FR2629299A1

FR2629299A1 - System for stirring molten material

Info

Publication number: FR2629299A1
Application number: FR8803795A
Authority: FR
Inventors: Roger Boen; Yves Hery; Roland Ernst; Robert Bolcato
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1988-03-23
Filing date: 1988-03-23
Publication date: 1989-09-29

Abstract

Induction stirrer device 30 for molten material 20. The stirrer 30 consists essentially of parallel conducting windings 34 which create a polyphase gliding magnetic field which crosses the crucible 1 and modifies the natural stirring 23 of the molten material 20. Application to induction furnaces.

Description

SYSTEME DE BRASSAGE DE MATIERE FONDUE
DESCRIPTION
La présente invention se rapporte à un système de brassage de matière fondue produite dans un four à induction.BREWING SYSTEM OF MOLTEN MATERIAL
DESCRIPTION
The present invention relates to a melt brewing system produced in an induction furnace.

La matière fondue, métal, oxyde, céramique ou verre par exemple, est versée sous forme de poudre ou de débris dans un creuset généralement cylindrique, en métal ou matériau réfractaire et qui est entouré par une spire inductrice. The molten material, metal, oxide, ceramic or glass for example, is poured in the form of powder or debris in a generally cylindrical crucible, metal or refractory material and which is surrounded by an inductive coil.

Dans le cas des métaux fondus, on constate que la matière fondue est le siège d'un brassage, c'est-à-dire d'un écoulement ascendant au centre et descendant à la périphérie, près du creuset. La surface libre de la matière fondue est le siège de courants radiaux divergent. Ce brassage est d'origine essentiellement électromagnétique, à cause des couplages entre le champ magnétique d'induction et les courants induits dans le métal. Dans le cas d'autres matériaux présentant une résistivité plus importante, le brasage est d'origine thermique et son sens est inversé : ascendant à la périphérie et descendant au centre. In the case of molten metals, it is found that the melt is the seat of a stirring, that is to say an upward flow in the center and down to the periphery, near the crucible. The free surface of the melt is the seat of diverging radial currents. This mixing is of essentially electromagnetic origin, because of the couplings between the induction magnetic field and the currents induced in the metal. In the case of other materials with higher resistivity, the brazing is of thermal origin and its direction is reversed: ascending at the periphery and descending in the center.

L'objectif de l'invention est de contrôler et modifier à volonté ce brassage qui a des conséquences importantes : en favorisant l'accroissement des échanges thermiques avec La paroi plus froide du creuset, il favorise une régulation thermique de la matière fondue et limite les surchauffes ; il favorise d'autre part l'homogénéisation de La matière fondue ainsi que la circulation des impuretés éventuelles vers un laitier ; par contre, il contrarie l'alimentation de poudre que l'on verse audessus de la surface libre, car celle-ci est alors rejetée vers la paroi du creuset et risque d'y demeurer. Selon le cas, on peut être amené à vouloir accélérer le brassage, ou au contraire le ralentir ou même l'inverser. The objective of the invention is to control and modify at will this brewing which has important consequences: by promoting the increase of heat exchange with the cooler wall of the crucible, it promotes a thermal regulation of the melt and limits the overheating; on the other hand, it favors the homogenization of the molten material as well as the circulation of any impurities to a slag; on the other hand, it thwarts the supply of powder that is poured above the free surface, because it is then rejected to the wall of the crucible and may remain there. Depending on the case, one may be led to want to accelerate the brewing, or on the contrary slow down or even reverse it.

L'invention permet d'arriver à ces fins, quel que soit le sens du brassage, par la création d'un champ électromagnétique supplémentaire, se superposant au champ produit par la spire inductrice, qui crée des forces localisées dans la matière fondue et favorise le brassage ou s'oppose à lui. L'invention montre également comment cette action n'a pas pour corollaire un effet nuisible par couplage électromagnétique sur les performances de chauffage par induction. The invention makes it possible to achieve these ends, regardless of the direction of the stirring, by the creation of an additional electromagnetic field, superimposed on the field produced by the inductive coil, which creates localized forces in the melt and promotes brewing or opposing him. The invention also shows how this action does not corollary a harmful effect by electromagnetic coupling on induction heating performance.

L'invention adjoint au dispositif d'induction un appareillage qui engendre un champ électromagnétique polyphasé glissant exerçant des efforts localisés à une partie de la matière fondue. Ces efforts peuvent s'exercer à la périphérie de la matière fondue et sont alors verticaux ; ils peuvent aussi s'exercer favorablement à la surface libre et sont alors radiaux. The invention adds to the induction device an apparatus that generates a polyphase electromagnetic sliding field exerting localized forces to a portion of the melt. These forces can be exerted on the periphery of the melt and are then vertical; they can also exercise favorably on the free surface and are then radial.

L'appareillage peut être constitué en pratique par des moteurs électriques linéaires. The apparatus can be constituted in practice by linear electric motors.

On va maintenant représenter les différentes formes de l'invention à l'aide des figures suivantes données à titre illustratif et nullement limitatif
- la figure 1 est une réalisation possible de l'invention ;
- la figure 2 est une réalisation équivalente à celle de la figure 1 ;
- la figure 3 est une autre réalisation équivalente à celle de la figure 1 ;
- la figure 4 correspond à un autre mode de réalisation de l'invention, et
- la figure 5 représente un détail de construction que l'on peut adopter pour la réalisation de la figure 4.We will now represent the various forms of the invention with the aid of the following figures given for illustrative and not limiting
FIG. 1 is a possible embodiment of the invention;
FIG. 2 is an embodiment equivalent to that of FIG. 1;
- Figure 3 is another embodiment equivalent to that of Figure 1;
FIG. 4 corresponds to another embodiment of the invention, and
- Figure 5 shows a construction detail that can be adopted for the embodiment of Figure 4.

La figure 1 représente tout d'abord un creuset 1 constitué d'un certain nombre d'éléments 2 verticaux, juxtaposés à la façon des douves d'un tonneau et creusés d'un système de refroidissement composé d'un canal d'arrivée de liquide 4 et d'un canal de sortie de liquide de refroidissement 5, canaux parallèles, verticaux, et réunis au sommet des éléments 2 par une jonction 6. Deux tuyaux circulaires 7 et 8 sont établis en bas des éléments 2 pour servir respectivement de distributeur et de collecteur aux canaux 4 et 5 de chaque élément 2 par des tuyaux de raccordement 9 et 10. Ce système de refroidissement du creuset 1 est typique pour des éléments 2 en cuivre. Dans le cas présent, le creuset 1 est compléte par une sole 11 mobile axialement vers le bas et qui permet de soutirer en continu un lingot de produit 21 fondu puis solidifié.La sole 11 est elle-même refroidie par un canal annulaire 12 dans lequel débouche un conduit d'amenée de liquide de refroidissement 13 et un canal de sortie de liquide de refroidissement 14. Une spire d'induction 15 parcourue par un courant à haute fréquence entoure La moitié supérieure du creuset 1. La matière obtenue dans ce four à induction comprend une zone de matière fondue 20, à hauteur de la spire 15, qui nous intéresse plus précisément ici et qui surmonte le lingot solidifié 21 sous la spire 15 et soutenu par la sole mobile 11. FIG. 1 firstly represents a crucible 1 consisting of a certain number of vertical elements 2, juxtaposed in the manner of the moats of a barrel and hollowed out with a cooling system composed of an inlet channel of liquid 4 and a coolant outlet channel 5, parallel channels, vertical, and joined at the top of the elements 2 by a junction 6. Two circular pipes 7 and 8 are established at the bottom of the elements 2 to serve respectively distributor and manifold to the channels 4 and 5 of each element 2 by connecting pipes 9 and 10. This crucible cooling system 1 is typical for elements 2 copper. In the present case, the crucible 1 is completed by a floor 11 that is axially movable downwards and that makes it possible to continuously withdraw a ingot of molten product 21 and then solidified.The hearth 11 is itself cooled by an annular channel 12 in which A coolant supply duct 13 and a coolant outlet channel 14 are opened. An induction coil 15 traversed by a high frequency current surrounds the upper half of the crucible 1. The material obtained in this furnace at induction comprises a zone of melt 20, at the height of the turn 15, which interests us more precisely here and which overcomes the solidified ingot 21 under the turn 15 and supported by the movable hearth 11.

La surface supérieure libre 22 de la matière fondue 20 est représentée, conformément à l'expérience, pour un métal fondu, bombee au centre et creusée à La périphérie, près du creuset 1.The upper free surface 22 of the melt 20 is shown, in accordance with experience, for a molten metal, bent at the center and hollowed out at the periphery, near the crucible 1.

En effet, les métaux fondus sont Le siège de courants ascendants au centre et descendants à la périphérie que l'on a représentés par les flèches 23 et qui se traduisent donc par un brassage de la matière fondue 20. Indeed, the molten metals are the seat of ascending currents in the center and descendants at the periphery that have been represented by the arrows 23 and which therefore result in a stirring of the melt 20.

C'est ce brassage que l'on modifie à l'aide du dispositif brasseur conforme à l'invention et que l'on va maintenant décrire. Il est référencé globalement par 30 et comprend une culasse magnétique 31 cylindrique constituée de ferrites qui entoure la spire inductrice 15. Sa périphérie interne 32 est entaillee de gorges horizontales parallèles 33-qui abritent des enroulements de fiLs conducteurs 34 parcourus par des courants polyphasés engendrés par un générateur 40.Ici, on a représenté un réseau triphasé, ce qui fait que des enroulements 34a sont parcourus par un courant éLectrique à la phase 9, d'autres enroulements 34b par un courant à la phase T +(2S1'/3), et les derniers 34c à un courant à La phase 'f+(4i?/3), et que les enroulements 34 voisins sont tous dephasés de 2 /3, le signe du déphasage étant le même quand on se déplace dans le même sens vertical. Les enroulements 34 font presque un tour complet et sont alimentés par une source extérieure à leurs extrémités 35 et 36 qui sont séparées par un isolant 37. It is this stirring that is modified using the stirring device according to the invention and which will now be described. It is referenced globally by 30 and comprises a cylindrical magnetic yoke 31 consisting of ferrites which surrounds the induction coil 15. Its inner periphery 32 is cut parallel to parallel horizontal grooves 33 which house conductive wire windings 34 traversed by polyphase currents generated by A generator 40. Here is shown a three-phase network, so that windings 34a are traversed by an electric current to phase 9, other windings 34b by a current to phase T + (2S1 '/ 3) and the last 34c at a current at the phase f + (4i? / 3), and that the neighboring windings 34 are all phase shifted by 2/3, the sign of the phase shift being the same when moving in the same vertical direction . The windings 34 are almost a full turn and are powered by an external source at their ends 35 and 36 which are separated by an insulator 37.

Le dispositif brasseur 30 constitue donc en fait un moteur linéaire qui crée un champ électromagnétique glissant vers le haut ou vers le bas suivant le cas. Il faut toutefois que ce champ électromagnétique puisse traverser la paroi du creuset, c'est-a-dire les éléments 2. On travaille donc à une fréquence relativement basse. On peut préconiser des fréquences de L'ordre de 50 Hz qui correspondent à une pénétration de 1 cm dans du cuivre. The stirrer device 30 is therefore in fact a linear motor that creates an electromagnetic field sliding upward or downward depending on the case. However, it is necessary that this electromagnetic field can pass through the wall of the crucible, that is to say the elements 2. It is therefore working at a relatively low frequency. It is possible to recommend frequencies of the order of 50 Hz which correspond to a penetration of 1 cm in copper.

Le champ électromagnétique ayant pénétré à travers le creuset dans la charge de matière fondue 20 agit à la périphérie de celle-ci. Si le champ glissant est orienté vers le haut, il induit donc des forces ascendantes à la périphérie de la charge de matière fondue 20, qui entravent donc le brassage. Suivant la puissance mise en jeu, il est ainsi possible de ralentir le brassage ou de l'inverser complètement. Ce dernier régime est recherché surtout quand on alimente l'intérieur du creuset en poudre dont il faut réaliser la fusion. Ces poudres sont alors rejetées vers le centre de la matière fondue, dans les zones les plus chaudes. The electromagnetic field having penetrated through the crucible into the melt charge acts at the periphery thereof. If the sliding field is oriented upwards, it therefore induces upward forces at the periphery of the melt charge 20, which therefore hinder the stirring. Depending on the power involved, it is possible to slow down the stirring or to reverse it completely. The latter regime is sought especially when it feeds the interior of the powder crucible which must be melted. These powders are then rejected towards the center of the melt, in the hottest areas.

On peut au contraire établir un champ glissant descendant pour accélérer le brassage. On réussit alors plus rapidement. à homogénéiser la charge de matière fondue 20 du point de vue chimique et thermique. On the contrary, a downward sliding field can be established to accelerate the mixing. We succeed then more quickly. to homogenize the melt charge 20 from a chemical and thermal point of view.

Il est très facile de modifier le sens du champ glissant : il suffit d'inverser les phases de deux des séries d'enroulements, par exemple 34b et 34c. Ceci peut se réaliser au moyen d'un commutateur quelconque. It is very easy to modify the direction of the sliding field: it is enough to reverse the phases of two series of windings, for example 34b and 34c. This can be done by means of any switch.

Un problème lié à cette conception est la création de courants à haute fréquence, induits par la spire 15, dans les enroulements 34. Pour diminuer l'importance de ces courants induits, il est nécessaire d'isoler les enroulements 34 entre eux. Il est egalement nécessaire d'interposer des filtres 38 entre les extrémités 35 et 36 des enroulements 34 et l'alimentation en tension alternative à basse fréquence. A problem related to this design is the creation of high frequency currents, induced by the turn 15, in the windings 34. To reduce the importance of these induced currents, it is necessary to isolate the windings 34 between them. It is also necessary to interpose filters 38 between the ends 35 and 36 of the windings 34 and the low frequency AC supply.

On cherche à synchroniser au maximum la vitesse verticale dans la charge de matière fondue 20 Cà sa périphérie) avec la vitesse du champ glissant créé par le dispositif brasseur 30. Pour cela, le champ magnétique creé par le dispositif brasseur 30 doit être aussi élevé que possible, si possible égal à plusieurs centaines de gauss. Ceci ne peut êtré obtenu -en pratique qu'avec un courant élevé qui induit des pertes par résistance électrique. Le dispositif brasseur 30 doit donc être réfrigéré, ce que l'on réalise sur ta figure 1 à l'aide d'une hélice 39 entourant les enroulements 34 et disposee dans la culasse magnétique 31. Cette hélice 39 est parcourue par de L'eau de réfrigération.La vitesse communiquée à la périphérie de la charge de matière fondue 20 est de L'ordre de quelques centièmes de la vitesse du champ glissant créé pår le brasseur 30. It is sought to synchronize as far as possible the vertical speed in the melt charge 20 C at its periphery with the speed of the sliding field created by the stirring device 30. For this, the magnetic field created by the stirring device 30 must be as high as possible, if possible equal to several hundred gauss. This can be achieved in practice only with a high current which induces losses by electrical resistance. The stirring device 30 must therefore be refrigerated, which is carried out in FIG. 1 by means of a helix 39 surrounding the windings 34 and arranged in the magnetic yoke 31. This propeller 39 is traversed by water The velocity communicated to the periphery of the melt charge 20 is of the order of a few hundredths of the velocity of the sliding field created by the stirrer 30.

Un dispositif brasseur analogue à ce lui qui vient d'être décrit mais plus performant porte la référence 50 sur La figure 2. Tout d'abord, les enroulements 34 sont chacun composés de plusieurs lames de cuivre circonférentielles 51 superposées et séparées par des feuilles isolantes 52. Le système de refroidissement comprend un distributeur inférieur 53 et un collecteur d'eau- réchauffée 54 en haut du dispositif brasseur 50. A stirring device analogous to that which has just been described but which is more efficient has the reference 50 in FIG. 2. First of all, the windings 34 are each composed of several circumferential copper blades 51 superimposed and separated by insulating sheets. 52. The cooling system comprises a lower distributor 53 and a heated-water collector 54 at the top of the stirrer device 50.

Le distributeur 53 et le collecteur 54 comprennent respectivement un tuyau 55 ou 56, pour l'alimentation ou la récupération de l'eau, ainsi qu'un canal 57 ou 58 débouchant dans le tuyau 55 ou 56. Les canaux 57 et 58 sont circonférentiels et situés respectivement juste au-dessous du plus bas des enroulements 34 et juste au-dessus du plus haut. Ils communiquent entre eux par des canaux de raccordement 59 verticaux, qui sont percés à travers les Lames conductrices 51, les feuilles d'isolant 52 et tes épaulements 60 de la culasse magnétique 31 séparant les enroulements 34 voisins.The distributor 53 and the collector 54 respectively comprise a pipe 55 or 56, for the supply or the recovery of water, and a channel 57 or 58 opening into the pipe 55 or 56. The channels 57 and 58 are circumferential and located respectively just below the lowest of the windings 34 and just above the highest. They communicate with each other by means of vertical connecting channels 59, which are pierced through the conductive strips 51, the insulating sheets 52 and the shoulders 60 of the magnetic yoke 31 separating the neighboring windings 34.

Les extrémités 35 et 36 des enroulements 34 sont composees de plusieurs broches 37, chaque broche 37 se raccordant à une lame conductrice 51 reliée à l'alimentation électrique. The ends 35 and 36 of the windings 34 are composed of several pins 37, each pin 37 being connected to a conductive blade 51 connected to the power supply.

Comme le montre la figure 3, le dispositif brasseur unique tel que 30 ou 50 peut être remplacé par plusieurs dispositifs brasseurs 70 de même conformation générale, mais qui s'étendent chacun sur un secteur angulaire réduit et non sur toute la circonférence de la spire 15 et du creuset. Plusieurs de ces dispositifs brasseurs 70 sont alors disposés en parallèle autour de la spire 15. Le principal avantage de cette disposition est que les courants induits par la spire 15 sur les enroulements 34 sont très réduits dans ce cas. Il est donc inutile de chercher à protéger l'alimentation électrique des enroulements 34. As shown in FIG. 3, the single stirring device such as 30 or 50 may be replaced by several stirring devices 70 of the same general conformation, but which each extend over a reduced angular sector and not over the entire circumference of the turn 15. and the crucible. Several of these stirring devices 70 are then arranged in parallel around the turn 15. The main advantage of this arrangement is that the currents induced by the turn 15 on the windings 34 are very small in this case. It is therefore useless to seek to protect the power supply of the windings 34.

Cependant, l'action réalisée par des brasseurs 70 sur la charge de matière fondue 20 est également plus faible, si bien que la vitesse communiquée à la périphérie de la charge de matière fondue 20 est inférieure à celle obtenue lors de l'utilisation de brasseurs tubulaires 30 ou 50.However, the action performed by stirrers 70 on the melt charge 20 is also lower, so that the velocity communicated at the periphery of the melt charge 20 is lower than that obtained when using brewers. tubular 30 or 50.

Une configuration de dispositifs brasseurs quelque peu différente est représentée figure 4. Dans ce cas, on ne recherche pas à créer une composante verticale de vitesse à la périphérie de la charge de matière fondue 20, mais une composante radiale à la surface libre supérieure 22 de cette charge. A somewhat different configuration of stirring devices is shown in FIG. 4. In this case, it is not sought to create a vertical velocity component at the periphery of the melt charge 20, but a radial component at the upper free surface 22 of this charge.

Pour cela, le dispositif brasseur qui entourait la spire 15 a été supprimé et remplacé par un dispositif brasseur 80 disposé au-dessus de la surface libre 22 et qui est composé d'enroulements 81 circulaires concentriques coplanaires et disposés dans un même plan horizontal. Comme précédemment, on crée un champ polyphasé glissant : en se déplaçant dans un même sens radial, vers l'extérieur par exemple, on rencontre successivement des enroulements 81a, 81b, 81c, puis de nouveau 81a, etc., portés à des phases T pour 81a, 9 +(2 t/3) pour 81b et S +(4 /3) pour 81c. For this, the stirring device that surrounded the turn 15 was removed and replaced by a stirring device 80 disposed above the free surface 22 and which is composed of coplanar circular concentric windings 81 and disposed in the same horizontal plane. As before, a polyphase field sliding is created: moving in the same radial direction, outwards for example, successively meet windings 81a, 81b, 81c, then again 81a, etc., brought to phases T for 81a, 9 + (2 t / 3) for 81b and S + (4/3) for 81c.

Les enroulements 81 ne sont interrompus qu'au centre du creuset, où se rejoignent des branches radiales 82 qui servent à supporter les enroulements 81, et qui sont elles-mêmes soutenues par un poteau vertical 83 suspendu à un point fixe 84. The windings 81 are interrupted only in the center of the crucible, where radial branches 82 which serve to support the windings 81, and which are themselves supported by a vertical post 83 suspended at a fixed point 84, meet.

Comme dans les autres -conceptions, un champ électromagnétique glissant peut être créé qui, suivant le cas, exerce une action qui favorise le brassage de la charge fondue en se superposant au brassage naturel de celle-ci ou la contrarie en s > y opposant. As in the other -conceptions, a sliding electromagnetic field can be created which, as the case may be, exerts an action which favors the mixing of the molten charge by superimposing on the natural mixing of the latter or opposes it by opposing it.

Comme pour la figure 2, chacun des enroulements conducteurs 81 peut être formé de Lames conductrices 85 séparées par des feuilles d'isolant 86, lames conductrices 85 et feuilles d'isolant 86 étant disposées verticalement (figure 5). Chaque lame conductrice 85 se termine à ses extrémités par deux broches verticales 87 et 88 qui sont reliées à une alimentation électrique. As in FIG. 2, each of the conductive windings 81 may be formed of conductive strips 85 separated by insulating sheets 86, conductive strips 85 and insulating sheets 86 being arranged vertically (FIG. 5). Each conductive strip 85 ends at its ends by two vertical pins 87 and 88 which are connected to a power supply.

La conception de la figure 4 est cependant applicable plus spécialement aux matériaux fondus à résistivité relativement élevée, et qui nécessitent donc la création de champs magnétiques à fréquence plus élevée pour pouvoir être brassés efficacement. The design of Figure 4 is however applicable more specifically to molten materials relatively high resistivity, and therefore require the creation of higher frequency magnetic fields to be brewed effectively.

On utilisera donc des fréquences sensiblement plus élevées que dans les exemples précédents, de L'ordre de quelques centaines de kilohertz pour obtenir une pénétration suffisante sous la surface libre 22 de la chargé de matière fondue 20. Avec de telles fréquences, il devient impossible de placer un dispositif brasseur autour de la spire d'induction 15, car le champ magnétique ne pourait alors plus traverser La paroi du creuset 1.It will therefore be used substantially higher frequencies than in the previous examples, of the order of a few hundred kilohertz to obtain sufficient penetration under the free surface 22 of the melt charge 20. With such frequencies, it becomes impossible to place a stirring device around the induction coil 15, because the magnetic field could then no longer cross the wall of the crucible 1.

Quelle que soit la réalisation adoptée, elle peut cependant être appliquée pour tous les matériaux fondus, quel que soit leur sens de brassage l'influence du champ glissant produit par le dispositif brasseur est la même. Whatever the embodiment adopted, it can however be applied to all melted materials, regardless of their direction of mixing the influence of the sliding field produced by the stirring device is the same.

Claims

A melt brewing system (20) contained in a crucible (1) and heated by induction, characterized in that it comprises a generator apparatus (30, 50, 80, 70) of a sliding polyphase electromagnetic field, equipment generating localized forces in the melt.

2. melt stirring system according to claim 1, characterized in that the apparatus is disposed around the crucible and generates vertical forces in the melt located near the crucible.

3. melt stirring system according to claim 2, characterized in that the apparatus is composed of several polyphase linear electric motors and distributed around the crucible.

4. Melt stirring system according to claim 2, characterized in that the apparatus is composed of a single linear electric motor surrounding the crucible.

The melt stirring system according to claim 4, wherein the linear electric motor comprises circumferential windings traversed by a phase-determined electric current, characterized in that the windings are formed of superimposed circumferential plates (51) and separated by insulating sheets (52), conductive plates and insulation sheets being pierced by coolant channels (59).

A melt brewing system according to claim 1, characterized in that the apparatus (80) is placed at a longitudinal end of the crucible and generates radial forces in the melt, located mainly near the apparatus.

Melting system according to claim 6, characterized in that the apparatus is placed above the melt (20) and generates radial forces located mainly near the free surface (22).

melted matter.

Melting system according to claim 7, characterized in that the apparatus comprises

conductive windings (81), each traversed by a

determined phase current and coplanar.