WO2025186641A1 - Compact solar reactor for recycling metals - Google Patents
Compact solar reactor for recycling metalsInfo
- Publication number
- WO2025186641A1 WO2025186641A1 PCT/IB2025/051401 IB2025051401W WO2025186641A1 WO 2025186641 A1 WO2025186641 A1 WO 2025186641A1 IB 2025051401 W IB2025051401 W IB 2025051401W WO 2025186641 A1 WO2025186641 A1 WO 2025186641A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- crucible
- envelope
- isolation valve
- gas
- path
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
- F27B14/00—Crucible or pot furnaces
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
- F27B14/00—Crucible or pot furnaces
- F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
- F27B14/14—Arrangements of heating devices
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
- F27B17/00—Furnaces of a kind not covered by any of groups F27B1/00 - F27B15/00
- F27B17/02—Furnaces of a kind not covered by any of groups F27B1/00 - F27B15/00 specially designed for laboratory use
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
- F27B14/00—Crucible or pot furnaces
- F27B2014/002—Smelting process, e.g. sequences to melt a specific material
Definitions
- Metal Simple body, endowed with a particular luster (metallic luster), good conductor of heat and electricity, and forming, by combination with oxygen, basic oxides.
- Alloy A metallic product obtained by incorporating one or more elements into a main component which is a metal.
- Step an alloy whose main component is iron and containing a small amount of carbon (between 0.02% and 2% by mass).
- Stainless steel steel containing chromium (at least 10.5% by mass).
- Titanium alloy an alloy whose main component is titanium.
- “Crucible” a heat-resistant or refractory container capable of containing molten metal.
- “Means of tilting a crucible” mechanical means allowing the tilting of a crucible filled with molten metal to pour this metal into a mold or ingot mold.
- “Smelting or smelting or steelmaking under controlled atmosphere” Technique consisting of enveloping a crucible and its tilting means with a fluid-tight envelope or shell making it possible to isolate the crucible and the tilting means from the atmosphere outside the shell to operate inside the shell, either under vacuum (VIM melting technique or in English
- Isolation valve or "gas isolation valve”: A gas-tight valve used or usable for VIM technology.
- Refractory means a property of resistance of a material, particularly to heat.
- Slag refers to the slag on the surface of a molten metal. This application concerns the field of recycling of high-quality alloys and metals such as stainless steel grades or titanium alloys.
- This application relates more particularly to the recycling of scraps and chips of high-quality alloys and metals by melting these materials using solar energy supplied by a concentrator, in a solar reactor.
- These systems usually include a crucible, a raw material feed chamber for the crucible, a means for heating the crucible by electrical induction and a pourer or mechanical means for tilting the crucible to pour its contents in the form of liquid phase metal into a mold or ingot mold in which the ingots are cooled in the form of solid phase metal ingots.
- VIM controlled atmosphere or vacuum
- all of these elements are enclosed in a gas-tight shell or envelope.
- a layer of vacuum or inert gas ensures optimal thermal insulation between the crucible and its contents and an ambient atmosphere surrounding the shell.
- the conversion efficiency of the heat energy communicated to the contents of the crucible relative to the electrical power supply is thus optimal.
- the heat exchanges between the crucible and the envelope are reduced to radiation between the crucible and the shell.
- the prior art discloses systems in which a shell, made of a heat-refractory and poorly thermally conductive material, is in mechanical contact with a crucible contained in the shell.
- a shell made of a heat-refractory and poorly thermally conductive material
- the art prior to the present application finally discloses less bulky solar reactors operating under a controlled atmosphere, for the melting of metal by means of solar energy, which consist of a crucible and a casing or shell, containing the crucible, in mechanical contact with the crucible and provided with a removable cover comprising a transparent window.
- the compactness is optimal between the shell and the crucible, these two elements being in mechanical contact.
- the dimensioning of the crucible is therefore defined by the maximum volume of the quantity, that is to say the weight of metallic material to be produced per casting. As this volume of material is maximum for chips of material, the dimensioning of a crucible in a solar reactor is therefore governed by the volume of chips of a weight to be produced per casting.
- the ratio between the weight of the molten material and the volume of the crucible used to melt it under a controlled atmosphere is therefore, for the prior art, a constant in the field of solar reactors operating under a controlled atmosphere. This constant is equal in the prior art to the density of the chips.
- the invention relates to:
- a device for melting a metal by means of solar energy comprising a crucible adapted to contain a molten metal and a gas-tight envelope, wherein the envelope contains the crucible, wherein the crucible is in mechanical contact with the envelope, wherein the envelope comprises a first path configured for the entry, into the envelope and inside the crucible, of metallic material in divided solid form, a second path configured for the exit, out of the crucible and out of the envelope, of metallic material in liquid form and a third optical path configured for the entry, into the envelope and inside the crucible, of sunlight, wherein the first path comprises a first isolation valve for gases, wherein the second path comprises a second isolation valve for gases and wherein the third path comprises a transparent window for sunlight.
- the first path comprises a first isolation valve for gases
- the second path comprises a second isolation valve for gases
- the third path comprises a transparent window for sunlight.
- the crucible is made of refractory concrete.
- the casing is made of refractory ceramic.
- the window is made of quartz.
- - refractory ceramic is in the form of fibers.
- first way and the second way are one and the same way and the first isolation valve and the second isolation valve are one and the same valve.
- the present application also relates to a method for heating, under a controlled atmosphere, the interior of a crucible, using solar energy, comprising the following steps:
- the method comprises the following additional steps:
- Figure 1 shows a solar reactor which comprises a crucible made of refractory material or material resistant to a molten metal.
- the crucible is surrounded by a jacket or shell refractory to the heat of the crucible and gas-tight.
- the jacket comprises a first path or interface or passage or channel or conduit, which is a feed path for raw material.
- the first path is closed by a first gas-tight isolation valve, in the closed position.
- the first valve can be controlled to occupy an open position and to allow in this position, the passage of divided material, especially in the form of chips, through the first valve and the transport of the divided material from the outside of the jacket to the inside of the crucible, via the first path.
- the jacket comprises a second path or interface or passage or channel or conduit, which allows the evacuation of a molten metal.
- the second path is closed by a second isolation valve in a closed and gas-tight position.
- the valve is retracted or placed in an open position allowing the passage of the molten metal through the second path of the casing, without damage to the second valve.
- the casing includes a third path, which is a solar energy supply path, permanently and gas-tightly closed by a transparent window for sunlight.
- the window is configured to face the interior of the crucible from an optical point of view, i.e. so that sunlight passing through the window illuminates the interior of the crucible via the third path.
- a fourth way or interface of the envelope is configured to allow the connection of known means of sucking the atmosphere from the envelope or shell to create a vacuum therein and to bring an inert gas or a controlled atmosphere into contact with the interior of the crucible.
- a crucible (11) made of refractory concrete or sintered ceramic, capable of containing a molten metal (12) is used.
- the material chosen must resist heat, be chemically inert to the molten metal, and be resistant to erosion due to the acidity of the molten metal and slag.
- a sample collector (10) of the casting is arranged in the crucible (11).
- the crucible is placed in a metal casing (9) containing a refractory material (13) made of brick or ceramic fibers.
- the casing (9) is provided with a first supply path (7) between the exterior and the interior of the casing.
- supply path is understood to mean: a channel, a passage or a conduit provided in the casing, which allows material or energy to be conveyed, thus fulfilling the function of interface between the interior of the crucible and the casing constituted as a thermodynamic system and the exterior of the casing constituted as a thermal reservoir in the sense of thermodynamics.
- the first feed path or first interface is a feed path for the crucible of metallic material (8) divided into chips and contained in a material feed chamber (2. a), for the purpose of melting these chips in the crucible after introduction into the casing.
- the first channel is closed during melting by a first isolation valve (l.b) in the closed position, which provides gas tightness and maintains a controlled atmosphere during the melting or melting of the metal shavings.
- a first isolation valve (l.b) in the closed position, which provides gas tightness and maintains a controlled atmosphere during the melting or melting of the metal shavings.
- the material feed chamber (2. a) is connected for its material outlet to the first isolation valve (l.b) and limited on the other hand by another isolation valve (l.a) for its material inlet.
- a gas-tight container (the material feed chamber) containing chips to be melted can thus be connected to the first valve in a gas-tight manner, then the uncontrolled atmosphere can be removed from the container by vacuum pumping means (3.a) and replaced with a controlled atmosphere, in particular identical to that present inside the casing.
- the first valve is opened, i.e. is placed in the open position to the extent necessary to allow the passage of chips inside the envelope. by filling the crucible. Then, once the shavings are introduced, the first valve is closed, and thus made gas-tight.
- the shavings are then melted and gradually fill the crucible with molten metal (12).
- the thermal contact between the already melted metal and the new chips introduced is advantageously more intimate at each introduction, which makes it possible to improve the heat transfer to the chips and reduce their melting time, an element favorable to the use of solar energy for the melting or casting of metallic material during the repetition.
- the molten metal is finally discharged after repeating the steps mentioned above, via a second feed path (14) or second interface which is here a path for discharging the molten metal from the inside of the crucible to the outside.
- This second path is provided with a second isolation valve (l.c), which is in the closed position during the introduction of the chips and during their melting, to maintain the composition of the controlled atmosphere in contact with the inside of the crucible, i.e. inside the envelope, invariant.
- the melting of the chips is obtained by supplying solar energy (4) via a third optical path (15), most simply consisting of a window (6) made of a material transparent to sunlight (4), such as quartz or sapphire.
- This third path is optically configured so that sunlight, incident on the window, illuminates the chips present in the crucible or the molten liquid metal containing the chips inside the crucible.
- the window is opposite the interior of the crucible, i.e. the interior of the crucible is visible to an outside observer.
- a solar concentrator for example of the parabolic mirror type, will be used to provide a convergent beam, by placing the transparent window of the envelope between the parabolic mirror and the optical focus of this mirror.
- Means for mechanical handling of the crucible for the easy introduction of chips, via the first path (7), for example by gravity, into the crucible, in the sense of into the hollow or concavity of this crucible, may be provided without departing from the teaching of the present application.
- means of mechanical handling of the crucible for pouring the molten metal into an ingot mold (2. b), via the second path (14), for example by gravity, from the crucible may be provided without departing from the teaching of the present application.
- the ingot casting will be carried out under a controlled atmosphere identical to that above the contents of the crucible, by connecting a gas-tight ingot mold (2. b) connected to the second valve (l.c) in the closed position and isolated from the outside by an outlet valve (l.d) for the ingots (5), by pumping the internal atmosphere of the ingot mold and replacing it with a controlled atmosphere identical or equivalent to that inside the casing (9), then by opening the second valve (l.c) and by flowing the molten metal into the ingot mold (2.
- the third channel (15) of the envelope which is optical and separated from the material inlet (7) and liquid outlet (14) channels of the envelope, it will be possible, without departing from the present application, to provide a hole forming a field diaphragm in order to limit the emission of infrared radiation from the molten metal outside the envelope.
- This hole may have the shape of a hole, a cone or a neck or bottleneck without departing from the teaching of the present application.
- One of the advantages of this first embodiment is that it allows the use of a crucible of the size of the volume of liquid to be produced and not of the size of the volume of chips of the same weight, which makes it possible to minimize the size of the crucible, and therefore of the envelope which contains it, and thus to improve the compactness of the solar reactor designed according to the principle of the present application.
- Another advantage of this increased compactness is lower thermal inertia and therefore lower heat losses, enabled by less heating of the envelope, which improves the efficiency of converting solar energy into latent heat in the molten metal.
- Another advantage of this increased compactness is more intense illumination on the slag, which approaches the focal plane of the field diaphragm as the chips are converted into liquid, whereas in the prior art, the slag moves away from the focus as the chips are converted into liquid, resulting in reduced illumination.
- These advantages allow either to reach a higher temperature in the same time, or to reach a given temperature in less time. This is particularly favorable to the use of a variable source such as the sun depending on climatic conditions and subject to the alternation of day and night.
- the first and second ways are identical, the first valve and the second valve being the same valve, i.e. a single valve.
- means will be used to position the chips above the crucible, i.e. by mechanically arranging the single valve at an altitude higher than that of the crucible, so as to allow the chips to fall into the crucible, by gravity. Then, once all the chips have melted in the crucible, the single valve will be mechanically arranged at an altitude lower than that of the crucible, so as to allow the flow of the molten metal from the crucible.
- the first and second paths are in the form of a single path, which fulfills a function of input and output of material under controlled atmosphere with fusion by means of solar energy, the material being in distinct phases at input and output (divided phase at material input, liquid phase at material output).
- the first path is a material input path in divided solid phase and the second path a material output path in liquid phase.
- the third optical path can thus be adapted to a given mirror concentrator, whose average ray passing through the center of the mirror and the focus of the concentrator is horizontal, oblique or vertical.
- a mirror at 45 degrees from the horizontal and a vertical crucible surmounted by a horizontal transparent window can be used.
- a person skilled in the art of optics will easily determine how to illuminate the interior of the crucible through the transparent window, depending on the optical characteristics of the convergent concentrated solar beam provided by a given solar concentrator.
- the means for vacuum pumping and gas inlet or injection (3. a) via the fourth channel for controlling the atmosphere inside the crucible casing can also be isolated by valves and used to define pumping and injection of atmosphere in the material inlet chamber as well as in the ingot mold, so as to minimize the size and the number of additional elements necessary to carry out a complete melting from the material inlet and the ingot outlet, under controlled atmosphere.
- separate means (3. b) from those dedicated to the crucible (3. a) may be used to create a controlled atmosphere in the chip material inlet chamber (via 3. a) or in the outlet chamber or ingot mold (via 3. b).
- the invention is susceptible to industrial application or useful or usable, in the field of solar reactors for the steel industry and especially in the recycling of shavings of metallic material with a high melting point, in particular sorted by shade.
- the criterion for the devices of the present application in all its modes, ultimately appears to be the presence of physically separate and gas-tight circuits, for the transport of material to and from a crucible on the one hand and the solar heating of the material in the crucible on the other hand.
- a structure conforming to this criterion allows the material to be melted to be introduced into a crucible under a controlled atmosphere, in several times, filling the crucible each time and insulating the material circuit as much as necessary to maintain this controlled atmosphere, which ultimately allows the use of a smaller crucible for the same weight of liquid produced compared to a crucible into which all of the material to be melted by solar energy is introduced in one go.
- the invention is applicable to the melting of aluminum at 800°C, with a gain in thermodynamic efficiency compared to previous solutions, the reactor being more compact, but also to the melting of alloys sorted by grade melting between 1500°C and 1600°C such as stainless steels and titanium alloys and more generally for the melting of materials with a melting temperature to which the crucible and the envelope resist.
- an isolation valve For the purposes of selecting an isolation valve and arranging such a valve in a manner suitable for the methods of the present application, a person skilled in the art may take into account the maximum operating temperature of the valve and, if necessary, cool the gases in contact with the valve to avoid damage to the valve; he may also avoid direct contact of the valve with the molten metallic material, in particular at the ingot level.
- the isolation valves of a VIM installation may be preferred for all the methods of the present application. Valves used in other technical fields may also be used provided that they are gas-tight and resistant to the temperature of the casing at their position. A worm screw may thus be used for introducing the solid metallic material into the crucible.
- a guillotine valve made of a material resistant to a temperature as close as possible to the metal to be melted and using silicone seals capable of withstanding temperatures of the order of 1400°C may be used; its free internal diameter once the valve is open will generally be chosen to be larger than the diameter of the material outlet channel, to prevent molten metal material flowing out of this channel towards the ingot mold.
- This general criterion must be met by the molten metal material outlet valves of all embodiments of the present application, in order to avoid the risk of contact of the valve with molten metal material to be ingoted.
- the sample collector (10) of the molten metal (12) can be included in all the modes of the present application to determine the composition of the molten metal (12) in the crucible (ll) during its progressive filling, and to modify the material (8) introduced, via the material inlet channel (7) to correct a composition, in particular to produce a shade.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
Abstract
Description
Réacteur solaire compact pour le recyclage des métaux. Compact solar reactor for metal recycling.
Description Description
Au sens de la demande, les définitions suivantes s'appliquent : For the purposes of the application, the following definitions apply:
"Métal": Corps simple, doué d'un éclat particulier (éclat métallique), bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, et formant, par combinaison avec l'oxygène, des oxydes basiques. "Metal": Simple body, endowed with a particular luster (metallic luster), good conductor of heat and electricity, and forming, by combination with oxygen, basic oxides.
"Alliage": Produit métallique obtenu en incorporant à un composant principal qui est un métal un ou plusieurs éléments. "Alloy": A metallic product obtained by incorporating one or more elements into a main component which is a metal.
"Nuance": Variété d'un alliage à base de métaux, définie par sa composition chimique. "Shade": Variety of a metal-based alloy, defined by its chemical composition.
"Acier": alliage dont le composant principal est du fer et contenant une faible quantité de carbone (entre 0,02 % et 2 % en masse). "Steel": an alloy whose main component is iron and containing a small amount of carbon (between 0.02% and 2% by mass).
"Acier inoxydable": acier contenant du Chrome (au moins 10,5% en masse). "Stainless steel": steel containing chromium (at least 10.5% by mass).
« Alliage de titane » : alliage dont le composant principal est du titane. “Titanium alloy”: an alloy whose main component is titanium.
« Recyclage » : recréation d'un produit à partir de résidus issus de son utilisation ou de sa production. “Recycling”: recreation of a product from residues resulting from its use or production.
« Creuset » : récipient résistant à la chaleur ou réfractaire apte à contenir un métal en fusion. “Crucible”: a heat-resistant or refractory container capable of containing molten metal.
« Moyen de basculement d'un creuset » : moyen mécanique permettant l'inclinaison d'un creuset rempli de métal en fusion pour verser ce métal dans un moule ou lingotière. “Means of tilting a crucible”: mechanical means allowing the tilting of a crucible filled with molten metal to pour this metal into a mold or ingot mold.
« Fusion ou fonte ou sidérurgie sous atmosphère contrôlée » : Technique consistant à envelopper un creuset et son moyen de basculement d'une enveloppe ou coque étanche aux fluides permettant d'isoler le creuset et le moyen de basculement de l'atmosphère extérieure à la coque pour fonctionner à l'intérieur de la coque, soit sous vide (technique de fusion VIM ou en anglais "Smelting or smelting or steelmaking under controlled atmosphere": Technique consisting of enveloping a crucible and its tilting means with a fluid-tight envelope or shell making it possible to isolate the crucible and the tilting means from the atmosphere outside the shell to operate inside the shell, either under vacuum (VIM melting technique or in English
« Vacuum Induction Molding ») soit sous atmosphère inerte ( azote, dioxyde de carbone, ...) "Vacuum Induction Molding") or under an inert atmosphere (nitrogen, carbon dioxide, etc.)
« Valve d'isolation » ou « valve d'isolation pour les gaz» : Une valve étanche aux gaz utilisée ou utilisable pour la technique VIM. "Isolation valve" or "gas isolation valve": A gas-tight valve used or usable for VIM technology.
« Réfractaire » désigne une propriété de résistance d'un matériau, notamment à la chaleur. “Refractory” means a property of resistance of a material, particularly to heat.
« Laitier » désigne les scories à la surface d'un métal en fusion. La présente demande concerne le domaine du recyclage des alliages et métaux de haute qualité comme les nuances d'aciers inoxydables ou les alliages de titane. "Slag" refers to the slag on the surface of a molten metal. This application concerns the field of recycling of high-quality alloys and metals such as stainless steel grades or titanium alloys.
La présente demande concerne plus particulièrement le recyclage des chutes et des copeaux des alliages et métaux de haute qualité par la fonte de ces matériaux au moyen de l'énergie solaire fournie par un concentrateur, dans un réacteur solaire. This application relates more particularly to the recycling of scraps and chips of high-quality alloys and metals by melting these materials using solar energy supplied by a concentrator, in a solar reactor.
L'art antérieur à la présente demande connaît dans le domaine de la sidérurgie ou de la fusion des métaux, des systèmes pour la fonte et le formage d'alliages ou de métaux en lingots, notamment sous atmosphère contrôlée ou sous vide, à partir de copeaux de ces alliages ou métaux et au moyen de l'énergie électrique, principalement par induction. The art prior to the present application discloses, in the field of steelmaking or metal melting, systems for melting and forming alloys or metals into ingots, in particular under a controlled atmosphere or under vacuum, from shavings of these alloys or metals and by means of electrical energy, mainly by induction.
Ces systèmes comprennent usuellement un creuset, une chambre d'alimentation en matières premières pour le creuset, un moyen de chauffage du creuset par induction électrique et un verseur ou moyen mécanique de basculement du creuset pour verser son contenu sous forme de métal en phase liquide dans un moule ou lingotière dans laquelle les lingots sont refroidis sous forme de lingots de métal en phase solide. These systems usually include a crucible, a raw material feed chamber for the crucible, a means for heating the crucible by electrical induction and a pourer or mechanical means for tilting the crucible to pour its contents in the form of liquid phase metal into a mold or ingot mold in which the ingots are cooled in the form of solid phase metal ingots.
Pour opérer sous atmosphère contrôlée ou sous vide (VIM), l'ensemble de ces éléments est enveloppé d'une coque ou enveloppe étanche aux gaz. Une couche de vide ou de gaz inerte assure dans cette configuration une isolation thermique optimale entre le creuset et son contenu et une atmosphère ambiante enveloppant la coque. Le rendement de conversion de l'énergie calorifique communiquée au contenu du creuset rapporté à l'énergie électrique d'alimentation est ainsi optimal. Notamment, dans le cas d'une couche de vide les échanges thermiques entre le creuset et l'enveloppe se réduisent au rayonnement entre le creuset et la coque. To operate under a controlled atmosphere or vacuum (VIM), all of these elements are enclosed in a gas-tight shell or envelope. In this configuration, a layer of vacuum or inert gas ensures optimal thermal insulation between the crucible and its contents and an ambient atmosphere surrounding the shell. The conversion efficiency of the heat energy communicated to the contents of the crucible relative to the electrical power supply is thus optimal. In particular, in the case of a vacuum layer, the heat exchanges between the crucible and the envelope are reduced to radiation between the crucible and the shell.
Toutefois, l'encombrement de ce type d'installation est important et il ne peut en pratique être simplement muni d'une fenêtre transparente pour une alimentation en énergie solaire du creuset et facilement transporté au foyer d'un concentrateur solaire existant. However, the footprint of this type of installation is significant and in practice it cannot simply be fitted with a transparent window for solar energy supply to the crucible and easily transported to the focus of an existing solar concentrator.
Pour diminuer l'encombrement des systèmes sidérurgiques alimentés par l'énergie solaire, l'art antérieur connaît des systèmes dans lesquels une coque, en matériau réfractaire à la chaleur et faiblement conducteur thermiquement est en contact mécanique avec un creuset contenu dans la coque. Toutefois, il est souhaitable de pouvoir contrôler la teneur en dioxygène de l'atmosphère en contact avec un métal en fusion afin d'en éviter l'oxydation et ce résultat est obtenu en rendant la coque étanche aux gaz. L'art antérieur à la présente demande connaît finalement des réacteurs solaires moins encombrants et fonctionnant sous atmosphère contrôlée, pour la fusion de métal au moyen de l'énergie solaire, qui sont constitués d'un creuset et d'une enveloppe ou coque, contenant le creuset, en contact mécanique avec le creuset et munie d'un couvercle amovible comprenant une fenêtre transparente. To reduce the bulk of solar-powered steelmaking systems, the prior art discloses systems in which a shell, made of a heat-refractory and poorly thermally conductive material, is in mechanical contact with a crucible contained in the shell. However, it is desirable to be able to control the oxygen content of the atmosphere in contact with a molten metal in order to prevent oxidation, and this result is achieved by making the shell gas-tight. The art prior to the present application finally discloses less bulky solar reactors operating under a controlled atmosphere, for the melting of metal by means of solar energy, which consist of a crucible and a casing or shell, containing the crucible, in mechanical contact with the crucible and provided with a removable cover comprising a transparent window.
Dans ces réacteurs solaires, la compacité est optimale entre la coque et le creuset, ces deux éléments étant en contact mécanique. Le dimensionnement du creuset est donc défini par le volume maximal de la quantité, c'est-à-dire du poids de matière métallique à produire par coulée. Comme ce volume de matière est maximal pour des copeaux de matière, le dimensionnement d'un creuset dans un réacteur solaire est donc régi par le volume des copeaux d'un poids à produire par coulée. In these solar reactors, the compactness is optimal between the shell and the crucible, these two elements being in mechanical contact. The dimensioning of the crucible is therefore defined by the maximum volume of the quantity, that is to say the weight of metallic material to be produced per casting. As this volume of material is maximum for chips of material, the dimensioning of a crucible in a solar reactor is therefore governed by the volume of chips of a weight to be produced per casting.
Le rapport entre le poids de la matière fondue rapportée au volume du creuset servant à la fondre sous atmosphère contrôlée, est donc pour l'art antérieur une constante dans le domaine des réacteurs solaires opérant sous atmosphère contrôlée. Cette constante est égale dans l'art antérieur à la masse volumique des copeaux. The ratio between the weight of the molten material and the volume of the crucible used to melt it under a controlled atmosphere is therefore, for the prior art, a constant in the field of solar reactors operating under a controlled atmosphere. This constant is equal in the prior art to the density of the chips.
L'augmentation de la compacité d'un réacteur solaire définie comme le rapport entre le poids du métal liquide produit, divisé par le volume du creuset nécessaire à produire ce poids sous atmosphère contrôlée est ainsi un problème difficile pour l'art antérieur. Increasing the compactness of a solar reactor, defined as the ratio between the weight of the liquid metal produced, divided by the volume of the crucible necessary to produce this weight under a controlled atmosphere, is thus a difficult problem for the prior art.
En pratique, l'art antérieur à la présente demande est limité à la fusion solaire sous atmosphère contrôlée de l'aluminium à une température de 800°C. La fusion d'alliages de haut point de fusion de l'ordre de 1600°C est ainsi, en pratique, inenvisageable dans l'art antérieur. In practice, the art prior to the present application is limited to solar melting under a controlled atmosphere of aluminum at a temperature of 800°C. The melting of high melting point alloys of the order of 1600°C is thus, in practice, unimaginable in the prior art.
Dans ce contexte, l'invention concerne : In this context, the invention relates to:
Un dispositif pour la fonte d'un métal au moyen d'une énergie solaire, comprenant un creuset apte à contenir un métal en fusion et une enveloppe étanche aux gaz, dans lequel l'enveloppe contient le creuset, dans lequel le creuset est en contact mécanique avec l'enveloppe, dans lequel l'enveloppe comprend une première voie configurée pour l'entrée, dans l'enveloppe et à l'intérieur du creuset, de matière métallique sous forme solide divisée, une deuxième voie configurée pour la sortie, hors du creuset et hors de l'enveloppe, de matière métallique sous forme liquide et une troisième voie optique configurée pour l'entrée, dans l'enveloppe et à l'intérieur du creuset, d'une lumière solaire, dans lequel la première voie comprend une première valve d'isolation pour les gaz, dans lequel la deuxième voie comprend une deuxième valve d'isolation pour les gaz et dans lequel la troisième voie comprend une fenêtre transparente pour la lumière solaire. Dans des variantes : A device for melting a metal by means of solar energy, comprising a crucible adapted to contain a molten metal and a gas-tight envelope, wherein the envelope contains the crucible, wherein the crucible is in mechanical contact with the envelope, wherein the envelope comprises a first path configured for the entry, into the envelope and inside the crucible, of metallic material in divided solid form, a second path configured for the exit, out of the crucible and out of the envelope, of metallic material in liquid form and a third optical path configured for the entry, into the envelope and inside the crucible, of sunlight, wherein the first path comprises a first isolation valve for gases, wherein the second path comprises a second isolation valve for gases and wherein the third path comprises a transparent window for sunlight. In variants:
- le creuset est en béton réfractaire. - the crucible is made of refractory concrete.
- l'enveloppe est en céramique réfractaire. - the casing is made of refractory ceramic.
- la fenêtre est en quartz. - the window is made of quartz.
- la céramique réfractaire est sous forme de fibres. - refractory ceramic is in the form of fibers.
- la première voie et la deuxième voie sont une seule et même voie et la première valve d'isolation et la deuxième valve d'isolation sont une seule et même valve. - the first way and the second way are one and the same way and the first isolation valve and the second isolation valve are one and the same valve.
La présente demande concerne aussi un procédé pour le chauffage, sous atmosphère contrôlée, de l'intérieur d'un creuset, au moyen d'une énergie solaire, comprenant les étapes suivantes: The present application also relates to a method for heating, under a controlled atmosphere, the interior of a crucible, using solar energy, comprising the following steps:
- créer une atmosphère contrôlée, dans une enveloppe étanche aux gaz et contenant un creuset - create a controlled atmosphere, in a gas-tight envelope containing a crucible
- créer l'atmosphère contrôlée dans une première chambre d'alimentation contenant une matière métallique, en phase solide divisée; - creating the controlled atmosphere in a first feed chamber containing a metallic material, in divided solid phase;
- ouvrir une première valve d'isolation aux gaz, entre la première chambre et l'enveloppe ; - open a first gas isolation valve, between the first chamber and the envelope;
- transporter la matière métallique, de la première chambre jusqu'à l'intérieur du creuset, via la première valve d'isolation aux gaz; - transport the metallic material from the first chamber to the inside of the crucible, via the first gas isolation valve;
- fermer la première valve d'isolation aux gaz; - close the first gas isolation valve;
- fondre la matière métallique, au moyen d'une lumière solaire pénétrant à l'intérieur du creuset via une fenêtre transparente de l'enveloppe. - melt the metallic material, by means of sunlight penetrating inside the crucible via a transparent window in the envelope.
- répéter les étapes précédentes pour remplir progressivement le creuset de matière métallique fondue. - repeat the previous steps to gradually fill the crucible with molten metal material.
Dans une variante le procédé comprend les étapes supplémentaires suivantes : In one variant the method comprises the following additional steps:
- créer l'atmosphère contrôlée dans une deuxième chambre d'alimentation contenant une lingotière; - create the controlled atmosphere in a second feed chamber containing an ingot mold;
- ouvrir une deuxième valve d'isolation aux gaz, entre la deuxième chambre et l'enveloppe ; - faire couler la matière métallique fondue, depuis l'intérieur du creuset jusqu'à la lingotière via la deuxième valve d'isolation aux gaz; - open a second gas isolation valve, between the second chamber and the envelope; - flow the molten metal material from inside the crucible to the ingot mold via the second gas isolation valve;
- fermer la deuxième valve d'isolation aux gaz. - close the second gas isolation valve.
L'invention sera mieux comprise en référence pour les numéros indiqués dans le texte de la présente demande à la liste des figures ci-dessous, dans laquelle: The invention will be better understood by referring to the numbers indicated in the text of this application to the list of figures below, in which:
Fig. 1 : la figure 1 représente un réacteur solaire qui comprend un creuset en matière réfractaire ou résistante à un métal fondu. Le creuset est entouré d'une enveloppe ou coque réfractaire à la chaleur du creuset et étanche aux gaz. L'enveloppe comprend une première voie ou interface ou passage ou canal ou conduit, qui est une voie d'alimentation en matière première. La première voie est obturée par une première valve d'isolation étanche aux gaz, en position fermée. La première valve peut être commandée pour occuper une position ouverte et pour permettre dans cette position, le passage de matière divisée, tout spécialement sous forme de copeaux, à travers la première valve et le transport de la matière divisée depuis l'extérieur de l'enveloppe jusqu'à l'intérieur du creuset, via la première voie. L'enveloppe comprend une deuxième voie ou interface ou passage ou canal ou conduit, qui permet l'évacuation d'un métal fondu. Lorsque du métal fondu n'est pas évacué, i.e. lors de la fusion sous atmosphère contrôlée de matière métallique solide contenue dans le creuset, la deuxième voie est obturée par une deuxième valve d'isolation en position fermée et étanche aux gaz. Lorsque l'évacuation du métal fondu est requise, la valve est escamotée ou mise dans une position ouverte permettant le passage du métal fondu à travers la deuxième voie de l'enveloppe, sans dommage pour la deuxième valve. De plus, l'enveloppe comprend une troisième voie, qui est une voie d'alimentation en énergie solaire, obturée de façon permanente et de façon étanche aux gaz, par une fenêtre transparente pour de la lumière solaire. La fenêtre est configurée en regard de l'intérieur du creuset d'un point de vue optique, i.e. de façon que de la lumière solaire traversant la fenêtre éclaire l'intérieur du creuset via la troisième voie. Par ailleurs, une quatrième voie ou interface de l'enveloppe est configurée pour permettre la connexion de moyens connus d'aspirer l'atmosphère de l'enveloppe ou coque pour y faire le vide et y faire entrer un gaz inerte ou une atmosphère contrôlée en contact avec l'intérieur du creuset. Fig. 1: Figure 1 shows a solar reactor which comprises a crucible made of refractory material or material resistant to a molten metal. The crucible is surrounded by a jacket or shell refractory to the heat of the crucible and gas-tight. The jacket comprises a first path or interface or passage or channel or conduit, which is a feed path for raw material. The first path is closed by a first gas-tight isolation valve, in the closed position. The first valve can be controlled to occupy an open position and to allow in this position, the passage of divided material, especially in the form of chips, through the first valve and the transport of the divided material from the outside of the jacket to the inside of the crucible, via the first path. The jacket comprises a second path or interface or passage or channel or conduit, which allows the evacuation of a molten metal. When molten metal is not being evacuated, i.e. during melting under controlled atmosphere of solid metallic material contained in the crucible, the second path is closed by a second isolation valve in a closed and gas-tight position. When evacuation of the molten metal is required, the valve is retracted or placed in an open position allowing the passage of the molten metal through the second path of the casing, without damage to the second valve. In addition, the casing includes a third path, which is a solar energy supply path, permanently and gas-tightly closed by a transparent window for sunlight. The window is configured to face the interior of the crucible from an optical point of view, i.e. so that sunlight passing through the window illuminates the interior of the crucible via the third path. Furthermore, a fourth way or interface of the envelope is configured to allow the connection of known means of sucking the atmosphere from the envelope or shell to create a vacuum therein and to bring an inert gas or a controlled atmosphere into contact with the interior of the crucible.
Les différents aspects de la présente demande seront mieux compris selon la description ci-dessous de modes détaillés de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. The various aspects of the present application will be better understood according to the description below of detailed embodiments, given as non-limiting examples.
Dans un premier mode de réalisation, en référence à la figure 1, un creuset (11) en béton réfractaire ou en céramique frittée, apte à contenir un métal en fusion(12) est utilisé. Le matériau choisi doit résister à la chaleur, être inerte chimiquement avec le métal fondu et être résistant à l'érosion due à l'acidité du métal fondue et du laitier. In a first embodiment, with reference to Figure 1, a crucible (11) made of refractory concrete or sintered ceramic, capable of containing a molten metal (12) is used. The material chosen must resist heat, be chemically inert to the molten metal, and be resistant to erosion due to the acidity of the molten metal and slag.
Dans le creuset (11), est disposé un récupérateur d'échantillon (10) de la coulée. In the crucible (11), a sample collector (10) of the casting is arranged.
Le creuset est disposé dans une enveloppe métallique (9) contenant un matériau réfractaire (13) en brique ou en fibres de céramique. The crucible is placed in a metal casing (9) containing a refractory material (13) made of brick or ceramic fibers.
L'enveloppe(9) est munie d'une première voie d'alimentation (7) entre l'extérieur et l'intérieur de l'enveloppe. On entend dans toute la présente demande par voie d'alimentation : un canal, un passage ou un conduit ménagé dans l'enveloppe, qui permet d'acheminer de la matière ou de l'énergie, en remplissant ainsi la fonction d'interface entre l'intérieur du creuset et l'enveloppe constitués en système thermodynamique et l'extérieur de l'enveloppe constitué en réservoir thermique au sens de la thermodynamique. The casing (9) is provided with a first supply path (7) between the exterior and the interior of the casing. Throughout the present application, the term supply path is understood to mean: a channel, a passage or a conduit provided in the casing, which allows material or energy to be conveyed, thus fulfilling the function of interface between the interior of the crucible and the casing constituted as a thermodynamic system and the exterior of the casing constituted as a thermal reservoir in the sense of thermodynamics.
La première voie d'alimentation ou première interface, est une voie d'alimentation du creuset en matière métallique (8) divisée en copeaux et contenue dans une chambre d'alimentation en matière (2. a), aux fins de fondre ces copeaux dans le creuset après introduction dans l'enveloppe. The first feed path or first interface is a feed path for the crucible of metallic material (8) divided into chips and contained in a material feed chamber (2. a), for the purpose of melting these chips in the crucible after introduction into the casing.
La première voie est obturée lors de la fusion par une première valve d'isolation (l.b) en position fermée, ce qui permet une étanchéité aux gaz et le maintien d'une atmosphère contrôlée durant la fusion ou fonte des copeaux métalliques. The first channel is closed during melting by a first isolation valve (l.b) in the closed position, which provides gas tightness and maintains a controlled atmosphere during the melting or melting of the metal shavings.
La chambre d'alimentation en matière (2. a) est connectée pour sa sortie de matière à la première valve d'isolation (l.b) et limitée d'autre part par une autre valve d'isolation (l.a) pour son entrée de matière. The material feed chamber (2. a) is connected for its material outlet to the first isolation valve (l.b) and limited on the other hand by another isolation valve (l.a) for its material inlet.
Préalablement à la fonte, on peut ainsi connecter à la première valve, de façon étanche aux gaz, un récipient étanche aux gaz (la chambre d'alimentation en matière) qui contient des copeaux à fondre, puis enlever l'atmosphère non contrôlée du récipient par des moyens de pompage au vide (3.a)et la remplacer par une atmosphère contrôlée, notamment identique à celle présente à l'intérieur de l'enveloppe. Prior to melting, a gas-tight container (the material feed chamber) containing chips to be melted can thus be connected to the first valve in a gas-tight manner, then the uncontrolled atmosphere can be removed from the container by vacuum pumping means (3.a) and replaced with a controlled atmosphere, in particular identical to that present inside the casing.
Une fois les atmosphères des deux côtés de la première valve rendue égales ou équivalentes pour la fonte des métaux (notamment sans dioxygène), la première valve est ouverte i.e est mise en position ouverte dans la mesure nécessaire à permettre le passage des copeaux à l'intérieur de l'enveloppe en remplissant le creuset. Puis, une fois les copeaux introduits, la première valve est refermée, et rendue de ce fait étanche aux gaz. Once the atmospheres on both sides of the first valve have been made equal or equivalent for melting metals (particularly without oxygen), the first valve is opened, i.e. is placed in the open position to the extent necessary to allow the passage of chips inside the envelope. by filling the crucible. Then, once the shavings are introduced, the first valve is closed, and thus made gas-tight.
Les copeaux sont ensuite fondus et remplissent progressivement le creuset en métal fondu (12). The shavings are then melted and gradually fill the crucible with molten metal (12).
En répétant l'introduction de copeaux et leur fusion, sans perdre l'atmosphère contrôlée, on peut alors remplir avantageusement le creuset d'un volume de métal fondu comparable au volume intérieur du creuset et non plus seulement égal au volume de copeaux remplissant le creuset. De plus, dans cette répétition, le contact thermique entre le métal déjà fondu et les nouveaux copeaux introduits est avantageusement plus intime à chaque introduction, ce qui permet d'améliorer le transfert de chaleur aux copeaux et diminuer leur temps de fusion, élément favorable à l'utilisation de l'énergie solaire pour la fusion ou fonte de matière métallique durant la répétition. By repeating the introduction of chips and their melting, without losing the controlled atmosphere, it is then possible to advantageously fill the crucible with a volume of molten metal comparable to the interior volume of the crucible and no longer only equal to the volume of chips filling the crucible. In addition, in this repetition, the thermal contact between the already melted metal and the new chips introduced is advantageously more intimate at each introduction, which makes it possible to improve the heat transfer to the chips and reduce their melting time, an element favorable to the use of solar energy for the melting or casting of metallic material during the repetition.
Le métal fondu est finalement évacué après la répétition des étapes mentionnées ci-dessus, via une deuxième voie d'alimentation (14) ou deuxième interface qui est ici une voie d'évacuation du métal fondu depuis l'intérieur du creuset vers l'extérieur. Cette deuxième voie est munie d'une deuxième valve d'isolation (l.c), qui est en position fermée durant l'introduction des copeaux et durant leur fusion, pour maintenir invariante la composition de l'atmosphère contrôlée en contact avec l'intérieur du creuset, i.e. à l'intérieur de l'enveloppe. The molten metal is finally discharged after repeating the steps mentioned above, via a second feed path (14) or second interface which is here a path for discharging the molten metal from the inside of the crucible to the outside. This second path is provided with a second isolation valve (l.c), which is in the closed position during the introduction of the chips and during their melting, to maintain the composition of the controlled atmosphere in contact with the inside of the crucible, i.e. inside the envelope, invariant.
La fusion des copeaux est obtenue par alimentation en énergie solaire (4) via une troisième voie optique (15), constituée de la façon la plus simple par une fenêtre (6) en matériau transparent à de la lumière solaire (4), comme du quartz ou du saphir. Cette troisième voie est configurée optiquement pour que de la lumière solaire, incidente sur la fenêtre, éclaire les copeaux présents dans le creuset ou le métal liquide en fusion contenant les copeaux à l'intérieur du creuset. De la façon la plus simple, la fenêtre est en regard de l'intérieur du creuset, i.e. l'intérieur du creuset est visible par un observateur extérieur. Afin d'augmenter l'énergie solaire collectée, un concentrateur solaire, par exemple de type miroir parabolique sera utilisé pour fournir un faisceau convergent, en disposant la fenêtre transparente de l'enveloppe entre le miroir parabolique et le foyer optique de ce miroir. The melting of the chips is obtained by supplying solar energy (4) via a third optical path (15), most simply consisting of a window (6) made of a material transparent to sunlight (4), such as quartz or sapphire. This third path is optically configured so that sunlight, incident on the window, illuminates the chips present in the crucible or the molten liquid metal containing the chips inside the crucible. Most simply, the window is opposite the interior of the crucible, i.e. the interior of the crucible is visible to an outside observer. In order to increase the collected solar energy, a solar concentrator, for example of the parabolic mirror type, will be used to provide a convergent beam, by placing the transparent window of the envelope between the parabolic mirror and the optical focus of this mirror.
Des moyens de manutention mécanique du creuset pour l'introduction facile de copeaux, via la première voie (7), par exemple par gravité, dans le creuset, au sens de dans le creux ou concavité de ce creuset, pourront être prévus sans sortir de l'enseignement de la présente demande. De même des moyens de manutention mécanique du creuset pour le versement du métal fondu dans une lingotière (2. b), via la deuxième voie (14), par exemple par gravité, depuis le creuset, pourront être prévus sans sortir de l'enseignement de la présente demande. Means for mechanical handling of the crucible for the easy introduction of chips, via the first path (7), for example by gravity, into the crucible, in the sense of into the hollow or concavity of this crucible, may be provided without departing from the teaching of the present application. Likewise, means of mechanical handling of the crucible for pouring the molten metal into an ingot mold (2. b), via the second path (14), for example by gravity, from the crucible, may be provided without departing from the teaching of the present application.
Avantageusement, le lingotage sera effectué sous atmosphère contrôlée identique à celle au-dessus du contenu du creuset, en connectant une lingotière (2. b) étanche aux gaz connectée à la deuxième valve (l.c) en position fermée et isolée de l'extérieur par une valve de sortie (l.d) pour les lingots (5), en pompant l'atmosphère interne de la lingotière et en la remplaçant par une atmosphère contrôlée identique ou équivalente à celle de l'intérieur de l'enveloppe (9), puis en ouvrant la deuxième valve (l.c) et en faisant couler le métal fondu dans la lingotière (2. b), via la deuxième voie (14)et sous l'atmosphère contrôlée, rendue homogène dans l'enveloppe et la lingotière, dans les moules de la lingotière (5) pour former le métal fondu en lingots après refroidissement, en fermant la deuxième valve (l.c) et en envoyant à l'extérieur via la valve de sortie de la lingotière (l.d) mise en position ouverte, les lingots. Advantageously, the ingot casting will be carried out under a controlled atmosphere identical to that above the contents of the crucible, by connecting a gas-tight ingot mold (2. b) connected to the second valve (l.c) in the closed position and isolated from the outside by an outlet valve (l.d) for the ingots (5), by pumping the internal atmosphere of the ingot mold and replacing it with a controlled atmosphere identical or equivalent to that inside the casing (9), then by opening the second valve (l.c) and by flowing the molten metal into the ingot mold (2. b), via the second channel (14) and under the controlled atmosphere, made homogeneous in the casing and the ingot mold, into the molds of the ingot mold (5) to form the molten metal into ingots after cooling, by closing the second valve (l.c) and sending to the outside via the outlet valve of the ingot mold (l.d) placed in the open position, the ingots.
Pour la troisième voie (15) de l'enveloppe, qui est optique et séparée des voies d'entrée de matière (7) et de sortie de liquide (14) de l'enveloppe, on pourra sans sortir de la présente demande prévoir un trou formant un diaphragme de champ afin de limiter l'émission de rayonnement infra-rouge du métal fondu à l'extérieur de l'enveloppe. Ce trou pourra voir une forme de trou, de cône ou de goulet ou goulot d'étranglement sans sortir de l'enseignement de la présente demande. For the third channel (15) of the envelope, which is optical and separated from the material inlet (7) and liquid outlet (14) channels of the envelope, it will be possible, without departing from the present application, to provide a hole forming a field diaphragm in order to limit the emission of infrared radiation from the molten metal outside the envelope. This hole may have the shape of a hole, a cone or a neck or bottleneck without departing from the teaching of the present application.
Un des avantages de ce premier mode de réalisation est de permettre d'utiliser un creuset de la taille du volume de liquide à produire et non de la taille du volume des copeaux de même poids, ce qui permet de minimiser la taille du creuset, donc de l'enveloppe qui le contient et d'améliorer ainsi la compacité du réacteur solaire conçu selon le principe de la présente demande. One of the advantages of this first embodiment is that it allows the use of a crucible of the size of the volume of liquid to be produced and not of the size of the volume of chips of the same weight, which makes it possible to minimize the size of the crucible, and therefore of the envelope which contains it, and thus to improve the compactness of the solar reactor designed according to the principle of the present application.
Un autre avantage de cette compacité accrue est une inertie thermique plus faible et donc des pertes de chaleur plus faibles, permises par un chauffage moindre de l'enveloppe, ce qui améliore le rendement de conversion de l'énergie solaire en chaleur latente dans le métal fondu. Another advantage of this increased compactness is lower thermal inertia and therefore lower heat losses, enabled by less heating of the envelope, which improves the efficiency of converting solar energy into latent heat in the molten metal.
Un autre avantage de cette compacité accrue est un éclairement plus intense sur le laitier celui-ci se rapprochant du plan focal du diaphragme de champ au fur et à mesure de la conversion des copeaux en liquide alors que dans l'art antérieur, le laitier s'éloigne au contraire du foyer au fil de la conversion des copeaux en liquide, pour un éclairement réduit de ce fait. Ces avantages permettent soit d'atteindre une température plus élevée dans une même durée, soit d'atteindre une température donnée en moins de temps. Ce qui est particulièrement favorable à l'utilisation d'une source variable comme le soleil en fonction des conditions climatiques et soumise à l'alternance jour-nuit. Another advantage of this increased compactness is more intense illumination on the slag, which approaches the focal plane of the field diaphragm as the chips are converted into liquid, whereas in the prior art, the slag moves away from the focus as the chips are converted into liquid, resulting in reduced illumination. These advantages allow either to reach a higher temperature in the same time, or to reach a given temperature in less time. This is particularly favorable to the use of a variable source such as the sun depending on climatic conditions and subject to the alternation of day and night.
D'autres modes de réalisation que celui présenté peuvent être mentionnés sans sortir de l'enseignement de la présente demande. Other embodiments than that presented may be mentioned without departing from the teaching of the present application.
Dans un deuxième mode de réalisation, la première et la deuxième voie sont identiques, la première valve et la deuxième valve étant une même valve, i.e une valve unique. Pour réaliser ce mode, on utilisera des moyens de positionner les copeaux au-dessus du creuset, i.e. en disposant mécaniquement la valve unique à une altitude supérieure à celle du creuset, de façon à permettre la chute des copeaux dans le creuset, par gravité. Puis une fois tous les copeaux fondus, dans le creuset, on disposera mécaniquement la valve unique à une altitude inférieure à celle du creuset, de façon à permettre l'écoulement du métal fondu depuis le creuset. In a second embodiment, the first and second ways are identical, the first valve and the second valve being the same valve, i.e. a single valve. To achieve this embodiment, means will be used to position the chips above the crucible, i.e. by mechanically arranging the single valve at an altitude higher than that of the crucible, so as to allow the chips to fall into the crucible, by gravity. Then, once all the chips have melted in the crucible, the single valve will be mechanically arranged at an altitude lower than that of the crucible, so as to allow the flow of the molten metal from the crucible.
Dans ce deuxième mode, la première et la deuxième voie sont sous la forme d'une voie unique, qui remplit une fonction d'entrée et de sortie de matière sous atmosphère contrôlée avec fusion au moyen d'énergie solaire, la matière étant dans des phases distinctes en entrée et en sortie (phase divisée en entrée de matière, phase liquide en sortie de matière). Par comparaison, dans le premier mode, la première voie est une voie d'entrée de matière en phase solide divisée et la deuxième voie une voie de sortie de matière en phase liquide. In this second mode, the first and second paths are in the form of a single path, which fulfills a function of input and output of material under controlled atmosphere with fusion by means of solar energy, the material being in distinct phases at input and output (divided phase at material input, liquid phase at material output). By comparison, in the first mode, the first path is a material input path in divided solid phase and the second path a material output path in liquid phase.
Des variantes de réalisation des modes présentés peuvent être citées sans sortir de l'enseignement de la présente demande. Variant embodiments of the methods presented may be cited without departing from the teaching of the present application.
La troisième voie optique peut ainsi être adaptée à un concentrateur à miroir donné, dont le rayon moyen passant par le centre du miroir et le foyer du concentrateur est horizontal, oblique ou vertical. Dans le cas horizontal par exemple, un miroir à 45 degrés de l'horizontale et un creuset vertical surmonté d'une fenêtre transparente horizontale, pourront être utilisés. L'homme du métier de l'optique déterminera facilement comment éclairer l'intérieur du creuset à travers la fenêtre transparente, en fonction des caractéristiques optiques du faisceau solaire concentré convergent fourni par un concentrateur solaire donné. The third optical path can thus be adapted to a given mirror concentrator, whose average ray passing through the center of the mirror and the focus of the concentrator is horizontal, oblique or vertical. In the horizontal case, for example, a mirror at 45 degrees from the horizontal and a vertical crucible surmounted by a horizontal transparent window can be used. A person skilled in the art of optics will easily determine how to illuminate the interior of the crucible through the transparent window, depending on the optical characteristics of the convergent concentrated solar beam provided by a given solar concentrator.
Les moyens de pompage au vide et d'entrée ou injection de gaz (3. a) via la quatrième voie pour le contrôle de l'atmosphère à l'intérieur de l'enveloppe du creuset peuvent aussi être isolés par des valves et utilisés pour définir un pompage et une injection d'atmosphère dans la chambre d'entrée de matière aussi bien que dans la lingotière, de façon à minimiser l'encombrement et le nombre d'éléments additionnels nécessaires pour effectuer une fonte complète depuis l'entrée de matière et la sortie de lingots, sous atmosphère contrôlée. The means for vacuum pumping and gas inlet or injection (3. a) via the fourth channel for controlling the atmosphere inside the crucible casing can also be isolated by valves and used to define pumping and injection of atmosphere in the material inlet chamber as well as in the ingot mold, so as to minimize the size and the number of additional elements necessary to carry out a complete melting from the material inlet and the ingot outlet, under controlled atmosphere.
Alternativement, on pourra utiliser des moyens séparés (3. b) de ceux dédiés au creuset (3. a) pour créer une atmosphère contrôlée dans la chambre d'entrée de matière en copeaux (via 3.a) ou dans la chambre de sortie ou lingotière (via 3. b). Alternatively, separate means (3. b) from those dedicated to the crucible (3. a) may be used to create a controlled atmosphere in the chip material inlet chamber (via 3. a) or in the outlet chamber or ingot mold (via 3. b).
L'invention est susceptible d'application industrielle ou utile ou utilisable, dans le domaine des réacteurs solaires pour la sidérurgie et tout spécialement dans le recyclage des copeaux de matière métalliques à haut point de fusion, notamment triés par nuances. The invention is susceptible to industrial application or useful or usable, in the field of solar reactors for the steel industry and especially in the recycling of shavings of metallic material with a high melting point, in particular sorted by shade.
Le critère des dispositifs de la présente demande, dans tous ses modes, apparaît finalement comme la présence de circuits physiquement séparés et étanches aux gaz, pour le transport de matière vers et hors d'un creuset d'une part et le chauffage solaire de la matière dans le creuset, d'autre part. The criterion for the devices of the present application, in all its modes, ultimately appears to be the presence of physically separate and gas-tight circuits, for the transport of material to and from a crucible on the one hand and the solar heating of the material in the crucible on the other hand.
Une structure conforme à ce critère permet d'introduire la matière à fondre dans un creuset sous atmosphère contrôlée, en plusieurs fois, en remplissant à chaque fois le creuset et en isolant autant que nécessaire le circuit de matière pour maintenir cette atmosphère contrôlée, ce qui permet finalement d'utiliser un creuset plus petit pour un même poids de liquide produit par rapport à un creuset dans lequel l'ensemble de la matière à fondre par l'énergie solaire est introduit en une seule fois. A structure conforming to this criterion allows the material to be melted to be introduced into a crucible under a controlled atmosphere, in several times, filling the crucible each time and insulating the material circuit as much as necessary to maintain this controlled atmosphere, which ultimately allows the use of a smaller crucible for the same weight of liquid produced compared to a crucible into which all of the material to be melted by solar energy is introduced in one go.
L'invention est applicable à la fusion de l'aluminium à 800°C, avec un gain en rendement thermodynamique par rapport aux solutions antérieures, le réacteur étant plus compact mais aussi à la fusion d'alliages triés par nuances fondant entre 1500°C et 1600°C comme les aciers inoxydables et les alliages de titane et plus généralement pour la fusion de matériaux d'une température de fusion à laquelle le creuset et l'enveloppe résistent. The invention is applicable to the melting of aluminum at 800°C, with a gain in thermodynamic efficiency compared to previous solutions, the reactor being more compact, but also to the melting of alloys sorted by grade melting between 1500°C and 1600°C such as stainless steels and titanium alloys and more generally for the melting of materials with a melting temperature to which the crucible and the envelope resist.
Afin de quantifier les avantages de l'invention, il est possible de simuler numériquement la température en fonction du temps pour un creuset de l'art antérieur remplis de copeaux en une seule fois et un creuset selon l'invention progressivement rempli de copeaux fondus de façon fractionnée. In order to quantify the advantages of the invention, it is possible to numerically simulate the temperature as a function of time for a crucible of the prior art filled with chips in one go and a crucible according to the invention progressively filled with chips melted in a fractional manner.
Pour un flux solaire de même puissance, on atteindra 1300°C en 4h pour une contenance de 2500ml du creuset sans l'invention, les copeaux correspondant à un poids de 5kg étant insérés en une seule fois, contre lh pour une contenance de 625ml avec l'invention, les copeaux étant insérés en plusieurs fois, pour un même poids d'acier final produit de 5kg. For a solar flux of the same power, 1300°C will be reached in 4 hours for a capacity of 2500ml of the crucible without the invention, the chips corresponding to a weight of 5kg being inserted in a single times, against 1h for a capacity of 625ml with the invention, the shavings being inserted several times, for the same weight of final steel produced of 5kg.
Les chutes ou copeaux d'acier utilisés sont considérés en pratique 4 fois moins dense que de l'acier plein, le gain en volume des creusets est ainsi dans le même rapport (625 ml x 4 = 2500 ml), et on obtient ainsi un temps pour que le réacteur à vide arrive à 1300°C divisé par 4 si le volume utile permet de contenir du métal fondu plutôt que des copeaux. The steel scraps or shavings used are considered in practice to be 4 times less dense than solid steel, the gain in volume of the crucibles is thus in the same ratio (625 ml x 4 = 2500 ml), and we thus obtain a time for the vacuum reactor to reach 1300°C divided by 4 if the useful volume allows it to contain molten metal rather than shavings.
Aux fins de sélectionner une valve d'isolation et de disposer une telle valve de façon adaptée aux modes de la présente demande, un homme du métier pourra prendre en compte la température maximale d'utilisation de la valve et au besoin refroidir les gaz en contact avec la valve pour éviter une détérioration de la valve; il pourra aussi éviter un contact direct de la valve avec la matière métallique fondue, notamment au niveau du lingotage. Les valves d'isolation d'une installation VIM pourront être préférées pour tous les modes de la présente demande. Des valves utilisées dans d'autres domaines techniques pourront aussi être utilisées dans la mesure où elles sont étanches aux gaz et résistantes à la température de l'enveloppe à leur position. Une vis sans fin pourra être ainsi utilisée pour l'introduction de la matière métallique solide dans le creuset. Pour la sortie de matière métallique fondue, une valve à guillotine réalisée dans un matériau résistant à une température la plus proche du métal à fondre et utilisant des joints d'étanchéité en silicone pouvant résister à des températures de l'ordre de 1400°C pourra être utilisée ; son diamètre intérieur libre une fois la valve ouverte sera choisi de façon générale, plus grand que le diamètre de la voie de sortie de matière, pour éviter la matière métallique fondue s'écoulant hors de cette voie vers la lingotière. Ce critère général devra être rempli par les valves de sortie de matière métallique fondue, de tous les modes de réalisation de la présente demande, afin d'éviter le risque de contact de la valve avec de la matière métallique fondue à lingoter. For the purposes of selecting an isolation valve and arranging such a valve in a manner suitable for the methods of the present application, a person skilled in the art may take into account the maximum operating temperature of the valve and, if necessary, cool the gases in contact with the valve to avoid damage to the valve; he may also avoid direct contact of the valve with the molten metallic material, in particular at the ingot level. The isolation valves of a VIM installation may be preferred for all the methods of the present application. Valves used in other technical fields may also be used provided that they are gas-tight and resistant to the temperature of the casing at their position. A worm screw may thus be used for introducing the solid metallic material into the crucible. For the outlet of molten metallic material, a guillotine valve made of a material resistant to a temperature as close as possible to the metal to be melted and using silicone seals capable of withstanding temperatures of the order of 1400°C may be used; its free internal diameter once the valve is open will generally be chosen to be larger than the diameter of the material outlet channel, to prevent molten metal material flowing out of this channel towards the ingot mold. This general criterion must be met by the molten metal material outlet valves of all embodiments of the present application, in order to avoid the risk of contact of the valve with molten metal material to be ingoted.
Le récupérateur d'échantillon (10) du métal fondu (12) peut être inclus dans tous les modes de la présente demande pour déterminer la composition du métal fondu (12) dans le creuset(ll) au cours de son remplissage progressif, et modifier la matière (8) introduite, via la voie d'entrée de matière (7) pour corriger une composition, notamment pour produire une nuance. The sample collector (10) of the molten metal (12) can be included in all the modes of the present application to determine the composition of the molten metal (12) in the crucible (ll) during its progressive filling, and to modify the material (8) introduced, via the material inlet channel (7) to correct a composition, in particular to produce a shade.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CHCH000239/2024 | 2024-03-05 | ||
| CH000239/2024A CH721634A1 (en) | 2024-03-05 | 2024-03-05 | Device and method for melting metal using solar energy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025186641A1 true WO2025186641A1 (en) | 2025-09-12 |
| WO2025186641A8 WO2025186641A8 (en) | 2025-10-02 |
Family
ID=90717444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/IB2025/051401 Pending WO2025186641A1 (en) | 2024-03-05 | 2025-02-11 | Compact solar reactor for recycling metals |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH721634A1 (en) |
| WO (1) | WO2025186641A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070289508A1 (en) * | 2004-09-29 | 2007-12-20 | Tamio Okada | Apparatus And Method For Heating Treatment |
| CN111486704A (en) * | 2020-04-10 | 2020-08-04 | 上海大学 | A kind of laser heat source melting and purification method |
| WO2023203472A2 (en) * | 2022-04-18 | 2023-10-26 | Brilliant Light Power, Inc. | Infrared plasma light recycling thermophotovoltaic hydrogen electrical power generator |
-
2024
- 2024-03-05 CH CH000239/2024A patent/CH721634A1/en unknown
-
2025
- 2025-02-11 WO PCT/IB2025/051401 patent/WO2025186641A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070289508A1 (en) * | 2004-09-29 | 2007-12-20 | Tamio Okada | Apparatus And Method For Heating Treatment |
| CN111486704A (en) * | 2020-04-10 | 2020-08-04 | 上海大学 | A kind of laser heat source melting and purification method |
| WO2023203472A2 (en) * | 2022-04-18 | 2023-10-26 | Brilliant Light Power, Inc. | Infrared plasma light recycling thermophotovoltaic hydrogen electrical power generator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025186641A8 (en) | 2025-10-02 |
| CH721634A1 (en) | 2025-09-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2699881C (en) | High temperature electrolyser with temperature homogenisation device | |
| EP2906895B1 (en) | Method for manufacturing a heat exchanger containing a phase-change material, exchanger obtained and uses at high temperatures | |
| FR2916197A1 (en) | APPARATUS AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF GLASS MATERIALS OR HIGH-TEMPERATURE FUSION VITROCERAMIC MATERIALS | |
| FR2649026A1 (en) | PROCESS FOR SHAPING COMPACT BODIES | |
| FR2662071A1 (en) | CASTING MOLDING PROCESS FOR DENTAL METALS. | |
| WO2004069742A1 (en) | Method and installation for making carbon nanotubes | |
| WO2017093165A1 (en) | Cold crucible furnace heated by two electromagnetic inductors having a device forming a magnetic flux concentrator, use of the furnace for melting a mixture of metal(s) and oxide(s) representing a corium | |
| FR2547034A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR LIQUEFACTION OF FUSE FABRIC BY ABLATION USING A PLASMA | |
| WO2025186641A1 (en) | Compact solar reactor for recycling metals | |
| EP3700695A1 (en) | Method and device for moulding, in particular a metallic glass | |
| FR2978060A1 (en) | METHOD AND APPARATUS FOR NON-MIXED AND HIGH-TEMPERATURE CONTACT WITH TWO NON-MISCIBLE LIQUIDS WITH HEATING AND INDUCTION BREWING | |
| FR2893329A1 (en) | ELECTROLYSIS TANK WITH THERMAL EXCHANGER. | |
| EP0649477B1 (en) | Electric furnace for melting scrap iron | |
| FR2576916A1 (en) | CONSTANTLY RENEWED GAS PHASE TRAINING PROCESS, UNDER REDUCED PRESSURE, OF PROTECTIVE COATINGS ON REFRACTORY ALLOY PARTS, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| FR2538603A1 (en) | PROCESS FOR PACKAGING WASTE CONSISTS OF RADIOACTIVE METAL PARTICLES SUCH AS DISSOLUTION FINES OF IRRADIATED FUEL ELEMENTS | |
| FR3133624A1 (en) | Mixed densification installation of porous preforms | |
| FR2548820A1 (en) | PROCESS FOR FILLING METALLIC CONTAINERS WITH A RADIOACTIVE FONDUE MASS MASS AND DEVICE FOR RECEIVING A RADIOACTIVE FONDUE MASS MASS | |
| CA1072307A (en) | Process for bonding two parts made respectively of alcaline beta alumina and alpha alumina | |
| FR2954764A1 (en) | Manufacturing silica crucible by fusion of quartz powder in porous mold connected to aspiration system, comprises perfoming primary fusion of quartz powder into dense silica layer, and performing secondary fusion of quartz powder | |
| FR2912397A1 (en) | Installation for refining silicon comprises a protective shield of refractory material with low thermal conductivity disposed between a crucible and the silicon charge | |
| FR2583208A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR TREATING NON-ORGANIC SOLID TRITIC WASTE | |
| FR2621495A1 (en) | DEGASER TRAP FOR REMOVING HYDROGEN AND OXYGEN FROM A LIQUID METAL | |
| FR2563363A1 (en) | IMPROVED NUCLEAR REACTOR INSTALLATION STRUCTURE | |
| FR3057277A1 (en) | WATER VAPOR GENERATOR, FOR ELECTROLYSIS OR WATER CO-ELECTROLYSIS REACTOR (SOEC) OR FUEL CELL (SOFC) HAVING PRESSURIZED OPERATION | |
| EP3214398A1 (en) | Energy storage device by phase change material including an electrical load integrated in the fluid circuit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 25707126 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |