FR2589228A1 - Device for continuous production of materials obtained from substances in the molten state - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF D'ELABORATION EN CONTINU DE MATERIAUX
OBTENUS A PARTIR DE SUBSTANCES A L'ETAT FONDU
La présente invention concerne un dispositif d'éLaboration en continu de matériaux obtenus à partir de substances à L'état fondu. ELLe s'applique notamment à l'élaboration d'une première catégorie de matériaux appelés dans ce qui suit matériaux non mé taLliques", cette première catégorie comprenant les verres, Les céramiques, les oxydes et les sels fondus très corrosifs, et d'une seconde catégorie de matériaux comprenant les matériaux métaLLiques trés réactifs.DEVICE FOR CONTINUOUSLY MAKING MATERIALS
OBTAINED FROM MELTED SUBSTANCES
The present invention relates to a device for the continuous production of materials obtained from substances in the molten state. IT applies in particular to the development of a first category of materials called in the following non-metallic materials ", this first category comprising glasses, ceramics, oxides and highly corrosive molten salts, and a second category of materials including very reactive metallic materials.
On connaît déjà des dispositif d'eLabora- tion de matériaux, en particulier de matériaux corrosifs, à partir d'un mélange de substances à L'état fondu, mais ces dispositifs ne peuvent fonctionner de façon continue et sont peu satisfaisants, notamment du fait qu'ils sont polluants vis-à-vis des matériaux corrosifs que l'on peut vouloir obtenir avec un degré de pureté aussi élevé que possible. Devices for the preparation of materials, in particular corrosive materials, are already known from a mixture of substances in the molten state, but these devices cannot operate continuously and are unsatisfactory, in particular because that they are polluting vis-à-vis corrosive materials that one may want to obtain with a degree of purity as high as possible.
On sait en effet que de nombreux matériaux purs utilisés dans l'Industrie sont, à L'état fondu, telLement agressifs vis-à-vis des matériaux réfractaires, qu'ils ne peuvent être élaborés dans un creuset chaud. Leur agressivité se traduit par une attaque du creuset, qui conduit tout d'abord à une pollution des matériaux à élaborer puis à un percement du creuset. L'élaboration de teLs materiaux est donc effectuée de préférence dans un creuset froid et sous atmosphère contrôlée pour tenter d'éviter toute pollu- tion. It is known that many pure materials used in industry are, in the molten state, so aggressive against refractory materials, that they cannot be produced in a hot crucible. Their aggressiveness results in an attack on the crucible, which leads first of all to a pollution of the materials to be produced then to a piercing of the crucible. The development of such materials is therefore preferably carried out in a cold crucible and under a controlled atmosphere in an attempt to avoid any pollution.
Ces matériaux purs à élaborer se réparti sa sent en Les deux catégories mentionnées pLus haut :
- La première catégorie comprenant les
verres, Les ceramiques, les oxydes et les sels fondus
très corrosifs que L'on veut obtenir à un haut degré
de pureté, ces matériaux étant par exemple utilisés
dans l'industrie du verre (verres phosphatés, verres
textiles, émaux...) ou dans l'industrie électronique,
et
- La seconde catégorie comprenant Les métaux
très réactifs tels que les lanthanides, les actinides,
Le titane, le zirconium, le hafnium et leurs alLiag
es,... ainsi que d'autres métaux plus classiques teLs
que le silicium (assimilable à un métal car suffisam
ment électriquement conducteur du fait des dopants
qu'il contient), le tantale..., que l'on veut élaborer
à partir de leurs oxydes, fluorures ou chlorures, à un
haut degré de pureté, selon des réactions du type :
MF + xR at xRF + M X
MO + xR ~+~ xRO + M
x
MCLX + xR+xRCl + M
réactions dans lesquelles M représente un métal et R
un réducteur.These pure materials to be developed are divided into the two categories mentioned above:
- The first category including
glasses, ceramics, oxides and molten salts
very corrosive that we want to get to a high degree
purity, these materials being used for example
in the glass industry (phosphated glasses, glasses
textiles, enamels ...) or in the electronics industry,
and
- The second category including Metals
very reactive such as lanthanides, actinides,
Titanium, zirconium, hafnium and their alLiag
es, ... as well as other more classic metals
that silicon (similar to a metal because sufficient
electrically conductive due to dopants
it contains), tantalum ..., which we want to develop
from their oxides, fluorides or chlorides, to a
high degree of purity, according to reactions of the type:
MF + xR at xRF + MX
MO + xR ~ + ~ xRO + M
x
MCLX + xR + xRCl + M
reactions in which M represents a metal and R
a reducer.
Actuellement, les matériaux de la première
catégorie peuvent être élaborés dans des creusets
froids en cuivre, refroidis par un Liquide réfrigé
rant. Le matériau élaboré vient se figer au contact du
cuivre froid et forme donc son propre creuset, le cuivre, qui n'est plus au contact du matériau fondu,
n'étant plus attaque. Le creuset froid en cuivre est
par exemple formé de tubes de cuivre juxtaposés, re
froidis indépendamment les uns des autres et transpa
rents au champ magnétique d'un inducteur solénoidal
qui entoure Le creuset. Le matériau à élaborer et à
fondre est ainsi chauffé par induction directe, sa conductivité à haute température permettant la circulation de courants induits qui Lui cedent de la chaleur par effet Joule.Currently the materials of the first
category can be worked out in crucibles
cold copper, cooled by a refrigerated liquid
rant. The material produced freezes in contact with the
cold copper and therefore forms its own crucible, copper, which is no longer in contact with the molten material,
no longer under attack. The cold copper crucible is
for example formed of juxtaposed copper tubes, re
cooled independently of each other and transparent
rents to the magnetic field of a solenoid inductor
which surrounds The crucible. The material to be developed and
melting is thus heated by direct induction, its conductivity at high temperature allowing the circulation of induced currents which give it heat by the Joule effect.
Lors de L'élaboration de ces matériaux, la vidange du creuset est séquentielle et peut se faire soit par basculement et débordement de ce creuset, soit par vidange par le bas au travers d'une buse de coulée, mais, d'une part, la vidange ne doit pas être totale pour pouvoir continuer la chauffe (la présence d'un peu de matériau fondu étant toujours nécessaire pour permettre la circulation des courants induits), et d'autre part I'étanchéité de l'installation comportant le creuset ne doit pas être rompue. During the preparation of these materials, the emptying of the crucible is sequential and can be done either by tilting and overflowing this crucible, or by emptying from below through a pouring nozzle, but, on the one hand, the emptying must not be total in order to be able to continue heating (the presence of a little molten material is always necessary to allow the circulation of the induced currents), and on the other hand the sealing of the installation comprising the crucible does not must not be broken.
Dans le cas de la vidange par basculement et débordement, l'étanchéité de cette installation ne peut pratiquement pas être maintenue, ce qui entraîne une pollution du matériau à élaborer et dans le cas de la vidange par le bas, la buse de coulée s'use en polluant le produit à élaborer et il est très difficile d'arrêter la coulée avant la vidange totale et donc de recommencer le chauffage du contenu du creuset après chaque vidange. In the case of emptying by tilting and overflowing, the tightness of this installation can practically not be maintained, which causes pollution of the material to be produced and in the case of emptying from the bottom, the pouring nozzle s' use by polluting the product to be produced and it is very difficult to stop the pouring before total emptying and therefore to start heating the contents of the crucible after each emptying.
Les matériaux de la seconde catégorie peuvent aussi être éLaborés par chauffage par induction dans des creusets froids du même type que le creuset décrit plus haut. Dans ce cas, le métal à élaborer est isolé du cuivre froid par une mince couche de laitier provenant soit de la réaction d'élaboration, soit d'une addition volontaire. La quantité de métal élaboré à chaque opération est limitée par La formation d'une grande quantité de produits secondaires de la réaction (oxydes, fluorures, chlorures ...). The materials of the second category can also be produced by induction heating in cold crucibles of the same type as the crucible described above. In this case, the metal to be produced is isolated from cold copper by a thin layer of slag originating either from the production reaction or from voluntary addition. The quantity of metal produced at each operation is limited by the formation of a large quantity of secondary products of the reaction (oxides, fluorides, chlorides, etc.).
Ces produits secondaires surnagent au-dessus du métal, remplissent la partie haute du creuset et se figent lorsque leur niveau dépasse celui de l'inducteur, ce qui arrete l'élaboration du métal. These secondary products float above the metal, fill the upper part of the crucible and freeze when their level exceeds that of the inductor, which stops the development of the metal.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés plus haut, en proposant un dispositif permettant d'élaborer de façon continue des matériaux obtenus à partir d'un mélange de substances à l'état fondu, tels que Les matériaux des deux catégories considérées précédemment, et permettant en outre, dans une réalisation avantageuse, d'élaborer ces matériaux sans pollution. The object of the present invention is to remedy the drawbacks mentioned above, by proposing a device making it possible to continuously develop materials obtained from a mixture of substances in the molten state, such as Materials of the two categories considered. previously, and also allowing, in an advantageous embodiment, to develop these materials without pollution.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif d'élaboration d'un matériau obtenu 'à partir d'un mélange de substances à l'état fondu, caractérisé en ce qu'il comprend : - un creuset destiné à recevoir les substances, - des moyens d'introduction des substances dans le
creuset, par le haut de celui-ci, - des moyens de chauffage par induction, destinés å
chauffer et à maintenir à l'état fondu le contenu du
creuset, - des moyens d'évacuation en continu du matériau formé
dans Le creuset, et, lorsque le matériau est métal
lique, - des moyens d'évacuation en continu de produits se
condaires résultant du mélange.Specifically, the present invention relates to a device for preparing a material obtained 'from a mixture of substances in the molten state, characterized in that it comprises: - a crucible intended to receive the substances, - means for introducing the substances into the
crucible, from above, - induction heating means, intended for
heat and keep the contents of the
crucible, - means for continuously discharging the material formed
in the crucible, and, when the material is metal
lique, - means of continuous evacuation of products
condaries resulting from mixing.
Lorsque le matériau est non métallique, on peut également prévoir des moyens d'évacuation en continu des produits secondaires (gazeux) résultant du mélange. When the material is non-metallic, it is also possible to provide means for continuously discharging the secondary (gaseous) products resulting from the mixing.
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, le matériaux étant non métallique, le creuset est rempli desdites substances jusqu'à un niveau donné et les moyens d'evacuation du matériau comprennent un conteneur communiquant, à ce niveau, avec l'intérieur du creuset et apte à capter le matériau formé. According to a particular embodiment of the device which is the subject of the invention, the material being non-metallic, the crucible is filled with said substances up to a given level and the means for discharging the material comprise a container communicating, at this level, with inside the crucible and able to capture the material formed.
Selon un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, Le matériau étant métallique, les moyens d'évacuation du matériau comprennent une sole constituant le fond du creuset, cette sole étant mobile par rapport au reste du creuset et séparable de celui-ci. According to another particular embodiment of the device which is the subject of the invention, the material being metallic, the means for discharging the material comprise a hearth constituting the bottom of the crucible, this hearth being movable relative to the rest of the crucible and separable from that -this.
Dans une réalisation particulière de l'invention, le matériau étant métallique, le creuset est rempli desdites substances jusqu'à un niveau donné et les moyens d'évacuation des produits secondaires comprennent un conteneur communiquant, à ce niveau, avec l'intérieur du creuset et apte à capter les produits secondaires, qui sont maintenus à l'état fondu et sont situés à la partie supérieure dudit contenu. In a particular embodiment of the invention, the material being metallic, the crucible is filled with said substances to a given level and the means for discharging the secondary products comprise a container communicating, at this level, with the interior of the crucible and able to capture the secondary products, which are kept in the molten state and are located at the top of said content.
De préférence (pour un matériau métallique ou non métallique), le dispositif objet de l'invention comprend en outre des moyens d'empêchement, prévus pour empêcher la pénétration des substances dans le conteneur, avant qu'elles n'aient interagi pour former le matériau. Preferably (for a metallic or non-metallic material), the device which is the subject of the invention furthermore comprises prevention means, intended to prevent the penetration of the substances into the container, before they have interacted to form the material.
Le conteneur peut être relié au creuset par une canalisation inclinée du creuset vers le conteneur. The container can be connected to the crucible by an inclined pipe from the crucible to the container.
Dans une réalisation particulière, le matériau étant métallique, Le dispositif comprend des moyens de chauffage par induction des produits secondaires, aptes à maintenir ces produits secondaires à l'état fondu pendant l'élaboration du matériau. In a particular embodiment, the material being metallic, the device comprises means for induction heating of the secondary products, capable of maintaining these secondary products in the molten state during the preparation of the material.
Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, afin d'élaborer sans pollution les matériaux, en particulier Les matériaux des deux catégories mentionnées plus haut, le creuset et les moyens d'évacuation du matériau sont non polluants vis-å-vis du matériau, les moyens d'introduction sont étanches et reliés de façon étanche à l'in- térieur du creuset et les moyens d'évacuation du matériau et des produits secondaires sont étanches et reliés de façon étanche à l'intérieur du creuset. According to a preferred embodiment of the device which is the subject of the invention, in order to prepare materials without pollution, in particular Materials of the two categories mentioned above, the crucible and the means for discharging the material are non-polluting vis-å -vis the material, the introduction means are sealed and tightly connected inside the crucible and the material and secondary product discharge means are sealed and tightly connected inside the crucible .
Selon diverses réalisations particulières, afin d'aboutir à cette élaboration sans pollution
- lorsque le matériau est non métallique et que le dispositif comporte le conteneur mentionné plus haut, ce conteneur est étanche, non polluant vis-å-vis du matériau et communique de façon étanche avec l'intérieur du creuset,
- lorsque le matériau est métallique et que le dispositif comporte la sole mentionnée plus haut-, cette sole est reliable de façon étanche à l'intérieur du creuset,
- lorsque le matériau est métallique et que
Le dispositif comporte le conteneur mentionné plus haut, ce conteneur est étanche et communique de façon étanche avec l'intérieur du creuset,
- lorsque le dispositif comporte les moyens d'empêchement mentionnés plus haut, ceux-ci sont non polluants vis-å-vis du matériau,
- lorsque le dispositif comporte La canalisation mentionnée plus haut, cette canalisation est étanche et non polluante vis-å-vis du matériau lorsque celui-ci est non métallique,
- le creuset est électriquement conducteur, mis à la masse, muni de moyens de refroidissement et transparent à l'induction,
- le conteneur utilisé avec un matériau métallique ou non métallique, est électriquement conducteur, muni de moyens de refroidissement et mis à la masse.According to various specific achievements, in order to achieve this pollution-free development
when the material is non-metallic and the device comprises the container mentioned above, this container is sealed, non-polluting vis-à-vis the material and communicates in leaktight manner with the interior of the crucible,
when the material is metallic and the device comprises the sole mentioned above, this sole can be sealed in the interior of the crucible,
- when the material is metallic and
The device comprises the container mentioned above, this container is sealed and communicates in a sealed manner with the interior of the crucible,
- when the device includes the prevention means mentioned above, these are non-polluting vis-à-vis the material,
when the device comprises the pipe mentioned above, this pipe is leaktight and non-polluting vis-à-vis the material when the latter is non-metallic,
- the crucible is electrically conductive, grounded, provided with cooling means and transparent to induction,
- the container used with a metallic or non-metallic material, is electrically conductive, provided with cooling means and grounded.
Enfin, de préférence, les moyens d'introduction comprennent un sas prevu pour recevoir les substances, et un couvercle etanche qui communique avec ce sas et qui ferme de façon étanche la partie supérieure du creuset et comporte des moyens d'entrée et de sortie des gaz. Finally, preferably, the introduction means comprise an airlock provided for receiving the substances, and a watertight cover which communicates with this airlock and which sealingly closes the upper part of the crucible and includes means for entering and leaving the gas.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, utilisable pour élaborer en continu et à l'état pur des matériaux non métalliques très corrosifs, et
- la figure 2 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, utilisable pour élaborer en continu et à l'état pur des matériaux métalliques très réactifs.The present invention will be better understood on reading the description which follows, of embodiments given purely by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which
FIG. 1 is a schematic view of a particular embodiment of the device which is the subject of the invention, usable for developing continuously and in its pure state very corrosive non-metallic materials, and
- Figure 2 is a schematic view of another particular embodiment of the device object of the invention, usable for developing continuously and in the pure state of highly reactive metallic materials.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier du disposi- tif objet de L'invention, destiné à l'élaboration de matériaux non métalliques tels que les verres, les céramiques, les oxydes et les sels fondus. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend un creuset froid 2 par exemple en cuivre. Ce creuset peut être constitué d'une pluralité de tubes ou secteurs de section carrée, en cuivre, fermés à chaque extrémité, disposés côte à côte suivant les génératrices d'un cylindre de révolution et séparés les uns des autres par un isolant électrique tel qu'une mince couche d'alumine, les tubes étant rendus solidaires les uns des autres par un bandage en fibre de verre entourant le creuset ainsi constitué. FIG. 1 schematically shows a particular embodiment of the device which is the subject of the invention, intended for the preparation of non-metallic materials such as glasses, ceramics, oxides and molten salts. The device shown in FIG. 1 comprises a cold crucible 2, for example made of copper. This crucible can be made up of a plurality of tubes or sectors of square section, made of copper, closed at each end, arranged side by side along the generators of a cylinder of revolution and separated from each other by an electrical insulator such as 'a thin layer of alumina, the tubes being made integral with each other by a fiberglass bandage surrounding the crucible thus formed.
Le creuset est muni de moyens de refroidi sement : dans l'exemple donne, le creuset est refroidi par un fluide tel que l'eau, qui est envoyé dans la partie basse de chaque secteur à partir d'un collecteur d'entrée 3 communiquant avec chaque secteur, et récupéré par un collecteur de sortie 4 communiquant avec la partie haute de chaque secteur. The crucible is provided with cooling means: in the example given, the crucible is cooled by a fluid such as water, which is sent into the lower part of each sector from an input manifold 3 communicating with each sector, and recovered by an outlet collector 4 communicating with the upper part of each sector.
Le dispositif comprend également un inducteur solénoidal 6 qui est placé autour du creuset sans toucher celui-ci et qui est alimenté par une source de courant de haute fréquence non representée, dont la fréquence est choisie en fonction du matériau à élaborer, afin que les substances destinées à l'élaboration de ce matériau puissent être fondues dans le creuset. The device also comprises a solenoidal inductor 6 which is placed around the crucible without touching it and which is supplied by a high frequency current source not shown, the frequency of which is chosen according to the material to be produced, so that the substances intended for the preparation of this material can be melted in the crucible.
Ce dernier est mis à la masse afin d'être maintenu à un potentiel nul, ce qui permet de reLier le creuset, de façon étanche et sans aucune contrainte d'isolation électrique, à d'autres éléments du dispositif tels que la tête d'alimentation ou le conteneur (mentionne5par la suite), La sécurité des utilisateurs étant ainsi assuree de façon simple. The latter is earthed in order to be maintained at zero potential, which makes it possible to connect the crucible, in a sealed manner and without any electrical insulation constraint, to other elements of the device such as the head of supply or container (mentioned later), thus ensuring user safety in a simple manner.
En outre, ee creuset 2 est fermé à sa partie inférieure par une sole creuse 8 en cuivre, qui est munie de moyens de refroidissement 10 destinés à faire circuler un fluide de refroidissement tel que l'eau dans la sole 8, et qui est reliée de façon étanche au creuset par l'intermédiaire d'un joint 12. In addition, the crucible 2 is closed at its lower part by a hollow hearth 8 made of copper, which is provided with cooling means 10 intended to circulate a cooling fluid such as water in the hearth 8, and which is connected tightly to the crucible by means of a seal 12.
Le dispositif représenté sur La figure 1 comporte également un tête d'alimentation 14 surmontant le creuset 2 et reliée à celui-ci de façon étanche par l'intermédiaire d'un joint 16. La liaison entre la tête d'alimentation et le creuset ne pose aucun problème de sécurité pour les utilisateurs étant donné La mise à la masse du creuset 2. The device shown in FIG. 1 also comprises a supply head 14 surmounting the crucible 2 and connected to the latter in a leaktight manner by means of a seal 16. The connection between the supply head and the crucible does not poses no safety problem for users given the grounding of crucible 2.
La tête d'alimentation 14 comprend de haut en bas, un sas 18 d'introduction des substances (produits à fondre ou matières premières de la réaction à effectuer pour l'élaboration du matériau) ainsi qu'un couvercle 20 qui vient fermer le haut du creuset 2 par l'intermédiaire du joint 16 et qui est relié au sas 18 par l'intermédiaire d'une canalisation munie d'une vanne 22. Le sas 18 est muni à sa partie supérieure d'un entonnoir 24 qui est destiné à la réception des produits à fondre ou des matières premières de la réaction et qui communique avec l'intérieur du sas 18 par l'intermédiaire d'une canalisation munie d'une vanne 26. Le sas 18 permet de préserver la pureté de l'atmosphère située au-dessus du bain fondu que l'on souhaite former dans le creuset 2. The feed head 14 comprises, from top to bottom, an airlock 18 for introducing the substances (products to be melted or raw materials for the reaction to be carried out for the preparation of the material) as well as a cover 20 which closes the top. of the crucible 2 via the seal 16 and which is connected to the airlock 18 by means of a pipe provided with a valve 22. The airlock 18 is provided at its upper part with a funnel 24 which is intended for the reception of the products to be melted or of the raw materials of the reaction and which communicates with the interior of the airlock 18 by means of a pipe provided with a valve 26. The airlock 18 makes it possible to preserve the purity of the atmosphere located above the molten bath that one wishes to form in the crucible 2.
Le sas 18 comprend également une canalisation 28 munie d'une vanne 30 et prévue pour l'introduction dans le sas 18 d'un gaz inerte tel que l'azote ou un gaz rare ainsi qu'une canalisation 32 munie d'une vanne 34 et prévue pour l'évacuation dudit gaz du sas 18. The airlock 18 also comprises a line 28 provided with a valve 30 and provided for the introduction into the airlock 18 of an inert gas such as nitrogen or a rare gas as well as a line 32 provided with a valve 34 and provided for the evacuation of said gas from the airlock 18.
Le couvercle 20 est muni - d'une canalisation 36 comportant une vanne 38 et
prévue pour l'arrivée de gaz de balayage (gaz inerte
ou de toute autre nature), - d'une canalisation 40 munie d'une vanne 42 et prévue
pour l'évacuation des gaz de balayage et des produits
secondaires gazeux résultant de l'interaction des substances introduites et fondues dans le creuset, un moyen de traitement desdits produits secondaires gazeux pouvant être raccordé à la canalisation 40 si l'on souhaite utiliser par la suite ces produits secondaires gazeux ou si ces derniers sont trop toxiques ou polluants pour être rejetés directement à l'exté- rieur du dispositif, et enfin - d'une canalisation 44 munie d'une vanne 46 et rac
cordée à des moyens de pompage non représentés,
cette canalisation etant destinée à évacuer l'atmos- phère située au-dessus du bain fondu dans le creuset lorsque L'élaboration du matériau doit être effectuée sous vide.The cover 20 is provided with - a pipe 36 comprising a valve 38 and
planned for the supply of sweeping gas (inert gas
or any other type), - of a pipe 40 provided with a valve 42 and provided
for the evacuation of sweeping gases and products
secondary gas resulting from the interaction of the substances introduced and melted in the crucible, a means for treating said secondary gaseous products which can be connected to the pipe 40 if it is desired to use these gaseous secondary products subsequently or if the latter are too toxic or polluting to be discharged directly outside the device, and finally - from a pipe 44 fitted with a valve 46 and rac
strung to pumping means not shown,
this pipe being intended to evacuate the atmosphere located above the molten bath in the crucible when the preparation of the material must be carried out under vacuum.
Le dispositif représenté sur La figure 1 comprend également un conteneur ou lingotière 48 dont l'intérieur communique avec l'intérieur du creuset 2 par L'intermédiaire d'une canalisation ou goulotte 50 débouchant d'un côté dans la partie haute du creuset 2, à un niveau donné 52 de celui-ci, et de L'autre côté, dans la partie haute du conteneur 48. Ainsi, en formant dans le creuset un bain fondu jusqu'au niveau 52, le matériau non métallique formé qui se trouve à la partie supérieure de ce bain, peut-il se déverser en continu Ia-cond5ti crn -d1alimenter suffisamment le creuset au cours du temps en substances destinées à La formation du matériau) dans le conteneur 48 par La canalisation 50. The device shown in FIG. 1 also includes a container or ingot mold 48 the interior of which communicates with the interior of the crucible 2 by means of a pipe or chute 50 opening on one side into the upper part of the crucible 2, at a given level 52 thereof, and on the other side, in the upper part of the container 48. Thus, by forming in the crucible a molten bath up to level 52, the non-metallic material formed which is found the upper part of this bath, can it be continuously discharged Ia-cond5ti crn -d1alimentent the crucible sufficiently over time in substances intended for the formation of the material) in the container 48 through the pipe 50.
Cette dernière et Le conteneur sont étanches vis-å-vis de L'atmosphère extérieure au creuset et la canalisation 50 est reliée de façon étanche au creuset 48 par l'intermédiaire d'une liaison étanche etdémonta- ble appropriée 56. Le conteneur 48 est par exemple fait d'un métal tel que le cuivre et mis à la masse. En outre, ce conteneur est refroidi par des moyens de refroidissement 51 (une circulation d'eau autour du conteneur 48 par exemple) afin d'éviter toute pollution du matériau pur 58 le remplissant après avoir été élaboré dans le creuset. De plus, le conteneur 48 est pourvu d'une canalisation 60 elle-même pourvue d'une vanne 62 et destinée à l'évacuation de gaz ou à la mise sous vide du conteneur 48 par l'intermédiaire de moyens de pompage non représentés. The latter and the container are airtight vis-à-vis the atmosphere outside the crucible and the pipe 50 is tightly connected to the crucible 48 by means of a suitable waterproof and removable connection 56. The container 48 is for example made of a metal such as copper and grounded. In addition, this container is cooled by cooling means 51 (a circulation of water around the container 48 for example) in order to avoid any pollution of the pure material 58 filling it after having been produced in the crucible. In addition, the container 48 is provided with a pipe 60 itself provided with a valve 62 and intended for the evacuation of gas or the evacuation of the container 48 by means of pumping means not shown.
Comme on l'a indiqué plus haut, le creuset 2 peut être réalisé par juxtaposition de secteurs en cuivre. Dans ce cas, la canalisation 50 peut passer entre deux secteurs adjacents ou au travers de L'un des secteurs. Cette canalisation 50 peut en outre passer au-dessus de l'inducteur 6 ou entre deux spires de cet inducteur sans toucher ces spires. Enfin, la canalisation 50 peut être faite d'un matériau réfractaire si ce dernier ne pollue pas le matériau élaboré dans le creuset ou d'un métal si aucun matériau réfractaire ne résiste à la corrosion du matériau élaboré dans le creuset, en prévoyant dans ce cas des moyens de refroidissement non représentés de la canalisation 50. Dans ce cas. également, La liaison 56 peut être constituée d'une bride boulonnée, munie d'un joint métallique. As indicated above, the crucible 2 can be produced by juxtaposition of copper sectors. In this case, the pipe 50 can pass between two adjacent sectors or through one of the sectors. This pipe 50 can also pass over the inductor 6 or between two turns of this inductor without touching these turns. Finally, the pipe 50 can be made of a refractory material if the latter does not pollute the material produced in the crucible or of a metal if no refractory material resists corrosion of the material produced in the crucible, by providing in this case of the cooling means not shown of the pipe 50. In this case. also, the connection 56 may consist of a bolted flange, provided with a metal seal.
Le dispositif de La figure 1 comprend également un déflecteur 64 plongeant dans le bain fondu 54 et prévu pour empêcher les substances de départ d'être évacuées par La canalisation 50 avant d'avoir interagi pour former le matériau. Le déflecteur 64 est par exemple constitué d'une plaque fixée à l'intérieur du creuset à la partie supérieure de celui-ci, en regard de l'extrémité de la canalisation 50 débouchant dans le creuset, ce déflecteur étant incliné de la paroi intérieure du creuset vers le centre de celui-ci. Ce déflecteur 64 peut être métallique et refroidi par exemple par une circulation d'eau non représentée, ou fait d'un matériau réfractaire que le matériau élaboré ne peut pas corroder, si un tel matériau réfractaire existe. The device of FIG. 1 also comprises a deflector 64 plunging into the molten bath 54 and intended to prevent the starting substances from being evacuated by the pipe 50 before having interacted to form the material. The deflector 64 is for example made up of a plate fixed inside the crucible to the upper part thereof, opposite the end of the pipe 50 opening into the crucible, this deflector being inclined from the inner wall from the crucible to the center of it. This deflector 64 can be metallic and cooled for example by a circulation of water not shown, or made of a refractory material that the produced material cannot corrode, if such a refractory material exists.
Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la façon suivante : la vanne 26 étant ouverte et la vanne 22 fermee, les substances néces- saires à l'élaboration du matériau sont introduites dans le sas 18 par l'intermédiaire de l'entonnoir 24. The device shown in FIG. 1 operates as follows: the valve 26 being open and the valve 22 closed, the substances necessary for the preparation of the material are introduced into the airlock 18 via the funnel 24 .
La vanne 26 est fermée. Le sas 18 est balayé par un gaz inerte qui est introduit par la canalisation 28 et evacué par la canalisation 32. La vanne 22 est ouverte. Les substances tombent alors dans le creuset froid 2 et sont fondues grâce aux moyens de chauffage 6. La quantité de substances introduite est choisie pour que le bain fondu alors obtenu atteigne le niveau 52. Le matériau formé présent dans La partie supérieure du bain fondu, peut alors s'écouler par la canalisation 50 pour remplir le conteneur 48. Les substances sont introduites périodiquement dans le creuset 2 par la tête d'alimentation 14 afin que le bain fondu atteigne en permanence le niveau 52.The valve 26 is closed. The airlock 18 is swept by an inert gas which is introduced through the line 28 and evacuated through the line 32. The valve 22 is open. The substances then fall into the cold crucible 2 and are melted using the heating means 6. The quantity of substances introduced is chosen so that the molten bath then obtained reaches level 52. The material formed present in the upper part of the molten bath, can then flow through the pipe 50 to fill the container 48. The substances are periodically introduced into the crucible 2 through the supply head 14 so that the molten bath permanently reaches level 52.
On peut ainsi élaborer en continu, à un très haut degré de pureté, des matériaux très corrosifs de la première catégorie, sous atmosphère contrôlée et sans aucun contact avec un matériau chaud risquant d'être corrodé par le matériau élaboré. It is thus possible to continuously develop, at a very high degree of purity, very corrosive materials of the first category, under a controlled atmosphere and without any contact with a hot material which risks being corroded by the material produced.
Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, destiné à l'élaboration de matériaux métalliques et notamment de métaux très réactifs tels que les lanthanides, les actinides, le titane, le hafnium et le zirconium. Le dispositif représenté sur la figure 2 comprend un creuset froid 2 identique au creuset décrit en référence à la figure 1. Ce creuset est surmonté d'une tête d'alimentation 14 reliée de façon étanche audit creuset par l'intermédiaire d'un joint 16 et identique à la tête d'alimentation décrite en référence à la figure 1. Le creuset 2 est en outre muni de moyens de refroidissement comme on l'a expliqué en référence à la figure 1. In Figure 2, there is schematically shown another particular embodiment of the device object of the invention, intended for the development of metallic materials and in particular very reactive metals such as lanthanides, actinides, titanium, hafnium and zirconium. The device represented in FIG. 2 comprises a cold crucible 2 identical to the crucible described with reference to FIG. 1. This crucible is surmounted by a supply head 14 connected in leaktight manner to said crucible by means of a seal 16 and identical to the feed head described with reference to FIG. 1. The crucible 2 is further provided with cooling means as explained with reference to FIG. 1.
Le dispositif de la figure 2 comprend également un conteneur 49 (muni d'une canalisation 60 ellemême pourvue d'une vanne 62 comme on l'a indiqué à propos du conteneur 48 de La figure 1), une canalisation 50, une liaison 56 entre cette canalisation 50 et
Le conteneur 49 ainsi qu'un déflecteur 64, tous ces éléments etant identiques à leurs homologues décrits en référence à la figure 1 et ayant une disposition relative identique à la disposition de ces homologues.The device of FIG. 2 also comprises a container 49 (provided with a pipe 60 itself provided with a valve 62 as indicated with reference to the container 48 in FIG. 1), a pipe 50, a connection 56 between this line 50 and
The container 49 and a deflector 64, all of these elements being identical to their counterparts described with reference to FIG. 1 and having a relative arrangement identical to the arrangement of these counterparts.
Le creuset 2 représenté sur la figure 2 comporte, à sa partie inférieure, une sole 9 en cuivre, munie de moyens de refroidissement 10 comme on l'a expliqué en référence à la figure 1 à propos de la sole 8. Mais dans le cas de la figure 2, la soLe 9 est mobile et reliée de façon étanche au creuset 2 par des moyens appropriés tel qu'un soufflet 66 dont un côté est fixé de façon étanche au pourtour de la partie inférieure du creuset 2 et dont l'autre côté est fixé de façon etanche au pourtour de la sole 9 par des moyens de fixation appropriés démontables, tels qu'une bride 68 à laquelle est fixé le soufflet 66 et qui est vissée sur la sole 9, un joint étant interposé entre cette dernière et la bride. The crucible 2 shown in Figure 2 has, at its lower part, a hearth 9 made of copper, provided with cooling means 10 as explained with reference to Figure 1 in connection with the hearth 8. But in the case in FIG. 2, the base 9 is movable and connected in a leaktight manner to the crucible 2 by suitable means such as a bellows 66 one side of which is fixed in a sealed manner around the periphery of the lower part of the crucible 2 and the other of which side is tightly fixed around the periphery of the floor 9 by suitable removable fixing means, such as a flange 68 to which the bellows 66 is fixed and which is screwed onto the floor 9, a seal being interposed between the latter and the flange.
Le dispositif représenté sur la figure 2 comprend également un conducteur solénoidal 70 qui entoure le creuset 2 sans toucher celui-ci et qui s'étend au-dessous de la canalisation 50 sur une certaine longueur dudit creuset. Cet inducteur 70 est relié à une source de courant alternatif de haute fréquence non représentée, cette fréquence étant choisie de façon à pouvoir fondre les substances introduites dans le creuset et destinées à l'obtention du matériau métallique. Un autre inducteur solénoidal 72 entoure, sans le toucher le creuset 2 au niveau de la zone de celui-ci, dans laquelle débouche la canalisation 50. The device shown in Figure 2 also includes a solenoidal conductor 70 which surrounds the crucible 2 without touching it and which extends below the pipe 50 over a certain length of said crucible. This inductor 70 is connected to a source of alternating current of high frequency not shown, this frequency being chosen so as to be able to melt the substances introduced into the crucible and intended for obtaining the metallic material. Another solenoidal inductor 72 surrounds, without touching it, the crucible 2 at the level of the latter, into which the pipe 50 opens.
Celle-ci passe entre deux spires adjacentes de cet autre inducteur ou au-dessus de celui-ci. Cet autre inducteur est relié à une source de courant alternatif non représentée dont La fréquence est plus élevée que
La fréquence du courant d'alimentation de l'inducteur 6. This passes between two adjacent turns of this other inductor or above it. This other inductor is connected to an alternating current source, not shown, the frequency of which is higher than
The frequency of the inductor supply current 6.
On peut distinguer trois régions dans le
bain fondu formé dans le creuset : une première région
74 qui s'etend entre L'inducteur 70 et la sole 9 et
dans laquelle on trouve, à l'état solide, le métal ou
matériau métallique formé à partir du bain fondu, une
seconde région ou phase métallique 76, qui est située
au niveau de l'inducteur 70 et dans laquelle on trou wet tat Liwuide, ce même métal, étal. et une troisième
région ou phase surnageante 78, qui s'étend à partir
de la seconde région jusqu'au niveau 52 et dans
laquelle on trouve les produits secondaires de réac
tion.We can distinguish three regions in the
molten bath formed in the crucible: a first region
74 which extends between the inductor 70 and the sole 9 and
in which we find, in the solid state, the metal or
metallic material formed from the molten bath, a
second region or metallic phase 76, which is located
at the level of the inductor 70 and in which there is a wet tat Liwuide, this same metal, stall. and a third
supernatant region or phase 78, which extends from
from the second region to level 52 and in
which are the secondary reaction products
tion.
La fréquence du courant d'alimentation de
l'autre inducteur 72 est choisie de façon à pouvoir
maintenir à l'état fondu ces produits secondaires.The frequency of the supply current of
the other inductor 72 is chosen so as to be able
maintain these secondary products in the molten state.
Lorsque la température de fusion du métal que l'on
souhaite élaborer dans le dispositif de la figure 2
est beaucoup plus élevée que La température de fusion
de ces produits secondaires de réaction, L'autre in
ducteur 72 n'est pas nécessaire.When the melting temperature of the metal
wishes to elaborate in the device of figure 2
is much higher than the melting temperature
of these reaction side products, the other in
ductor 72 is not necessary.
Le dispositif de la figure 2 est utilisé de
la façon suivante pour élaborer un métal : les subs
tances nécessaires à l'élaboration de ce métal sont
introduites dans le creuset 2 jusqu'au niveau 52, par
l'intermédiaire de la tête d'alimentation 14, utilisée
à cet effet comme on l'a expliqué en référence à la
figure 1. Le contenu du creuset est fondu puis mainte
nu à l'état fondu grâce à l'inducteur 70, et à l'autre
inducteur 72 lorsque la température de fusion du maté
riau métallique est inférieure à ou proche de la tem
pérature de fusion des produits secondaires de réac
tion.The device of Figure 2 is used from
the following way to elaborate a metal: the subs
tances necessary for the development of this metal are
introduced into crucible 2 up to level 52, by
via the supply head 14, used
for this purpose as explained with reference to the
figure 1. The contents of the crucible are melted and then maintained
naked in the molten state thanks to the inductor 70, and the other
inductor 72 when the melting temperature of the mate
metallic thread is less than or close to tem
reaction temperature of secondary reaction products
tion.
La réaction d'élaboration s'effectue dans
la phase surnageante 78 et les gouttes de métal élabo
ré descendent dans la phase métallique 76 puis, de lå, vers le fond du creuset, où se forme un lingot de métal. Une faible proportion des produits secondaires de la réaction vient se glisser entre le métal fondu et le creuset froid de façon à former unie mince couche isolante 80 qui protège le cuivre froid du creuset de la corrosion par le métal en fusion. La sole mobile 9 descend au fur et à mesure de l'élaboration du métal.The elaboration reaction takes place in
the supernatant phase 78 and the metal drops elabo
re descend into the metallic phase 76 and then from there to the bottom of the crucible, where a metal ingot is formed. A small proportion of the secondary products of the reaction slips between the molten metal and the cold crucible so as to form a thin thin insulating layer 80 which protects the cold copper of the crucible from corrosion by the molten metal. The movable sole 9 descends as the metal is produced.
Ainsi est maintenu constant "te niveau supérieur" 82 (sensiblement curviligne) du métal liquide dans le creuset. Le métal se solidifie lorsqu'il sort de La zone chauffée par l'inducteur 70 et l'on obtient donc par tirage en continu un lingot 74 de métal pur entouré d'une mince couche de laitier formé par les produits secondaires de la réaction.Thus is kept constant "the upper level" 82 (substantially curvilinear) of the liquid metal in the crucible. The metal solidifies when it leaves the zone heated by the inductor 70 and an ingot 74 of pure metal is therefore obtained by continuous drawing surrounded by a thin layer of slag formed by the secondary products of the reaction.
Le lingot peut être tronçonné en cours de tirage, à la longueur désirée. Pour ce faire, cette longueur étant atteinte (ce que l'on peut connaître par chronométrage par exemple), la sole, qui occupe alors une position 84 représentée en traits mixtes sur la figure 2, est maintenue en place par des moyens de soutien non représentés, les moyens de fixation 68 sont démontés et le soufflet 66 est remonté et maintenu en position haute, faisant ainsi apparaître Le lingot dont Le tronçonnage peut être effectué par une machine de sciage 86 par exemple. The ingot can be cut during drawing, to the desired length. To do this, this length being reached (which can be known by timing for example), the sole, which then occupies a position 84 shown in phantom in Figure 2, is held in place by non-support means shown, the fixing means 68 are disassembled and the bellows 66 is reassembled and held in the high position, thus showing the ingot whose cutting can be carried out by a sawing machine 86 for example.
La plus grande partie des produits secondaires de la réaction d'élaboration surnage au-dessus du liquide et s'évacue par la canalisation 50 étanche vers le conteneur 49 étanche. Le déflecteur 64 empêche les substances introduites dans le creuset d'etre évacuées vers le conteneur 49 avant d'avoir réagi. Most of the by-products of the elaboration reaction float above the liquid and are evacuated through the sealed pipe 50 to the sealed container 49. The deflector 64 prevents the substances introduced into the crucible from being evacuated towards the container 49 before having reacted.
Le dispositif de la figure 2 permet ainsi d'élaborer en continu et à un très haut degré de pureté, sous forme de lingots de longueur souhaitée, des métaux très réactifs, l'élaboration s'effectuant sous atmosphère contrôlée et sans aucun contact du métal avec un- matériau chaud risquant de se corroder à son contact. The device of FIG. 2 thus makes it possible to develop continuously and at a very high degree of purity, in the form of ingots of desired length, very reactive metals, the development being carried out under a controlled atmosphere and without any contact of the metal. with a hot material which may corrode on contact.
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