseur e quasi-uniforme de la croûte obtenue grâce aux deux inducteurs 4, 5 avec le concentrateur à flux magnétique selon l'invention.
Selon un mode de réalisation avantageux, lorsque la charge à faire fondre est constituée d'un mélange d'oxydes et d'au moins un métal, tel qu'un mélange représentatif d'un corium, on fait circuler dans l'inducteur latéral 4 un courant alterrnatif fonctionnant à une fréquence différente de cellle de l'inducteur de fond 5. En effet, la température du métal, tel que le titane typiquement aux environs de 1800°C, est nettement inférieure à celles des oxydes, tels que l'oxyde d'uranium U02 aux environs de 2 865°C.
Ainsi, en alimentant en courant sous deux fréquences différentes les inducteurs latéral 4 et de fond 5 dont l'une adaptée pour la fusion par induction du métal (des métaux) et l'autre à celle des oxydes, on s'assure d'une fusion simultanée des constituants du mélange tout en assurant un brassage et donc un mélange homogène, et en outre, on s'assure que, tout au long du processus de fusion le métal(les métaux) ne vienne(nt) pas directement en contact avec les parois du creuset. En effet, d'une part, pour un même matériau plus la fréquence d'induction est élevée plus l'onde électromagnétique va pénétrer ledit matériau et donc générer un chauffage par effet Joule dans la masse.
D'autre part, comme dit précédemment, du fait de leur différence de température de fusion, des oxydes requièrent des fréquences d'induction plus élevées et le métal (les métaux) des fréquences plus basses.
Enfin, une fois le processus de fusion dans le four enclenché, le métal (les métaux) a(ont) une viscosité quasi-nulle lorsque les oxydes commencent à fondre.
Ainsi, en utilisant une seule fréquence d'induction pour le fonctionnement d'un four selon l'invention, il subsiste un risque le métal (les métaux) en fusion s'infïltre(nt) dans la moindre fissure présente dans les parois du creuset. Il y a également un risque que le métal (les métaux) vienne(nt) se coller en quelque sorte sur lesdites parois, ce qui aurait pour effet néfaste de réaliser un écran aux ondes électromagnétiques et éventuellement de détériorer le creuset froid.
Par conséquent, le fonctionnement d'un four selon l'invention à deux fréquences différentes, l'une pour l'inducteur latéral 4, l'autre pour l'inducteur de fond 5, permet d'éviter à tout le moins réduire ces risques : tout au long du processus de fusion, le métal(les métaux) est(sont) repousé(s) vers l'intérieur du creuset. On obtient ainsi un mélange homogène dans un système d'équilibre des constituants en fusion. Cela étant, notamment dans le cas où la charge à faire fondre est constituée majoritairement d'oxyde(s), l'inducteur latéral 4 et l'inducteur du fond 5 peuvent fonctionner à des fréquences relativement proches, voire identiques.
La figure 12 illustre ce mode de réalisation avantageux avec une fréquence de fonctionnement de l'inducteur de fond 5 qui est inférieure à celle de l'inducteur latéral 4 : la distribution de densité de puissance∑i est de ce fait moins importante sur l'enveloppe latérale 21 que sur la sole 22.
On a représenté en figures 13 et 14, un mode de réalisation avantageux d'un four selon l'invention. Selon ce mode, il est prévue d'agencer un élément de concentration magnétique supplémentaire sous la forme d'un anneau 7, segmenté ou non, en dessous de l'inducteur latéral 4.
Comme illustré, cet anneau 7 peut comprendre une seule paroi 70 qui s'étend orthogonalement aux spires 40, 41, 42, 43 de l'inducteur latéral 4 (figure 13), ou bien il peut comprend une paroi supplémentaire 71 qui s'étend parallèlement aux spires 40, 41, 42, 43 de l'inducteur latéral 4 (figure 14).
Cet anneau 7 en dessous de l'inducteur latéral 4 permet de renforcer les résultats du concentrateur magnétique 6, 60. En effet, selon la puissance, les fréquences et la proximité des deux inducteurs 4, 5, l'anneau 7 vient augmenter le rendement de l'inducteur de fond 5 et diminuer les mutuelles pour les rendre quasi inexistantes.
De préférence, les sources de puissance l'inducteur latéral 4 et de l'inducteur de fond 5 sont dimensionnées pour fonctionner sur la plage de fréquence d'environ 500 Hz à 300 kHz en fonction de la charge à fondre.
De préférence encore, dans l'application spécifique de la fusion de corium, les sources de puissance de l'inducteur latéral 4 et de l'inducteur de fond 5 sont dimensionnées préférentiellement pour fonctionner sur la plage de fréquence d'environ 80 kHz à 160 kHz.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Four (1) à creuset froid, à chauffage par induction électromagnétique, destiné à faire fondre au moins un matériau conducteur électrique, tel qu'un oxyde et/ou un métal, comprenant :
- un creuset pour contenir le matériau à faire fondre, dont les parois (20) sont en matériau conducteur électrique, de préférence en cuivre, et comprennent une enveloppe latérale (21) de forme générale cylindrique de révolution autour d'un axe X et un fond, appelé sole (22), muni d'au moins un bouchon (23), l'enveloppe latérale (21) et la sole (22) étant chacune divisée en secteurs isolés électriquement, qui s'étendent parallèlement à l'axe X;
- au moins un inducteur, dit inducteur latéral (4) à au moins une spire (40, 41, 42, 43), enroulée autour de la périphérie extérieure de l'enveloppe latérale ;
- au moins un inducteur, dit inducteur de fond (5), à au moins une spire (50, 51 , 52) enroulée autour de l'axe X en regard de la face inférieure de la sole en laissant dégagée une zone en dessous du bouchon (23),
caractérisé en que ce qu'il comprend en outre au moins un dispositif formant concentrateur à flux magnétique (6) constitué d'une pièce (60) en matériau ferromagnétique comprenant au moins une paroi latérale (61) et une paroi de fond (62) agencées respectivement en regard de la face inférieure et de la périphérie extérieure de l'inducteur de fond (5).
2. Four à creuset froid selon la revendication 1, la pièce du concentrateur à flux magnétique comprenant en outre une paroi latérale (63) agencée en regard de la périphérie intérieure de l'inducteur de fond (5), les deux parois latérales (61, 63) et la paroi de fond (62) de la pièce définissant sensiblement une forme de U dans laquelle est agencée l'inducteur de fond (5).
3. Four à creuset froid selon la revendication 1 ou 2, comprenant un anneau (7, 70, 71) de concentration magnétique supplémentaire, segmenté ou non, en dessous de l'inducteur latéral.
4. Four à creuset froid selon l'une des revendications précédentes, la pièce étant en ferrite ou réalisé à partir de tôles magnétiques.
5. Four à creuset froid selon l'une des revendications précédentes, l'inducteur latéral (4) et l'inducteur de fond (5) étant aptes à fonctionner simultanément à des fréquences différentes.
6. Four à creuset froid selon la revendication 5, la fréquence de fonctionnement de l'inducteur de fond étant plus faible que celle de l'inducteur latéral.
7. Four à creuset froid selon l'une des revendications précédentes, la fréquence de fonctionnement de l'inducteur latéral et de l'inducteur de fond étant comprise entre environ 500Hz et 300kHz
8. Four à creuset froid selon l'une des revendications 7, dans le cas d'un mélange représentatif d'un corium à faire fondre, la fréquence de fonctionnement de l'inducteur latéral et de l'inducteur de fond étant comprise entre 80kHz et 160kHz
9. Four à creuset froid selon l'une des revendications 5 à 8, l'une des fréquences de fonctionnement de l'inducteur latéral (4) ou de l'inducteur de fond (5) étant adaptée pour la fusion d'un ou plusieurs métal (ux) et l'autre des fréquences de fonctionnement de l'inducteur latéral (4) ou de l'inducteur de fond (5) étant adaptée pour la fusion d'un ou plusieurs oxyde(s).
10. Utilisation du four selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fusion d'un mélange d'au moins un ou plusieurs métaux avec un ou plusieurs oxydes.
11. Utilisation selon la revendication 10, le mélange étant un mélange de métaux (acier, zirconium, ...) avec des oxydes (uranium U02, zirconium, ...) ainsi que des composants du béton, le mélange étant représentatif d'un corium.
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