Brevet FR2322506A1 — publié le 19770325

La présente invention concerne un procédé de chauffage par induction d'un tube en acier et plus particulièrement un procédé pour effectuer uniformément le chauffage par induction d'un tube en acier selon sa direction axiale tandis que l'on déplace le tube en acier selon cette direction. Dans le cas où l'on effectue le chauffage par induction d'un tube en acier de grande longueur en utilisant l'énergie électrique industrielle, on utilise généralement un procédé de chauffage du tube en acier dans lequel on fait circuler le tube en acier dans la bobine du four à induction fixe. Pour obtenir un chauffage satisfaisant, il est nécessaire, dans ce cas, d'assurer une égalisation de la température du tube d'acier selon sa direction longitudinale. Un point qui devient particulièrement un problème pour l'ega- lisation de la température du tube d'acier selon sa direction longitudinale est la différence de température entre la partie centrale et l'extrémité du tube. Par exemple, lorsque des traitements thermiques tels qu'unie trempe et un revenu sont effectués, l'ex trémité du tube n'est pas soumise à la différence de température requise par rapport à la partie centrale du tube d'acier et il en résulte qu'un traitement thermique satisfaisant ne peut être effectué et que des effets défavorables apparaissent tels que les pro prêtés désirées en ce qui concerne le matériau et la forme a l'ex- trémité du tube ne peuvent être obtenues et aussi que le rendement se trouve détérioré. en raison de la chute des parties de qualité inférieure. La différence de température entre la partie centrale et l'extrémité du tube telle que mentionnée ci-dessus est provoquée par la différence dans le pouvoir de radiation thermique entre l'extrémité du tube et la partie centrale ainsi que par le gradient de température résultant du transfert thermique et, dans les cas normaux, de tels problèmes ne peuvent être évités. Pour éliminer la différence de température, différents procédés ont été proposés tels qu'un procédé a chauffage auxiliaire utilisant un appareil de chauffage auxiliaire, un procédé de traitement en continu, un procédé prévoyant une zone de maintien en température et un procédé avec réglage de la puissance électrique mais chaque procédé a ses problèmes spécifiques tels que décrits ci-après et, en conséquence, aucun de ceux-ci n'est un moyen efficace pour remédier aux inconvénients. (a) Procéde a chauffage auxiliaire Dans le procédé a chauffage auxiliaire, seule la partie température plus basse a la partie d'extremitE du tube est chauffée avant ou après le chauffage principal, mais les conditions du chauffage principal agissent de façon sensible sur le chauffage auxiliaire et ce procédé demande des réglages complexes, ce par quoi des conditions stables ne peuvent être obtenues. (b) Procédé de traitement en continu Ce procédé consiste å chauffer en continu des tubes en acier se suivant qui sont en butée par leurs extrémités mais la dimension de l'extrémité du tube ou la perpendicularité par rapport a l'axe du tube présentent des irrégularités et il en résulte que la condition de mise en butée ne peut être satisfaite lorsque les extrémités des tubes qui se suivent ne sont pas étroitement en butée. I1 existe un procédé similaire qui consiste a fixer une pièce factice sur les extrémités avant et arrière des tubes en acier mais les inconvénients tels que la perte de la pièce factice ou la réduction de l'efficacité du travail sont importants. (c) Procédé de la zone de maintien en température Ce procédé est généralement appliqué dans les fours de chauffage usuels mais dans le cas d'un dispositif engendrant un chauffage interne dans le matériau en acier comme dans le cas du chauffage par induction, ce procédé nécessite une installation se- parée de chauffage indirecte (par exemple un four à gaz) et-il n est pas envisageable parce que les caracteristiques de chauffage sont endommagées. (d) Procédé de réglage de la puissance : Ce procédé consiste a détecter la température au voisinage de l'extrémité du tube pendant l'opération de chauffage et a compenser les variations de température par réglage de la puissance électrique de chauffage appliquée mais ce procédé n'est pas écono moque en raison des exigences et des équipements de centrale complexes devant répondre a une grande variété de conditions. A cause des circonstances ci-dessus, dans le chauffage par induction des tubes en acier, la mise au point d'un procédé de chauffage simple utilisable en grand qui résolve les problèmes cidessus a été recherchée. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus rencontrés dans les procédés de chauffage par induction des tubes d'acier conventionnels. Un but de la présente invention est de fournir un procédé de chauffage par induction de tubes d'acier qui permette de chauffer uniformément le tube selon sa direction longitudinale, ce qui permet d'améliorer les propriétés du matériau et la forme de l'extré- mité du tube. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de chauffage par induction de tubes d'acier qui peut être appliqué frmnédiatement aux installations de chauffage par induction existantes et qui puisse entre mis en oeuvre avec des coûts de fonctionnement et d'installation faibles. Un but supplémentaire de la présente invention est de fournir un procédé de chauffage par induction de tubes d'acier dans lequel le temps de chauffage devient court et dont l'efficacité du travail est améliorée. Afin d'obtenir les buts ci-dessus, dans un procédé de chauffage des tubes d'acier par une bobine d'induction tandis que lt.on fait circuler le tube selon sa direction axiale, le procédé de chauffage par induction des tubes d'acier selon la présente invention est caractérisé par l'obtention d'une densité superficielle d'absorption-de puissance électrique telle que la différence de température entre l'extrémité du tube- selon sa direction axiale et la partie centrale selon sa direction axiale soit inférieure a une valeur désirée et par le réglage de la puissance électrique appliquée a la bobine d'induction de manière à obtenir cette densité superficielle d'absorption de puissance électrique. On décrira ci-après un mode de réalisation de la présente invention avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : Fig. 1 est une vue représentant la condition selon laquelle varie le chauffage appliqué a l'extrémité du tube atacier; Fig. 2 est un graphique représentant la condition selon laquelle la température du tube chauffé varie le long de la direction axiale au voisinage de l'extrémité du tube d'acier; Fig. 3 est un graphique représentant la relation entre la vitesse de défilement du tube et la longueur de la partie a température réduite a l'extrémité du tube; Fig. 4 est un graphique représentant la relation entre la température de chauffage et la densité superficielle d'absorption de puissance électrique;; Fig. 5 est un graphique représentant la relation entre la densité superficielle d'absorption de puissance électrique et la longueur chutée à l'extrémité du tube, et, Fig. 6 est un graphique représentant la relation entre la température de chauffage et la densité superficielle d'absorption de la puissance électrique et l'épaisseur de la paroi du tube. On a remarqué que la différence de température entre la partie centrale du tube d'acier et l'extrémité du tube est grandement influencée par la durée du chauffage. et, à la suite de nombreuses expériences, on a réussi a raccourcir la durée du chauffage et a réduire la différence de température en appliquant certaines conditions spécifiques. La présente invention est caractérisée en ce qu'on a trouvé les conditions optimales qui rendent possible le raccourcissement de la durée de chauffage. La présente invention sera décrite en détail en se référant à un exemple de chauffage par induction en utilisant l'énergie électrique industrielle en ce qui concerne un tube d'acier de grand diamètre. Dans la figure 1, le tube d'acier 1 passe à travers la bobine 2 du four a chauffage par induction tandis qu'on le fait circuler dans la direction de la flèche A de manière à ce qu'il soit chauffé à la température désirée. Dans la partie d'extrémité 3 du tube d' acier qui doit être chauffée, à savoir le point Q , la chaleur est considérée comme étant rayonnée vers l'extérieur selon Q1 , Q2, Q3 et aussi comme étant transférée selon Q4 vers l'intérieur. Par contre, la partie centrale du tube d'acier, à savoir le point Q' , Q2' représente une radiation de chaleur vers l'extérieur sous presque la même condition que pour Q2, mais en ce qui concerne les autres composantes Q1' , Q3' et Q4' , les conditions respectives différent. Particulièrement en ce qui concerne Q1 et Q1' , pour Qi il existe une radiation de chaleur vers l'extérieur tandis que pour Q1' le transfert de chaleur n'existe pas et la différence de tempserature est remarquablement élevée. En général, la différence de température AT entre l'extré- mité du tube et la partie centrale du tube d'acier èst provoquée par la différence avec la partie centrale en ce qui concerne Q1 Q3 et Q4. La valeur normale de la différence de température AT devient par exemple de 400C a 800C dans le Tableau 1 comme on le décrira ci-apres et il n'est pas inhabituel que des valeurs encore plus grandes apparaissent. Du point de vue de la qualité du produit on considère que la gamme de différence de température qui ne pose aucun problème du point de vue pratique, a savoir la différence de température acceptable AT' est autour de 2O0C. En conséquence, dans le cas où elle excède cette gamme de température permise AT' -, comme représenté dans la figure 2, la longueur de l'extrémité du tube Q1 qui correspond a la partie dépassant la gamme est chutée. Cette différence de température AT est soumise à une variation dont les causes principales sont la durée du chauffage, la température du chauffage et l'épaisseur de la paroi du tube d'acier chauffé. Parmi celles-ci la température de chauffage est évidemment déterminée par la vitesse de déplacement du tube d'acier et par la longueur de la bobine d'induction. Des expériences ont été effectuées de façon répétée dans une installation comportant un dispositif en vraie grandeur en ce qui concerne la relation entre la différence de température AT et la durée du chauffage, la température de chauffage et l'épaisseur du tube d'acier et on a effectué des essais'selon différents modes pour obtenir les relations avec chaque facteur à savoir: la durée du chauffage, la température de chauffage, l'épaisseur de la paroi du tube d'acier et la différence de température AT en modifiant lesdits facteurs de manière a trouver les conditions pratiques les plus favorables. Tout d'abord, on a trouvé que la longueur Li de l'extrémité du tube dépassant la différence de température permise AT' , comme représenté dans la figure 2, devenait rapidement plus petite lorsque lton augmentait la vitesse de déplacement v du tube d'acier comme représente dans la figure 3. La vitesse de déplacement vO du tube d'acier pour laquelle la longueur Q1 devient égale a deux fois l'épaisseur de la paroi d du tube a été obtenue pour chaque température de chauffage T, chaque condition de la bobine d'induction et chaque dimension du matériau a chauffer en effectuant les différents essais. Dans ce cas, si la température de chauffage du tube d'acier est déterminée, sans relation avec la condition de la bobine dtin- duction, les calories-par unité de poids requises pour chauffer le tube d'acier jusqu'à une température prédéterminée sont constantes, et, en conséquence, si la dimension de la bobine d'induction est constante, les calories qui doivent être absorbées par unité de temps et aussi. par unité de surface, à savoir la densité superficielle d'absorption de la puissance électrique P (puissance électrique absorbée par unité de surface) est dans une relation de proportionnalité avec la vitesse de déplacement v du tube d'acier. A savoir v = kp , sous réserve que k soit constant. Afin d'appliquer les calories voulues au tube d'acier, lorsque la vitesse de déplacement v est augmentée, la densité superficielle d'absorption de la puissance électrique P doit être augmentée proportionnellement. En conséquence, si la dimension de la bobine d'induction est constante, afin d'obtenir la relation entre la vitesse de déplacement v, l'épaisseur d de la paroi du tube et la température de chauffage T, la vitesse de déplacement v peut être remplacée par la densité superficielle d'absorption de puissance électrique p. Ensuite différents essais ont été effectués en ce qui concerne l'épaisseur de la paroi du tube pour trouver la relation entre la température de chauffage et la densité superficielle d'absorption de puissance électrique et, comme résultat, on a trouvé que dans le cas où l'épaisseur de la paroi du tube est constante, la température de chauffage et la densité superficielle d'absorgion de puissance électrique sont en relation linéaire. Comme exemple de ce résultat, la relation entre la densité superficielle d'absorption de puissance électrique p (w/cm2) et la température de chauffage T (OC), dans le cas d'une épaisseur de paroi du tube de 12,7 mm et d'un diamètre externe du tube de 760 mm est représentée dans la figure 4. Dans la figure 4, le repère o représente la condition de chauffage lorsque la longueur de la partie de qualité inférieur al à l'extrémité du tube est égale ou plus petite que 2 x (épaisseur d de la paroi du tube) et le repère o représente la condition de chauffage lorsque la longueur ti est plus grande que 2d. Comme cela est évident à partir de la figure 4 la relation entre la densité superficielle limite d'absorption de puissance électrique Po et la température de chauffage T est une relation linéaire. Les essais ci-dessus ont été effectués en ce qui concerne des gammes d'épaisseur de paroi du tube comprises entre 6 et 40 mm, de diamètre du tube comprises entre 500 et 1400 mm et des températures de chauffage comprises entre 300 et 9500C et chaque facteur de variation mentionné ci-dessus, a savoir la durée de chauffage, -la température de chauffage et ltepaisseur de la paroi du tube a été remplacé par l'absorption de puissance électrique sur la surface du tube et a été utilisé comme facteur représentatif et llana- lyse a été effectuée en le rapportant a la différence de température Comme résultat, on a découvert que l'absorption de puissance électrique sur la surface du tube correspondait a la densité de puissance électrique quand on la considérait d'un point de vue différent et, en conséquence, si la valeur de la surface unitaire du tube en acier était utilisée comme densité de puissance électrique, la durée du chauffage était presque proportionnelle a la température de chauffage et a l'épaisseur de la paroi du tube et était inversement proportionnelle a la densité de puissance électrique et, en conséquence, en contrôlant la relation de la densité de puissance électrique avec la température de chauffage et l'épais- seur de la paroi du tube, la différence de température dT de l'ex- trémité du tube pouvait entre réduite.Un exemple d'un tel résultat est illustré dans la figure 5. La figure 6 représente la relation réelle entre la température de chauffage, l'épaisseur de la paroi de tube et la densité superficielle d'absorption de puissance électrique. La figure 6 represente la valeur limite Po de la densité superficielle d'absorp tion de puissance électrique nécessaire pour maintenir la tempéra- ture å l'extrémité du tube dans la différence de température AT a un degré pour lequel il nty a aucun problème du point de vue pratique. -Quand les caractéristiques limites représentées dans la figure 6 sont représentées par la densité superficielle d'absorption de puissance électrique Po (watt/cm2), la température de chauffage T (OC) et l'épaisseur de la paroi du tube d (mm), on peut obtenir une formule similaire a la formule empirique suivante En conséquence, afin de réduire la variation de température de l'extrémité du tube, il est préférable de donner a la densité superficielle d'absorption de puissance électrique P une valeur supérieure à la valeur Po donnée par la formule empirique.A savoir l'énergie électrique de chauffage effective moyenne peut être telle que les conditions de densité superficielle d'absorption de puissance électrique satisfassent constamment la formule relative sui vante A savoir afin d'atteindre le but de la présente invention1 on doit tout d'abord faire attention au réglage de conditions qui satisfassent la formule empirique lors de l'installation du four de chauffage par induction. Par exemple, la longueur efficace L de la bobine d'induction devra être réglée pour satisfaire à dans laquelle le symbole E représente l'absorption de puissance électrique et D représente le diamètre du tube. La longueur efficace de la bobine est généralement d'environ 1 à s m. De plus, lors de I'exploitation,.on doit mettre en oeuvre des conditions qui assurent une densité superficielle d'absorption de puissance électrique qui satisfasse constamment la formule empirique. Par exemple la puissance d'absorption électrique E du tube est réglée a E - sDLPo. De même, avant la mise en oeuvre, les conditions de fonctionnement ci-dessus mentionnées sont prédéterminées et, lorsque la vitesse de déplacement du tube d'acier et la puissance électrique à appliquer à-la bobine d'induction sont réglées aux valeurs fixées, il n'est pas particulierement nécessaire d'ajuster ces réglages durant le fonctionnement. En fait, la valeur limite supérieure de la densité superficielle d'absorption de puissance électrique P est d'environ 150 du point de vue pratique, dans le cas où le chauffage par induction est effectué en utilisant l'énergie électrique industrielle, a savoir une fréquence faible telle qu'une fréquence de 50 ou 60 Hertz. De même, comme la durée du chauffage est déterminée par la longueur de la bobine d'induction et la densité superficielle d'absorption de puissance électrique, il est préférable de déterminer l'installation de chauffage et les conditions de telle sorte que la durée soit réglée entre deux à dix minutes du point de vue de la qualité du produit et de préférence, elle est réglée entre trois et cinq minutes. Le Tableau 1 représente des modes de réalisation et des exemples comparatif s entre le procédé de la présente invention et un procédé autre que le procédé-de la présente invention. TABLEAU 1 Par un procédé autre Par le procédé de ltinvention tque Iinvention facteur que i Facteur Â n A B C Capacité de la bobine 2000 kw 2000 kw 2000 kw 2000 kw 2000 kw Longueur efficace de j de la bobine 830 mm 830 mn 830 mm 830 mn 600 mm aCf z dimension de la pour tube pour tube pour tube pour tube pour tube n a pour tube de la diametre diamètre Ilamètre diamètre x f bobine externe externe externe externe externe 762 aa 762 nan 762 nan 762 nrm 762 rtKn I Type tube acier tube acier tube acier tube acier tube acier rvpe usuel i I usuel ib? usuel 0 usuel g usuel i 11 ; QI Diamètre externe 762 mm i 762 mm 762 mn 762 mn { 762 mm w Epaisseur de paroi 9,6 t . (d) 9,6 i 9,6 9,6 9,6 9,6 Température de chauf- 6500C ' 6500C 650-C 650ex X 900*C fage T) 5 limite d'absrption de 3 ! limite d'absorption de puissance électrique 50 ~ i 1 Densité superficielle dtabsorption de 30 w/cm 41w/cm 54 w/cm 77 w/cm2 1138 w/cm puissance électrique Différence de tempé- environ 1environ environ environ environ rature (T) 800C 400C 18C 100C 30C Appréciation faible faible bon bon bon Appréciation faible l faible bon bon t bon . X t Comme décrit ci-dessus, la présente invention présente de nombreux avantages tels qu'il est possible 'd'obtenir un effet de chauffage satisfaisant en sélectionnant simplement la densité superficielle d'absorption de puissance électrique en fonction de la formule relative, ce par'quoi le chauffage rapide n'est pas perturbé, ce qui est la caractéristique du chauffage par induction, et aussi un dispositif de commande complexe n'est pas requis. De même la description a été faite pour un mode de réalisation concernant un tube d'acier de diametre important mais elle peut être appliquée non seulement pour des tubes d'acier de diamètre important mais aussi pour tout autre tube d'acier et de plus, elle-peut être appliquée à des matériaux en acier autres que les tubes d'acier par exemple à des-aciers creux ayant un effet de chauffage similaire. REVENDICATIONS 1.- Un procédé de chauffage par induction d'un tube d'acier avec une bobine d'induction dans lequel on déplace le tube d'acier selon sa direction axiale caractérisé en ce que l'on assure une densité superficielle d'absorption de puissance électrique telle que la différence de température entre l'extrémité du tube selon la direction axiale du tube et la partie centrale selon la direction axiale du tube soit en dessous d'une valeur déterminée sur la base de l'épaisseur de la paroi du tube d'acier et de la température de chauffage et en ce que l'on règle la puissance électrique alimentée. à la bobine d'induction de manière à obtenir la densité superficielle d'absorption de puissance électrique voulue, ce par quoi le tube d'acier est chauffé uniformément selon sa direction longitudinale. 2.- Un procédé selon la revendication I caractérisé en ce que la densité superficielle d'absorption de puissance électrique P (w/cm2) est telle que dans laquelle T représente la température de chauffage (OC) et d l'épaisseur de la paroi du tube (mm). 3.- Un procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la différence de température entre l'extrémité du tube selon la direction axiale et la partie centrale du tube selon sa direction axiale est réglée en dessous de 200C. 4.- Un procédé selon la revendication I caractérisé en ce que la fréquence de la puissance électrique appliquée à la bobine d'induction est une fréquence basse. 5.- Un procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le chauffage du tube d'acier par la bobine d'induction est effectué en deux à dix minutes. 6.- Un procédé selon la revendication-4 caractérisé en ce que la densité superficielle d'absorption de puissance électrique 2 est inférieure a 150 watts/cm