EP0119877A1 - Four de fusion par induction à haute fréquence et procédé de préparation de matériaux céramiques à l'aide de ce four - Google Patents

Four de fusion par induction à haute fréquence et procédé de préparation de matériaux céramiques à l'aide de ce four Download PDF

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EP0119877A1
EP0119877A1 EP84400249A EP84400249A EP0119877A1 EP 0119877 A1 EP0119877 A1 EP 0119877A1 EP 84400249 A EP84400249 A EP 84400249A EP 84400249 A EP84400249 A EP 84400249A EP 0119877 A1 EP0119877 A1 EP 0119877A1
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high frequency
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ceramic materials
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Jacques Terrier
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core

Definitions

  • the present invention relates to techniques for preparing ceramic materials or glasses by high frequency induction melting in an oven on the walls of which forms an insulating crust, or autocreuset.
  • ceramic oxides which are good electrical insulators at room temperature, have a resistivity P which decreases with temperature (of the order of 0.1 to 10 Ohms.cm at near their liquefaction temperature).
  • the materials to be melted are generally placed in a pot which is a good conductor of heat (generally copper), the walls of which are cooled by a circulation of water and surrounded externally by a helical coil. dale traversed by the high frequency inductor current responsible for causing by electromagnetic induction the heating of the central mass contained in the pot. Due to the energetic cooling of the cylindrical copper wall constituting the pot, a crust is formed inside against this wall and causes insulation both thermally. that electric of the hot liquid part located inside the crust and which is the seat of the release of all the induced energy.
  • the fact that the inductive helical coil is distinct from the copper crucible leads to a significant high frequency power loss (of the order of 50%) and the discontinuous nature of the preparation requires an expenditure of energy. not negligible because of the successive preheating of the materials which are obtained either by introduction into the mass of products which are good conductors of electricity, or by direct heating with external means, such as the combustion of gas for example.
  • the slot made in the cylinder constituting the wall of the oven creates a large magnetic field gradient, detrimental to the homogeneity of the inductive heating;
  • the single turn thus formed can only be powered by the high frequency generator through a transformer in the air, which leads to a significant loss of energy and a correlative drop in efficiency. of the installation.
  • the present invention specifically relates to an induction melting furnace, of a simple embodiment, making it possible to overcome the drawbacks previously recalled from the known art.
  • This furnace the wall of which constitutes both the inductor, the cold crucible for holding the molten products and the inductor of the oscillating circuit of the high frequency aperiodic generator, is characterized in that its cylindrical wall is cut along a form line helical general thus forming a single flat turn with several turns.
  • the present invention also relates to a process for the preparation of ceramic materials which, while being particularly simple to use, allows continuous manufacture of these same ceramic materials while considerably reducing wheat energy expenditure necessary for this purpose.
  • This process for preparing ceramic materials by high frequency induction melting in an oven on the walls of which forms an insulating crust or autocreuset is characterized in that the powder containing the various compounds constituting the material to be prepared is introduced, continuously , in a high frequency electric oven of the previous aperiodic type, whose single helical flat turn serves as both an inductor and a cold crucible, the molten material obtained is also continuously drawn from this oven in a chute passing through the turn .
  • an aperiodic type electric oven that is to say one containing no separate oscillating circuit and having no natural operating frequency, this being chosen by the inductor which determines it automatically by electromagnetic coupling with the product to be melted.
  • this oven is produced by helical winding of a single flat turn which serves both as an inductor system and as a cold crucible, thus eliminating the energy losses inherent in the prior art when using ovens in which the crucible was independent of the inducing coil.
  • an aperiodic generator designed according to the invention, it is the assembly of the flat coil wound helically and the material to be treated which constitutes, as has been said, the crucible, the inductor system, and the self of the oscillating circuit, the system balancing itself by placing itself at the electrical resonance by the automatic choice of the operating frequency.
  • the withdrawal of the molten material takes place, like the addition of the powder containing the various constituents, to the upper part of the furnace, in the vicinity of the free surface of the molten material. , the homogenization of the mixture of powders and ceramic materials being carried out by convective mixing of the liquid phase.
  • the furnace is filled during the first loading using two materials which are temporarily separated by a cylindrical wall, namely, between this wall and that of the furnace , a first material which will form the autocreuset, and, inside the cylindrical wall, a second material which will be melted.
  • the cylindrical wall which thus separates the two materials at the time of loading can be removed altogether when the filling is finished or, a fortiori, when the oven has reached its normal melting temperature.
  • the insulating layer of the self-crucible can be of the same nature as the product to be melted, provided that it is in a defined physical form, for example SiZr0 4 , varied borosilicate, etc.
  • the initiation of the melting of a ceramic material can be done either conventionally by gas heating, or by introduction into the material to be melted of a conductive plate, for example circular, placed substantially in the central part of the crucible, kept immobilized and supplied for the time necessary using a high frequency current.
  • the flow of liquid enamels is ensured continuously at the level of the free surface of the liquid phase by means of a cooled chute, insulated or not, which crosses the inducing coil.
  • the process which is the subject of the invention therefore makes it possible to obtain both an energy yield of very good quality, continuous overflow, self-regulating, and to minimize the means of preheating in an installation which can operate continuously for several days without stopping or starting up.
  • the process which is the subject of the invention finds numerous applications in the production of enamels and glasses for the ceramic industries as well as in the vitrification of nuclear waste.
  • FIG. 1 we see, in exploded view, how is formed the crucible 1 of the furnace using a helical winding of a flat strip 2 conductive along a cylindrical surface.
  • This structure of the furnace characteristic of the invention, is obtained by lateral cutting of the cylinder of conductive metal constituting the crucible according to a slot 14 having a substantially helical outline, so as to thus produce a single flat turn with several turns.
  • the device has two high frequency current supply terminals 3 and 4 respectively from the aperiodic generator 15. This shows the essential characteristic of this embodiment in which the single turn with several turns resulting from the winding of the strip 2 constitutes at the same time the melting crucible of the materials to be produced.
  • an arrangement of this kind requires operation in autocreuset, that is to say the formation of a solid crust of impervious material along the internal wall of the crucible to ensure the sealing of the latter.
  • a coil 5 traversed by cold water, maintains the coil and its immediate environment at a temperature low enough to produce this insulating crust.
  • a cylindrical wall 6 internal to the crucible 2 and which temporarily separates, at the time of the first loading, the peripheral material contained in the zone 7 between the crucible 2 and the cylindrical wall 6, intended to form the insulating crust (for example silica Si0 2 ) and the interior 8 of the crucible in which the materials intended to be fused by induction heating are placed such as for example silicates.
  • the cylindrical wall 6 is only used temporarily when the crucible 2 is first loaded and is removed when the crust has formed and the melting of the materials has started.
  • FIG. 3 In the installation of FIG. 3, there are successively three superimposed receptacles, namely a hopper 9 for supplying a powder mixture containing the various constituents of the materials to be prepared, said powder continuously discharging through a chute 10 into the actual induction furnace 11 which is produced according to the design described in FIG. 1 above.
  • a hopper 9 for supplying a powder mixture containing the various constituents of the materials to be prepared, said powder continuously discharging through a chute 10 into the actual induction furnace 11 which is produced according to the design described in FIG. 1 above.
  • the molten enamels contained in the furnace 11 are removed from the surface 12 of separation of the pha is liquidated by means of a chute 13 possibly itself refroded, which passes through the turn 2 of the oven 11.
  • the molten enamels then flow through the chute 13 in a conventional manner to a water tank 14 to undergo the quenching necessary for their cooling and desired shaping.
  • the furnace feed rate for this mixture was 40 kg per hour.
  • the power used was 50 kW, the frequency 350 kHz and the processing temperature 1450 ° C.
  • This process can also be applied to the production of ultra-pure products with very high melting points; this object can only be achieved if the autocreuset is formed from the material to be melted and not from a layer of material of a different chemical nature.

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Abstract

Procédé de préparation de matériaux céramiques par fusion par induction à haute fréquence. La poudre contenant les divers composés constitutifs du matériau à préparer est introduite, en continu, dans un four électrique (1) à haute fréquence du type apériodique dont la spire plate unique sert à la fois de système inducteur et de creuset froid, le matériau en fusion obtenu étant également soutiré en continu de ce four dans une goulotte (13) traversant la spire (2).

Description

  • La présente invention se rapporte aux techniques de préparation de matériaux céramiques ou de verres par fusion par induction à haute fréquence dans un four sur les parois duquel se forme une croûte isolante, ou autocreuset.
  • On sait d'une façon générale, que les oxydes céramiques, qui sont de bons isolants électriques à la température ambiante, ont une résistivité P qui dé- croit avec la température (de l'ordre de 0,1 à 10 Ohms.cm au voisinage de leur température de liquéfaction).
  • De ce fait, il est donc possible de maintenir des matériaux de ce genre en fusion par chauffage par induction à une fréquence élevée, de l'ordre de 100 à 500 KHz par exemple, à condition de porter préalablement ces matériaux à une température suffisante pour provoquer leur liquéfaction et de respecter les dimensions minimales du four qui sont nécessaires pour un chauffage correct par induction d'énergie électrique dans toute la masse en fusion.
  • Dans les techniques connues de ce genre, on place en général les matériaux à fondre dans un pot bon conducteur de la chaleur (en général du cuivre) dont les parois sont refroidies par une circulation d'eau et entourées extérieurement d'une spire hélicoi- dale parcourue par le courant inducteur de haute fréquence chargé de provoquer par induction électromagnétique le chauffage de la masse centrale contenue dans le pot. Du fait du refroidissement énergique de la paroi cylindrique en cuivre constituant le pot, une croûte se forme à l'intérieur contre cette paroi et provoque l'isolement tant du point de vue thermique qu'électrique de la partie chaude liquide située à l'intérieur de la croûte et qui est le siège du dégagement de toute l'énergie induite. Dans des appareils connus de ce genre, il est nécessaire de travailler avec des générateurs de haute fréquence classiques et de manière discontinue, c'est-à-dire qu'à chaque opération, le pot doit être rempli de poudre contenant les différents composés constitutifs du matériel à préparer, chauffé par induction, vidé de sa phase liquide puis nettoyé avant l'opération suivante.
  • Par ailleurs, le fait que la spire hélicoi- dale inductrice est distincte du creuset en cuivre conduit à une perte de puissance haute fréquence importante (de l'ordre de 50%) et le caractère discontinu de la préparation oblige à une dépense d'énergie non négligeable en raison des préchauffages successifs des matériaux que l'on obtient soit par introduction dans la masse de produits bons conducteurs de l'électricité, soit par chauffage direct avec des moyens extérieurs, tels que la combustion de gaz par exemple.
  • On a donc envisagé d'améliorer le rendement énergétique de tels fours à induction en constituant la paroi du creuset par l'inducteur primaire lui-même, le secondaire du transformateur électrique ainsi réalisé étant constitué par la masse de matériau fondu, à l'intérieur de laquelle se développent des courants induits.
  • C'est le cas notamment du four électrique décrit dans le brevet français BF-A-1.430.192 qui se compose essentiellement d'une paroi métallique cylindrique, fendue selon une génératrice et obturée par un joint isolant 2 (Fig. 2) en matière suffisamment réfractaire pour que la paroi métallique forme une spire unique connectée de part et d'autre du joint 2 aux deux pôles d'une source électrique à haute fréquence.
  • Un four de ce genre possède néanmoins deux inconvénients majeurs qui sont les suivants.
  • D'une part, la fente pratiquée dans le cylindre constituant la paroi du four crée un gradient de champ magnétique important, nuisible à l'homogénéité du chauffage inductif ;
  • D'autre part, la spire unique ainsi constituée ne peut être alimentée par le générateur de haute fréquence qu'au travers d'un transformateur dans l'air, ce qui conduit à une perte d'énergie importante et à une baisse corrélative du rendement de l'installation.
  • La présente invention a précisément pour objet un four de fusion par induction, d'une réalisation simple, permettant de s'affranchir des inconvénients précédemment rappelés de l'art connu.
  • Ce four, dont la paroi constitue à la fois l'inducteur, le creuset froid de maintien des produits fondus et la self du circuit oscillant du générateur apériodique à haute fréquence, se caractérise en ce que sa paroi cylindrique est découpée selon une ligne de forme générale hélicoïdale formant ainsi une spire unique plate à plusieurs tours.
  • La possibilité d'alimenter directement un tel four par un générateur apériodique, sans interposition d'un transformateur à air ainsi que l'homogénéité quasi parfaite du champ HF induit dans la masse à fondre, permet de travailler en continu, notamment à l'élaboration de matériaux céramiques très réfractaires avec un rendement énergétique élevé.
  • La présente invention a également pour objet un procédé de préparation de matériaux céramiques qui, tout en étant d'une mise en oeuvre particulièrement simple, permet une fabrication en continu de ces mêmes matériaux céramiques en diminuant de façon considéra- blé les dépenses énergétiques nécessaires à cet effet.
  • Ce procédé de préparation de matériaux céramiques par fusion par induction à haute fréquence dans un four sur les parois duquel se forme une croûte isolante ou autocreuset, se caractérise en ce que la poudre contenant les divers composés constitutifs du matériau à préparer est introduite, en continu, dans un four électrique à haute fréquence du type apériodique précédent, dont la spire plate unique hélicoïdale sert à la fois de système inducteur et de creuset froid, le matériau en fusion obtenu étant également soutiré en continu de ce four dans une goulotte traversant la spire.
  • Selon l'invention, par conséquent, deux caractéristiques fondamentales sont mises en oeuvre simultanément et conduisent à l'obtention des avantages précédemment indiqués. D'une part, le recours à un four électrique de type apériodique, c'est-à-dire ne contenant pas de circuit oscillant distinct et n'ayant pas de fréquence propre de fonctionnement, celle-ci étant choisie par l'inducteur qui la détermine lui-même automatiquement par couplage électromagnétique avec le produit à fondre. D'autre part, ce four est réalisé par enroulement hélicoïdal d'une spire plane unique qui sert à la fois de système inducteur et de creuset froid supprimant ainsi les pertes d'énergie inhérentes dans l'art antérieur à l'emploi de fours dans lesquels le creuset était indépendant de la spire inductrice. Dans un générateur apériodique conçu selon l'invention, c'est l'ensemble de la spire plate enroulée hélicoldalement et du matériau à traiter qui constitue comme on l'a dit le creuset, le système inducteur, et la self du circuit oscillant, le système s'équilibrant de lui-même en se plaçant à la résonance électrique par le choix automatique de la fréquence de fonctionnement.
  • Selon une caractéristique importante du procédé objet de l'invention, le soutirage du matériau en fusion a lieu, comme l'apport de la poudre contenant les divers constituants, à la partie haute du four, au voisinage de la surface libre du matériau en fusion, l'homogénéisation du mélange des poudres et des matériaux céramiques étant réalisée par le brassage convectif de la phase liquide.
  • L'un des intérêts non négligeable du procédé, objet de l'invention, réside donc dans le fait que le chauffage par induction provoque au sein même du matériau en fusion, des courants de convection qui sont suffisants pour assurer l'homogénéisation des mélanges de poudre et de matériau céramique fondu et permettent de ce fait aussi bien l'apport de poudre solide que le soutirage du matériau fondu à la surface de la phase liquide contenue dans le four.
  • Selon une autre caractéristique secondaire, mais intéressante, de la présente invention, on remplit le four lors du premier chargement à l'aide de deux matériaux que l'on sépare provisoirement par une paroi cylindrique, à savoir, entre cette paroi et celle du four, un premier matériau qui formera l'autocreuset, et, à l'intérieur de la paroi cylindrique, un deuxième matériau qui sera fondu.
  • La paroi cylindrique qui sépare ainsi les deux matériaux au moment du chargement, peut être retirée purement et simplement lorsque le remplissage est terminé ou, a fortiori, lorsque le four a atteint sa température de fusion normale.
  • Des essais ont montré que la couche isolante de l'auto-creuset peut être de même nature que le produit à fondre à condition d'être sous une forme physique définie, exemple SiZr04, borosilicate varié, etc...
  • Enfin, l'amorçage de la fusion d'un matériau céramique peut se faire soit de façon classique par chauffage au gaz, soit par introduction dans le matériau à fondre d'une plaque conductrice, par exemple circulaire, placée sensiblement dans la partie centrale du creuset, maintenue immobilisée et alimentée pendant le temps nécessaire à l'aide d'un courant à haute fréquence.
  • Pour minimiser les pertes thermiques dans le fond du four, il est avantageux de le constituer par exemple d'une plaque de cuivre refroidie par une circulation d'eau ou d'une plaque de produit réfractaire.
  • En maintenant dans le four à induction la quantité d'émaux liquides constante, on évite ainsi les préchauffages successifs qui étaient nécessaires dans l'art antérieur pour initier l'induction dans les matériaux.
  • L'écoulement des émaux liquides est assuré en continu au niveau de la surface libre de la phase liquide par l'intermédiaire d'une goulotte refroidie, isolée ou non, et qui traverse la spire inductrice.
  • Sans rechercher spécialement l'optimisation du procédé à l'aide par exemple des réflecteurs à rayonnement infrarouge situés au-dessus de la surface ou par un chauffage localisé au-dessus de la goulotte, on a ainsi obtenu, selon les produits élaborés, des rendements de production énergétique de deux à cinq fois supérieurs à ceux des techniques de l'art antérieur. La consommation moyenne est de 1,5 kWh par kg de matière élaborée à 1500°C ; elle est donc inférieure à la consommation que nécessite la fabrication des mêmes produits dans des fours à gaz et les prix de revient énergétiques sont inférieurs d'environ 30%.
  • Le procédé objet de l'invention permet donc d'obtenir à la fois un rendement énergétique de très bonne qualité, une coulée continue par débordement, auto-régulée, et de minimiser les moyens de préchauffage dans une installation qui peut fonctionner en continu pendant plusieurs jours sans arrêt ni mise en route.
  • Le procédé objet de l'invention trouve de nombreuses applications dans l'élaboration d'émaux et de verres pour les industries céramiques ainsi que dans la vitrification des déchets nucléaires.
  • De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre, donnés à titre purement illustratif et non limitatif, faits en se référant aux figures schématiques 1 à 3 ci-jointes.
    • La figure 1 représente en coupe schématique selon l'axe un exemple de réalisation de four apériodique à haute fréquence objet de l'invention
    • la figure 2 représente en coupe un exemple de four à induction muni d'une paroi de séparation cylindrique provisoire lors du chargement ;
    • La figure 3 représente de façon schématique une installation globale de production en continu d'émaux selon le procédé objet de l'invention.
  • Sur la figure 1 on voit, en vue éclatée, comment est constitué le creuset 1 du four à l'aide d'un enroulement hélicoïdal d'une bande plane 2 conductrice selon une surface cylindrique. Cette structure du four, caractéristique de l'invention, est obtenue par découpage latéral du cylindre de métal conducteur constituant le creuset selon une fente 14 ayant un tracé sensiblement hélicoïdal, de façon à réaliser ainsi une spire plate unique à plusieurs tours. Le dispositif comporte deux bornes d'alimentation, respectivement 3 et 4, en courant haute fréquence provenant du générateur apériodique 15. On voit ainsi la caractéristique essentielle de ce mode de réalisation dans lequel la spire unique à plusieurs tours résultant de l'enroulement de la bande 2 constitue en même temps le creuset de fusion des matériaux à élaborer. Bien entendu, une disposition de ce genre nécessite un fonctionnement en autocreuset, c'est-à-dire la formation d'une croûte solide de matériau étanche le long de la paroi interne du creuset pour assurer l'étanchéité de ce dernier. A cet effet, un serpentin 5, parcouru par de l'eau froide, maintient la spire et son environnement immédiat à une température suffisamment basse pour réaliser cette croûte isolante.
  • Dans l'exemple de la figure 2 où l'on retrouve le creuset 2, on a représenté une paroi cylindrique 6 interne au creuset 2 et qui sépare provisoirement, au moment du premier chargement, le matériau périphérique contenu dans la zone 7 entre le creuset 2 et la paroi cylindrique 6, destiné à former la croûte isolante (par exemple de la silice Si02) et l'intérieur 8 du creuset dans lequel on place les matériaux destinés à être fusionnés par chauffage par induction tels que par exemple des silicates. La paroi cylindrique 6 n'est utilisée que de façon provisoire au moment du premier chargement du creuset 2 et on l'enlève lorsque la croûte s'est formée et que la fusion des matériaux a commencé.
  • Dans l'installation de la figure 3, on trouve successivement trois récipients superposés, à savoir une trémie 9 d'alimentation en mélange de poudre contenant les différents composés constitutifs des matériaux à préparer, ladite poudre se déversant en permanence par une goulotte 10 dans le four à induction proprement dit 11 qui est réalisé selon la conception décrite sur la figure 1 précédente.
  • Les émaux en fusion contenus dans le four 11 sont prélevés à la surface 12 de séparation de la phase liquide à l'aide d'une goulotte 13 éventuellement elle-même refrodie, qui traverse la spire 2 du four 11.
  • Les émaux en fusion s'écoulent ensuite par la goulotte 13 de façon classique vers un bac à eau 14 pour y subir la trempe nécessaire à leur refroidissement et mise en forme souhaitée.
  • A titre d'exemple on a introduit dans la trémie d'alimentation le mélange suivant :
    Figure imgb0001
  • Le débit d'alimentation du four en ce mélange était de 40 kg par heure.
  • Le puissance utilisée était de 50 kw, la fréquence de 350 kHz et la température d'élaboration de 1450°C.
  • Dans cet exemple on constate qu'on dépense 1 kwh par kilogramme de produit, ce qui est sensiblement le tiers des valeurs couramment rencontrées dans les procédés de l'art antérieur.
  • Dans un autre exemple de mise en oeuvre du four, on a réalisé les performances suivantes :
    • On a mis en fusion à 2600°C une masse de 10 kg de silicate de zirconium (SiZr04). Pour maintenir en fusion avec une surface découverte à l'air libre, on a utilisé sur le réseau une puissance de 28 kw, avec des pertes par rayonnement de surface estimées à 15 kw. Il a fallu 20 kwh pour la mise en fusion de toute la masse, ce qui correspond à une consommation par kilo de 2 kwh.
  • Ce procédé peut aussi s'appliquer à l'élaboration de produits ultra-purs et à très hauts points de fusion ; ce but ne peut être atteint que si l'autocreuset est formé à partir du matériau à fondre et non pas d'une couche de matière de nature chimique différente .

Claims (4)

1. Four de fusion par induction à haute fréquence, dont la paroi constitue à la fois l'inducteur, le creuset froid de maintien des produits fondus et la self du circuit oscillant du générateur apériodique à haute fréquence (15), caractérisé en ce que sa paroi cylindrique (1) est découpée selon une ligne (14) de forme générale hélicoïdale formant ainsi une spire unique plate à plusieurs tours.
2. Procédé de préparation de matériaux céramiques par fusion par induction à haute fréquence, dans un four sur les parois duquel se forme une croûte isolante ou autocreuset, caractérisé en ce que la poudre contenant les divers composés constitutifs du matériau à préparer est introduite, en continu, dans un four électrique (1) à haute fréquence du type apériodique dont la spire plate unique sert à la fois de système inducteur et de creuset froid, le matériau en fusion obtenu étant également soutiré en continu de ce four dans une goulotte (13) traversant la spire (2).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le soutirage du matériau en fusion a lieu, comme l'apport de la poudre contenant les divers constituants, à la partie haute du four, au voisinage de la surface libre du matériau en fusion, l'homogénéisation des mélanges des poudres et des matériaux céramiques étant réalisée par le brassage électromagnétique de la phase liquide.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on remplit le four (1), lors du premier chargement, à l'aide d'un matériau que l'on sépare provisoirement par une paroi cylindrique (6), à savoir, entre cette paroi et celle du four, ce matériau qui formera l'autocreuset, et, à l'intérieur de la paroi cylindrique, un autre matériau qui sera fondu.
EP84400249A 1983-02-14 1984-02-06 Four de fusion par induction à haute fréquence et procédé de préparation de matériaux céramiques à l'aide de ce four Expired EP0119877B1 (fr)

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