ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ РАСПЛАВЛЕНИЯ СМЕСИ МЕТАЛЛА (МЕТАЛЛОВ) И ОКСИДА (ОКСИДОВ), ПРЕДСТАВЛЯЮЩЕЙ СОБОЙ КОРИУМ Российский патент 2018 года по МПК F27B14/06 H05B6/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к электромагнитной индукционной печи, предназначенной для расплавления по меньшей мере одного электропроводящего материала, например, оксида и/или металла, которая содержит по меньшей мере один индуктор, имеющий по меньшей мере один виток, и по меньшей мере один контур охлаждения, пригодный для охлаждения по меньшей мере одного индуктора.

В частности, данное изобретение относится к использованию в по меньшей мере одном из контуров охлаждения новой теплопередающей текучей среды.

Одна из печей, на которую в частности направлено данное изобретение, представляет собой печь, называемую печью с холодным тиглем, которую также называют печью с внутренним тиглем (анг.self-crucible).

Хотя данное изобретение описано в отношении печи с холодным тиглем, оно также применимо к любой электромагнитной индукционной печи, независимо от того, изготовлена ли она с тиглем, т.е. с физическими стенками, образующими контейнер, например, с тиглем, выполненным из огнеупорного материала или металла, или она изготовлена без тигля.

Одним из особенно предпочтительных целевых применений является плавление смеси металла (металлов) и оксида (оксидов), например, оксида урана UO₂, которая является типичной для кориума, с целью изучения взаимодействий кориума с теплопередающей текучей средой, например, с жидкой водой или натрием. Кориум представляет собой смесь расплавленных материалов (UO₂, ZrO₂, Zr, сталь), которая в случае серьезных аварий ядерного реактора может образовываться во время расплавления совокупности ядерного топлива и стержней регулирования мощности реактора.

Хотя данное изобретение описано в отношении расплавления кориума, данное изобретение также применимо к индукционной плавке любого электропроводящего материала, при которой требуется контур охлаждения. Таким образом, в частности данное изобретение относится к печам, применяемым в литейном производстве или металлургии.

Уровень техники

В литейном производстве или в области техники, связанной с металлургией, при изготовлении материалов их, как правило, требуется расплавлять и сохранять в жидком состоянии в течение достаточно длительного времени, чтобы получить гомогенизацию жидкости в отношении различных составляющих или температуры, или чтобы обеспечить возможность протекания химических реакций в этой жидкости. Чтобы сделать это, важно, чтобы в результате турбулентного перемешивания жидкость перемешалась. Таким образом, в этих областях широко распространенным способом расплавления больших масс металла является индукционный нагрев в тигельной печи. Основное преимущество этого способа заключается в простоте его использования, эффективности и в том факте, что он обеспечивает отсутствие какого-либо контакта между источником тепловой энергии и металлом.

Фиг. 1 иллюстрирует индукционную печь 1, содержащую тигель 2, предназначенный для вмещения садки 3, то есть электропроводящего материала определенной массы и объема. Тигель 2 окружен индуктором 4, питаемый переменным током определенной высокой частоты, предназначенным для нагревания при помощи электромагнитной индукции садки 3, содержащейся в тигле.

Как показано на фиг. 1, стенки тигля изготовлены из огнеупорного материала, например, из графита. Один из недостатков таких тиглей состоит в том, что их стенки нагреваются до температуры садки. Таким образом, огнеупорный материал, образующий эти стенки, и содержащиеся в нем примеси, могут диффундировать в садку, что весьма нежелательно в том случае, если тигли предназначены для вмещения материалов, обладающих высокой реакционной способностью, например, сплавов на основе титана или кремния, обрабатываемых с целью получения продукта очень высокой степени чистоты. Это также нежелательно в данной области применения, в которой существует необходимость осуществления расплавления смеси металла и оксидов, которая является типичной для кориума (UO₂, ZrO₂, Zr, сталь). Однако возникает не только проблема диффузии в садку из огнеупорного материала. Температура, которую необходимо достичь для расплавления активной зоны реактора, составляет порядка 3000 К, причем температура плавления UO₂ имеет такой же порядок величины. Из-за присутствия металла, имеющего высокую температуру, такую температуру не способен выдержать ни один огнеупорный материал, исключая оксид тория (ThO₂), использование которой представляется невозможным ввиду радиоактивной природы тория (Th).

Таким образом, возможное решение для осуществления плавления реакционноспособных материалов с использованием огнеупорных материалов и/или материалов, имеющих очень высокую температуру плавления, состоит в использовании тигля, который основан на использовании того же принципа индукционного нагрева, но который называют холодным тиглем или тиглем с охлаждаемыми стенками. Литература также относится к индукционной печи такого типа, в которой расплав в тигле отделен от стенки тигля слоем нерасплавленного материала, так как по внутренней периферии печи напротив охлаждаемых стенок образуется отвержденный слой фактического материала садки, который можно рассматривать, как слой, образующий внутреннюю стенку тигля. Печи с холодным тиглем уже были испытаны с небольшими садками металла, как правило, составляющими несколько десятков килограмм.

Такой холодный тигель 1' показан на фиг. 2 в виде сверху: тигель 2 образован стенкой, изготовленной из электропроводящего материала и разделенной в вертикальном направлении на несколько полых продольных секций 20, электрически изолированных друг от друга. Как правило, эти секции 20 изготовлены из металла, например, из меди, преимущество которой состоит в том, что она имеет низкое электрическое сопротивление и хорошие теплообменные свойства. Кроме того, внутри через эти секции проходит поток охладителя (на чертеже это не показано), обычно представляющего собой воду. Благодаря этому охладителю внутренняя поверхность секций 20 может находиться в контакте с жидкой садкой при температуре значительно ниже температуры плавления садки, обычно ниже 300°С.

Тигель 2 расположен внутри индуктора 4, питаемого переменным током I, который создает в секциях 20 индуцированные токи I. Токи I, текущие через внутреннюю стенку тигля, замыкаются и создают в ней магнитное поле. Таким образом, высокочастотный ток, текущий в индукторе 4, создает в каждой секции 20 периферический ток. На внутренней стенке каждой секции 20 имеется ток I, равный току, текущему в индукторе, умноженному на количество витков индуктора. Все токи на внутренней периферии каждой секции 20 создают электромагнитное поле, пригодное для нагревания содержащейся в тигле садки. Действительно, любой электропроводящий материал в таком тигле представляет собой местоположение индуцированных токов, что во взаимодействии с магнитным полем, созданным индуктором 4, ведет к появлению электродвижущих сил, известных, как силы Лапласа. Таким образом, индуцированные токи обеспечивают возможность нагревания материала (материалов) садки до тех пор, пока не произойдет расплавление, и жидкая садка перемешается благодаря силам Лапласа.

Благодаря контуру охлаждения температура внутренней поверхности секций 20 намного ниже температуры расплавленной садки, при этом происходит быстрое твердение расплавленного материала в контакте с секциями 20 тигля 2 и нижней частью печи, называемой подом, что создает твердый диффузионный барьерный слой, предотвращающий любую химическую активность между материалом секций и расплавленным материалом. Другими словами, в результате отвердевания садки создается тонкая корка толщиной несколько миллиметров.

Таким образом, печи с холодным тиглем обладают всеми преимуществами вышеупомянутых индукционных печей с огнеупорным тиглем, которые заключаются, например, в использовании при высоких температурах, в дополнение к высокой чистоте садки благодаря отсутствию загрязнения от тигля, и осуществлении перемешивания, дающего однородный состав расплавленной жидкой садки, улучшающего теплообмен и, следовательно, увеличивающего равномерность температуры.

Кроме того, печи с холодным тиглем, называемые левитационными печами, могут работать по принципу левитационной плавки. В частности, внутренние стенки тигля могут иметь коническую форму к нижней части тигля, так что у нижней части поперечное сечение тигля меньше, чем в верхней части. Несмотря на это, в принципе по оси тигля произведение магнитного поля на поперечное сечение тигля по существу постоянно. Результатом этого является то, что в направлении от верхней части к нижней части тигля магнитное поле значительно увеличивается. Эта конфигурация превосходно подходит для левитации материала, так как индуцированные силы отталкивания, т.е. силы Лоренца, в электропроводящем материале, помещенном в тигель, очень велики в нижней части материала и уменьшаются по направлению к верхней части. Следовательно, в таком тигле электропроводящий материал в твердой или жидкой форме может быть сохранен со стабильной левитацией. Так как тигель находится в холодном состоянии, любое прерывание питания неопасно, поскольку жидкость, разливающаяся в тигле, затвердевает. Посредством повторного включения индуктора материал может быть снова расплавлен и возобновить левитацию. В состоянии левитации материал можно ввести в контакт с контролируемой атмосферой, чтобы он не подвергался деградации. Кроме того, электромагнитные силы вызывают в расплавленной жидкости турбулентное перемешивание. Следовательно, можно получить условия перемешивания, позволяющие достичь высокой степени чистоты: плавление происходит без контакта, а теплообмен между материалом и тиглем происходит посредством излучения и поэтому остается весьма ограниченным.

Существуют также печи, работающие по принципу левитации, но не имеющие тигля. На фиг. 3 изображена такая бестигельная левитационная печь 1ʺ. Как показано на этом чертеже, единственный индуктор (индукционная катушка) 4 такой печи 1ʺ содержит шесть витков 41, 42, 43, 44, 45, 46. Чтобы электромагнитная левитация электропроводящего материала, помещенного внутрь индуктора, происходила при помощи сил Лапласа надлежащим образом, индуктор (катушка) 4 должен (должна) иметь коническую форму, сужающуюся на нижней части, поэтому эта катушка имеет такую форму, что диаметр нижних витков 41, 42, 43 увеличивается. Благодаря конической форме, ограниченной нижними витками 41, 42, 43, когда катушку 4 питают переменным током, возникают силы Лапласа, толкающие расплавляемую садку 3, показанную на фиг. 3 в виде сферы, по существу вверх. Эти силы Лапласа противодействуют силе тяжести. Кроме того, чтобы садка 3 не могла быть вытолкнута из катушки 4, необходимо создать силы, возвращающие ее назад, вниз. Для этого над садкой 3 токи реверсируют посредством изготовления петли в обмотке. Таким образом, как показано на фиг. 3, витку 44 придают форму петли 44i, расположенной вне оси намотки других витков. В этом случае токи на этом уровне текут в противоположном направлении и создают в садке 3 другие силы Лапласа, толкающие ее вниз. Таким образом, посредством обеспечения точных размеров витков 41, 42, 43, 44, 45, 46 с петлей 44i для реверсирования тока создают равновесие между силами, направленными вверх, и силами, направленными вниз, которые прикладывают к садке 3, чтобы сделать возможной ее левитацию.

Кроме того, такая бестигельная печь 1ʺ содержит контур охлаждения, проходящий внутри индуктора 4. Таким образом, как изображено на фиг. 3, витки 41-46 представляют собой полые витки, и вода, в качестве теплопередающей текучей среды, проникает во входное отверстие 50 на нижнем конце витков и выходит из них через выходное отверстие 51. Таким образом, поток воды, текущий через индуктор 4, делает возможным охлаждение индуктора 4 во время его работы.

До сих пор в качестве охладителя для тигля и/или индуктора вышеописанных индукционных печей использовалась вода. Конечно, в целом вода достаточна для температур плавления электропроводящих материалов, которые требуется расплавлять.

По причинам, упомянутым в предыдущем разделе, в рамках данного изобретения была рассмотрена необходимость найти другую теплопередающую текучую среду для замены воды, как правило, деионизированной воды, в контуре охлаждения индукционной печи.

Таким образом, в рамках данного изобретения необходимо было не предложить оборудование для фактической операции плавления кориума, но, в дополнение, это оборудование должно было обеспечить, среди прочего, возможность исследовать взаимодействие расплавленного кориума с натрием. Таким образом, такое оборудование используется для того, чтобы извлекать расплавленный кориум посредством слива из печи в контейнер, заполненный натрием. Однако, общеизвестно, что натрий сильно реагирует с водой. По этой причине правила техники безопасности запрещают любое использование воды при наличии натрия, следовательно, это относится и к предлагаемому оборудованию.

В патенте ЕР 1 419 675 В1 раскрывается решение, заключающееся в использовании тепловых труб в качестве охлаждающих элементов, чтобы уменьшить количество воды в контурах охлаждения печей с холодным тиглем. К предлагаемому оборудованию это раскрытое решение не может применяться, поскольку жидкость, имеющаяся в теплопроводах, по-прежнему представляет собой воду, строго запрещаемую правилами.

Усовершенствование технического решения по документу ЕР 1 419 675 В1 с целью соответствия этим правилам может состоять в замене воды в тепловых трубах другой жидкостью. Однако это привело бы к проблемам с охлаждением самих тепловых труб.

Более того, если вышеописанное охлаждение индукционных печей осуществляется при помощи воды, то оно не только требует замены воды другим теплопередающей текучей средой для выполнения правил техники безопасности, но и не является оптимальным с точки зрения теплового баланса. Действительно, вода имеет низкую теплоемкость Ср, поэтому в индукционной печи, в особенности в тигельной индукционной печи, имеющей неуменьшенные размеры, охладитель далеко не однороден по всей высоте печи и/или индуктора (индукторов).

Таким образом, существует необходимость применять в индукционных печах, в особенности в печах с холодным тиглем, не воду, а другую теплопередающую текучую среду или, другими словами, охладитель.

В частности существует необходимость в теплопередающей текучей среде, которая не является электропроводящей, чтобы во время работы печей предотвратить любые помехи из-за электромагнитной индукции.

Раскрытие изобретения

Для обеспечения этого, изобретение, в соответствии с одним из его аспектов, относится к электромагнитной индукционной печи, предназначенной для расплавления по меньшей мере одного электропроводящего материала, например, оксида и/или металла, содержащей по меньшей мере один индуктор, имеющий по меньшей мере один виток и по меньшей мере один контур охлаждения, пригодный для охлаждения по меньшей мере одного индуктора, и отличающейся тем, что теплопередающая текучая среда по меньшей мере одного контура охлаждения представляет собой сверхкритический СО₂.

Под выражением ʺсверхкритический СО₂ʺ понимается СО₂ в сверхкритической фазе, то есть при таком давлении и такой температуре, которые выше критической точки углекислого газа, которая характеризуется давлением Рс порядка 73 бар и температурой Тс порядка 31°С.

Иначе говоря, данное изобретение состоит в том, чтобы использовать в индукционной печи охлаждение при помощи сверхкритического СО₂, которое, прежде всего, делает возможным повышение безопасности печи посредством

- предотвращения взрывов паров и аэрозолей расплавленной жидкости,

- усовершенствования детекции утечек, в особенности, если теплопередающая текучая среда представляет собой воду, так как в известном уровне техники определить небольшую утечку трудно, в то время как определение СО₂ при помощи детекторов и удаление его при помощи вентиляционной системы, расположенной вокруг печи, трудности не представляет.

Кроме того, предлагаемое использование сверхкритического СО₂ в индукционной печи, будучи безопасным, улучшает общее охлаждение печи по сравнению с охлаждением при помощи деминерализованной воды в соответствии с существующим уровнем техники. Действительно, сверхкритический СО₂ также дает преимущество, заключающееся в том, что он имеет высокую теплоемкость Ср, обычно в диапазоне порядка от 30 до 40 кДж/кг при температуре приблизительно 35°С и давлении 80 бар, которая намного больше теплоемкости воды. Это увеличивает степень свободы при конструировании индукционных печей. В частности, диаметр секций стенки тигля и витков индуктора в печи с холодным тиглем может быть меньше, чем диаметр в соответствии с существующим уровнем техники. Таким образом, в соответствии с данным изобретением можно увеличить количество витков индуктора (индукторов) секций стенок тигля и сделать трубы контура (контуров) охлаждения менее громоздкими. Кроме того, при помощи сверхкритического СО₂, применяемого в качестве теплопередающей текучей среды, расход можно адаптировать так, чтобы оптимизировать теплоемкость в центре тигля печи, представляющем собой зону, имеющую максимальную температуру. Таким образом, благодаря данному изобретению температура в тигле индукционной печи более равномерна, чем в тигле, выполненном в соответствии с уровнем техники.

Предлагаемое охлаждение индукционной печи при помощи сверхкритического СО₂ имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что его могут осуществлять в промышленных масштабах, так как это охлаждение отличается чистотой, скоростью, его можно контролировать, и оно требует очень небольшого количества материалов (небольшого объема сверхкритического СО₂), в отличие от охлаждения в соответствии с уровнем техники. Кроме того, преимущество сверхкритического СО₂ состоит в том, что его могут без труда использовать повторно.

Сверхкритический СО₂ применяется в широких масштабах для замены гидрофторуглеродов в качестве охладителя в автомобильных системах кондиционирования воздуха. Кроме того, как показано в патентной заявке ЕР 1 762 809, его уже применяли в качестве охладителя в теплообменниках. Наконец, его все больше применяют в качестве растворителя в промышленной химии [1]. Как ни странно, использование сверхкритического СО₂ в печи, тем более в индукционной печи, никогда не рассматривалось. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения печь содержит по меньшей мере один индуктор, имеющий по меньшей мере два последовательных витка, направление намотки которых изменено на обратное посредством образования петли с целью изменения на обратное направления электрического тока, проходящего через эти витки, для образования левитационной печи.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения печь содержит тигель для вмещения расплавляемого материала.

В соответствии с этим примером осуществления и одним из предпочтительных вариантов печь содержит контур охлаждения, пригодный для охлаждения стенок тигля.

Стенки тигля предпочтительно изготовлены из электропроводящего материала, предпочтительно из меди, чтобы образовывать печь с холодным тиглем.

Стенки тигля или внутреннего тигля предпочтительно содержат нижнюю часть, называемую подом. Под может выполнен съемным или содержать одно или несколько сквозных отверстий для выгрузки по меньшей мере одного расплавленного материала.

Под предпочтительно изготовлен из электропроводящего материала, предпочтительно из меди.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения печь содержит индуктор, выполненный с возможностью работы одновременно по меньшей мере на двух разных частотах.

Альтернативно в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения печь содержит по меньшей мере два индуктора, выполненных с возможностью работы одновременно на разных частотах.

Предпочтительно одна из рабочих частот пригодна для расплавления одного или более металлов, а другая рабочая частота пригодна для расплавления одного или более оксидов.

Рабочая частота или рабочие частоты по меньшей мере одного индуктора предпочтительно находятся в диапазоне от 10 до 500 кГц.

Изобретение, в соответствии с другими из его аспектов, относится к процессу эксплуатации вышеописанной печи, в котором обеспечивают циркуляцию сверхкритического СО₂ под давлением в диапазоне от его критического давления Рс порядка 73 бар до давления 100 бар и при температуре в диапазоне от его критической температуры Тс порядка 31°С на входном отверстии по меньшей мере одного контура охлаждения до температуры 50°С на выходном отверстии по меньшей мере одного контура охлаждения, так чтобы иметь удельную теплоемкость Ср сверхкритического СО₂ по меньшей мере равной 4 кДж кг^-1.

Изобретение, в соответствии с другими из его аспектов, относится к процессу эксплуатации вышеописанной печи, в котором обеспечивают циркуляцию переменного тока циркулирует по меньшей мере в одном индукторе одновременно по меньшей мере на двух разных частотах.

Наконец, изобретение относится к использованию вышеописанной печи для расплавления смеси по меньшей мере одного или более металлов с одним или более оксидами.

Эта смесь может представлять собой смесь металлов (сталь, цирконий и т.д.), оксидов (оксид урана UO₂, двуоксид циркония и т.д.) и компонентов цемента, причем смесь является типичной для кориума.

Осуществление изобретения

Другие преимущества и признаки станут более ясными при прочтении подробного описания, которое дается в качестве примера и не носит ограничительного характера. В описании имеются ссылки на нижеследующие чертежи.

Фиг. 1 представляет собой изображение в аксонометрии с частичным разрезом тигельной печи с электромагнитным индукционным нагревом, в которой может быть применен предлагаемый контур охлаждения.

Фиг. 2 представляет собой схематичный вид сверху тигельной печи, также оснащенной электромагнитным индукционным нагревом, которая образует печь с холодным тиглем, и в которой также может быть применен предлагаемый контур охлаждения.

Фиг. 3 представляет собой изображение в аксонометрии бестигельной индукционной печи, которая образует левитационную печь, и в которой также может быть применен предлагаемый контур охлаждения.

Фиг. 4 представляет собой изображение в аксонометрии печи с холодным тиглем, содержащей предлагаемый контур охлаждения.

Фиг. 5 представляет собой изображение в аксонометрии двух идентичных индукторов, имеющих спиральные витки, которые могут быть расположены концентрически друг в друге, вокруг предлагаемой индукционной печи.

Фиг. 6 иллюстрирует кривую изменения теплоемкости Ср сверхкритического СО₂, применяемого в соответствии с данным изобретением в качестве охладителя для индукционной печи.

Фиг. 7 иллюстрирует кривую изменения температуры сверхкритического СО₂ в канале заданных размеров и при данном расходе, а также (для сравнения) кривую изменения температуры воды при эквивалентных размерах канала и эквивалентных условиях в отношении расхода.

В данном документе термины ʺвертикальныйʺ, ʺнижнийʺ, ʺверхнийʺ, ʺверхняя частьʺ, ʺверхʺ, ʺнижеʺ и ʺвышеʺ даются относительно индукционной печи, имеющей вертикальную рабочую конфигурацию. Таким образом, в рабочей конфигурации печь расположена вертикально, а ее нижняя часть, через которую выгружают расплавленный материал, направлена вниз.

Комментарии к фиг. 1-3 были даны во вводной части. Поэтому ниже они не описываются подробно.

На фиг. 4 изображена печь 1' с холодным тиглем, содержащая по меньшей мере один контур 5 охлаждения, выполненный в соответствии с данным изобретением, то есть контур охлаждения, в котором теплопередающая текучая среда представляет собой сверхкритический СО₂. Предпочтительно такая печь 1' предназначена для расплавления садки, содержащей смесь металла (металлов) и оксид (оксидов), например, оксид урана UO₂, и является типичной для кориума.

Печь 1' содержит медный тигель 2, окруженный индуктором, т.е. индукционной катушкой 4, имеющей по меньшей мере один виток. В показанном примере индуктор 4 содержит семь последовательных витков 41-47, которые идентичны друг другу и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

Хотя на чертеже это не показано, боковая стенка 2 разделена на некоторое количество идентичных секций 20. В примере, изображенном на фиг. 4, это количество равно 8.

Кроме того, тигель 2 содержит нижнюю часть, называемую подом. Нижняя часть здесь не показана. Нижняя часть может выполнена съемной или через нее может проходить одно или более сквозных отверстий для обеспечения возможности выгрузки материала или смеси материалов, коль скоро этот материал или эти материалы в результате плавления находятся в жидком состоянии.

Посредством такого разделения боковой стенки тигля 2 на секции 20, если переменный ток проходит по витку (виткам) индуктора 4, индуцированные токи не остаются локализованными на периферии тигля, а проходят по каждой секции 20, как пояснено в преамбуле в связи с фиг. 2. Таким образом, ток I, проходящий через индуктор 4 (катушку), индуцирует в тигле 2 ток, который в свою очередь индуцирует ток внутри садки, содержащей по меньшей мере один размещенный в тигле электропроводящий материал. Таким образом, садка плавится благодаря эффекту Джоуля. Если расплавленная садка стала жидкой, она входит в контакт со стенками тигля 2, охлаждаемыми при помощи контура 5 охлаждения, который отверждает ее, создавая, таким образом, внутренний тигель, то есть твердый слой, полученный из материала или материалов садки, введенных вначале в тигель 2.

Предпочтительно такую печь 1ʺ с холодным тиглем применяют для расплавления садки, содержащей смесь оксида урана и металла и являющейся типичной для кориума. Действительно, температура плавления оксида урана составляет порядка 2865°С, то есть намного больше температуры плавления металлов, в частности нержавеющей стали. При таких температурах металл характеризуется нулевым коэффициентом турбулентной вязкости, то есть он может приникнуть в самую узкую трещину тигля. Посредством образования внутренного тигля обеспечивают то, что металл, присутствующий в садке и подлежащий расплавлению, ни в коем случае не может воздействовать на металл, образующий стенки тигля, при этом, с другой стороны, смесь материалов сохраняет свою первоначальную чистоту.

Предпочтительно между двумя последовательными (смежными) секциями (20) расположен элемент (на чертеже не показан), изготовленный из электроизоляционного материала. Этот изолирующий элемент предназначен не только для предотвращения утечек и уменьшения тепловых потерь, но и для минимизации образования электродуги между медными секциями 20 во время работы печи.

Как показано на фиг. 4, контур 5 охлаждения, выполненный в соответствии с данным изобретением и содержащий сверхкритический СО₂, разделен на множество охлаждающих секций, расположенных по периферии секций 20 тигля 2. В показанном примере количество охлаждающих секций 5.1-5.8 равно количеству медных секций 20, то есть оно равно восьми. В частности, как показано на фиг. 4, каждая секция 5.1-5.8 содержит три трубы, которые соединены вне секции 20 боковой стенки печи 2 и сообщаются с общим коллектором. Трубы предпочтительно изготовлены из электропроводящего материала, предпочтительно из меди. Что касается способа прикрепления труб к стенкам печи 2, то можно использовать любые известные средства. Например, можно использовать крепления при помощи пластин, изготовленных из теплоизолирующего материала, выдерживающего высокие температуры.

Таким образом, в соответствии с изобретением во время работы печи в каждой трубе охлаждающих секций 5.1-5.8 циркулирует сверхкритический СО₂.

Кроме того, в соответствии с изобретением можно использовать охлаждение витков 41-48 индуктора при помощи дополнительного контура охлаждения внутри индуктора 4. Другими словами, можно использовать циркуляцию сверхкритического СО₂ в витках 41-48 индуктора 4.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, если расплавляемая садка содержит смесь оксидов и по меньшей мере один металла, например, смесь, которая является типичной для кориума, то создают переменный ток, текущий в индукторе 4 одновременно по меньшей мере на двух разных частотах. Действительно, температура металла, например, стали, как правило, составляющая приблизительно 1300°С, значительно ниже температуры оксидов, например, оксида урана UO₂, составляющей приблизительно 2865°С.

Таким образом, подавая ток на двух разных частотах, одна из которых пригодна для индукционной плавки металла (металлов), а другая - для индукционной плавки оксидов, обеспечивают одновременное расплавление компонентов смеси с обеспечением то же время смешения и, таким образом, однородной смеси. Кроме того, обеспечивают то, что на протяжении процесса расплавления металл или металлы не входят в прямой контакт со стенками тигля. Действительно, с одной стороны, в случае одного и того же материала, чем ниже индукционная частота, тем в большей степени электромагнитная волна проникает в этот материал и, следовательно, вызывает нагревание в материале благодаря эффекту теплового действия тока. Кроме того, как указано выше, вследствие разности температур плавления, оксиды требуют более высоких, а металл (металл) - более низких частот индукции. Наконец, поскольку процесс расплавления в печи начался, когда оксиды начинают плавиться, металл (металлы) имеют нулевой коэффициент вязкости. Таким образом, при использовании одной индукционной частоты для работы печи в соответствии с данными изобретением сохраняется риск просачивания расплавленного металла (расплавленных металлов) в тончайшие трещины, имеющиеся в стенках тигля. Кроме того, существует риск агломерации металла (металлов) на стенках, которая может вызывать вредный эффект создания экрана для электромагнитных волн и, возможно, износа индуктора. Таким образом, благодаря тому, что в соответствии с изобретением печь работает на двух разных частотах, этих рисков можно избежать или по меньшей мере сильно снизить: на протяжении процесса расплавления металл (металлы) отталкивается (отталкиваются) назад, внутрь тигля. Таким образом, в равновесной системе расплавленных компонентов получают однородную смесь.

Таким образом, предпочтительно рабочие частоты индуктора 4 находятся в диапазоне от 10 до 500 кГц. Эффективная рабочая частота составляет приблизительно 100 кГц.

В качестве варианта можно предусмотреть использование двух отдельных индукторов, один из которых работает на частоте, пригодной для индукционного расплавления металла (металлов), а другой работает на частоте, пригодной для индукционного расплавления оксидов. Этот вариант становится возможным благодаря использованию сверхкритического СО₂, который, благодаря его большей эффективности, обеспечивает возможность уменьшения диаметра витков в два раза. На фиг. 5 изображено два идентичных индуктора 4А, 4В, каждый из которых имеет шесть спиральных витков 41-46, которые вместо одного индуктора 4 могут быть расположены концентрически внутри друг друга, вокруг вышеописанного тигля 2. Благодаря использованию в соответствии с данным изобретением суперкритического СО₂ в качестве охладителя, можно использовать диаметр ∅ витков двух индукторов 4А, 4В, в два раза меньший, чем диаметр витков одного индуктора 4.

На фиг. 6 наглядно показано существенное преимущество использования в качестве охладителя для индукционной печи суперкритического СО₂ вместо воды благодаря его удельной теплоемкости Ср. Таким образом, из кривой, изображенной на фиг. 6, следует, что теплоемкость Ср очень сильно увеличивается при температуре от 30 до 40°С и достигает почти 35 кДж кг^-1, т.е. значение, в 10 раз большее, чем теплоемкость воды. Следовательно, в соответствии с изобретением можно обеспечить весьма существенное уменьшение диаметра секций 20 стенок тигля и/или диаметра витков индуктора 4 до двух раз относительно размеров существующих печей с холодным тиглем.

Дополнительно на фиг. 7 показано сравнение изменения температуры текучей среды в канале данных размеров при данном расходе соответственно для суперкритического СО₂ в соответствии с данным изобретением и для эквивалента (диаметр и расход), в котором в соответствии с уровнем техники применяют воду. Видно, что температура воды изменяется по линейному закону, в то время как температура суперкритического СО₂ повышается быстрее из-за увеличения его теплоемкости в зависимости от температуры. Отсюда можно сделать вывод, что при помощи сверхкритического СО₂ расход можно адаптировать так, чтобы оптимизировать теплоемкость в центре тигля 2 индукционной печи, иначе говоря, в местоположении, имеющем максимальную температуру. Таким образом, преимущество, следующее из использования суперкритического СО₂ в качестве охладителя для индукционной печи, заключается в том, что температура в тигле получается более равномерной.

Данное изобретение не ограничивается вышеописанными примерами. В частности признаки показанных примеров можно комбинировать друг с другом в вариантах, которые не показаны.

Приведенные ссылки

[1]: ʺUtilisation du CO2 supercritique comme solvant de substitutionʺ [Использование сверхкритического СО₂ в качестве альтернативного растворителя], Guy LUMIA, Techniques de I'lngenieur In5

Изобретение относится к области металлургии и может быть применено к индукционной плавке любого электропроводящего материала, в т.ч. и кориума. Электромагнитная индукционная печь содержит тигель для вмещения расплавляемой смеси и контур охлаждения для охлаждения стенок тигля с теплопередающей текучей средой, представляющей собой сверхкритический CO₂. Способ охлаждения печи включает обеспечение циркуляции сверхкритического СО₂ под давлением в диапазоне от его критического давления Рс порядка 73 бар до давления 100 бар и при температуре в диапазоне от его критической температуры Тс порядка 31°C на входном отверстии указанного по меньшей мере одного контура охлаждения до температуры 50°C на выходном отверстии указанного упомянутого контура охлаждения с обеспечением удельной теплоемкости Ср сверхкритического CO₂, по меньшей мере равной 4 кДж⋅кг^-1. Для расплавления смеси в печи обеспечивают прохождение переменного тока по виткам по меньшей мере одного индуктора, одновременно по меньшей мере на двух разных частотах, одна из которых пригодна для плавки указанного по меньшей мере одного металла, а другая - для плавки указанного по меньшей мере одного оксида. Изобретение позволяет создать контур охлаждения с теплопередающей текучей средой, которая не является электропроводящей, для предотвращения любых помех из-за электромагнитной индукции. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электромагнитная индукционная печь (1, 1, 1''), предназначенная для расплавления смеси, состоящей из по меньшей мере одного металла и по меньшей мере одного оксида, содержащая по меньшей мере один индуктор (4, 4А, 4В), имеющий по меньшей мере один виток (41-47) и по меньшей мере один контур (5) охлаждения, пригодный для охлаждения по меньшей мере индуктора, при этом указанная печь содержит тигель для вмещения расплавляемой смеси и контур охлаждения для охлаждения стенок тигля с теплопередающей текучей средой, отличающаяся тем, что теплопередающая текучая среда по меньшей мере указанного контура (5; 5.1-5.8) охлаждения тигля представляет собой сверхкритический CO₂.

2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один индуктор имеет по меньшей мере два последовательных витка, направления намотки которых изменены на обратное посредством образования петли (44i) с целью изменения направления электрического тока, проходящего через них, на обратное для образования левитационной печи.

3. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что стенки (20) тигля изготовлены из электропроводящего материала, предпочтительно изготовлены из меди для образования печи с холодным тиглем.

4. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что стенки тигля или внутреннего тигля содержат нижнюю часть, называемую подом.

5. Печь по п. 4, отличающаяся тем, что указанный под выполнен съемным.

6. Печь по п. 4, отличающаяся тем, что под содержит одно или более сквозных отверстий для выгрузки по меньшей мере расплавленной смеси.

7. Печь по п. 5, отличающаяся тем, что под изготовлен из электропроводящего материала, предпочтительно изготовлен из меди.

8. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что индуктор выполнен с возможностью работы одновременно по меньшей мере на двух разных частотах.

9. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере два отдельных индуктора (4А, 4В) выполнены с возможностью работы одновременно на разных частотах.

10. Печь по п. 8, отличающаяся тем, что одна из рабочих частот пригодна для расплавления указанного по меньшей мере одного металла, а другая рабочая частота пригодна для расплавления указанного по меньшей мере одного оксида.

11. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что рабочая частота или рабочие частоты по меньшей мере одного индуктора находятся в диапазоне от 10 до 500 кГц.

12. Способ охлаждения электромагнитной индукционной печи по п. 1, включающий обеспечение циркуляции сверхкритического СО₂ под давлением в диапазоне от его критического давления Рс порядка 73 бар до давления 100 бар и при температуре в диапазоне от его критической температуры Тс порядка 31°C на входном отверстии указанного по меньшей мере одного контура охлаждения до температуры 50°C на выходном отверстии указанного упомянутого контура охлаждения с обеспечением удельной теплоемкости Ср сверхкритического CO₂, по меньшей мере равной 4 кДж⋅кг^-1.

13. Способ расплавления смеси, состоящей из по меньшей мере одного металла и по меньшей мере одного оксида, в электромагнитной индукционной печи по п. 1, заключающийся в том, что обеспечивают прохождение переменного тока по виткам по меньшей мере одного индуктора, одновременно по меньшей мере на двух разных частотах, одна из которых пригодна для плавки указанного по меньшей мере одного металла, а другая - для плавки указанного по меньшей мере одного оксида.

14. Применение печи по п. 1 для расплавления смеси, состоящей из по меньшей мере одного металла и по меньшей мере одного оксида, причем смесь представляет собой смесь металлов, таких как сталь или цирконий с оксидами, такими как оксид урана UO₂ или циркония, и компонентов цемента, причем смесь является типичной для кориума.