Brevet FR2430161A1 — publié le 19800125

La présente invention due à Messieurs Chambarel, Ille, Kant, Mouillet, Yvon, agents du Laboratoire de la Division Electromécanique de l'Université de Technologie de Compiègne, concerne les fours à induction pour la fusion des métaux ou alliages métalliques et plus particulièrement les fours dits "à canal" qui se composent généralement d'une cuvevsupérieure que l'on remplit de métal à fondre et d'une cuve inférieure qui communique avec la cuve supérieure et dans laquelle s'effectue la fusion proprement dite. La cuve inférieure comprend le plus souvent un canal inférieur et des canaux verticaux faisant communiquer le canal inférieur avec-la cuve supérieure. Un canal vertical central est en général prévu ainsi que des canaux verticaux latéraux. On constitue un circuit magnétique (avec des enroulements inducteurs) autour d'un des canaux verticaux ; le mé- tal liquide remplissant les canaux constitue un circuit dlec- trique fermé autour des enroulements inducteurs et l'application d'un courant alternatif à ces enroulements provoque l'induction de courants dans le métal liquide qui joue le r81e de secondaire dans le transformateur ainsi constitué. Les courants induits dans le métal provoquent un fort dégagement de chaleur dans celui-ci et entretiennent la fusion. Les gradients de température dans le métal, ainsi que la répulsion électrodynamique entre les courants électriques de sens contraire aux différents endroits des canaux, provoquent un brassage continuel du métal liquide. Dans les fours à canal existant actuellement, on prévoit en général un circuit-magnétique entourant un canal central et un ou deux enroulements inducteurs sur le circuit ma gn8tique, deux canaux latéraux e > étant prévus à l'extérieur du circuit magnétique, de part et d'autre de celui-ci,de telle sorte quelea cuve inférieure constitue, par ses canaux remplis de métal deux circuits électriques secondaires dans lesquels sont engendrés des courants induits. Un tel dispositif classique est représenté aux figures 1 et 2 : à la figure 1 on voit une coupe verticale schématique du four à induction, et à la figure 2 on voit une vue de dessus du circuit magnétique passant entre les canaux verticaux. La cuve supérieure est désignée par 10 et la cuve in férieure par 12. L'une et l'autre communiquent et sont remplies de métal liquide; la cuve inférieure comprend un canal inférieur 14 possédant un bouchon de vidange 16, un canal vertical central 18 et deux canaux verticaux latéraux 20 et 22, ces trois canaux verticaux faisant communiquer le- canal inférieur 14 avec la cuve supérieure 10. Bien entendu, étant donné que les températures mises en jeu sont très élevées des parois réfractaires sont prévues pour contenir le métal liquide dans les cuves et autour des divers canaux. Un circuit magnétique 24, constitué de tales ferroma magnétiques, entoure le canal central vertical 18 comme on le voit sur les figures 1 et 2. Les canaux latéraux sont à le trieur du circuit magnétique. Dans l'exemple représentés deux enroulements inducteurs 26 et 28 constitués de gros conducteurs de cuivre sont prévus, respectivement un de chaque côté du canal vertical central. Les enroulements sont alimentés par du courant à frqpencé- industrielle (par!exemple 50Hz). Les sens d'enroulement ou les sens d'alimentation des deux enroulements sont choisis de telle manière qu'ils produisent des flux magnétiques s'additionnant algébriquement. Ces flux sont représentés sur la figure 2 par des flèches, pour une alternance du courant d'alimentation, Les courants induits dans le métal liquide lors de cette alternance sont représentés par des flèches à la figure 1. On voit que deux boucles de courant sont constituées et qu'el- les présentent une branche commune avec un courant global d'in densité double dans le canal vertical central, puisque les courants circulent dans les deux boucles avec des sens trigo nométriques contraires à cause des sens de flux opposés traversant ces boucles. il apparait ainsi à chaque alternance de courant alternatif une certaine distribution de densités de courant qui donne lieu à des forces électromagnétiques sur le métal liquide. Ces forces agissent à la manière d'une pompe déplaçant le mó- tal selon les gradients négatifs de la densité de courant (c'est & dire de l'endroit où cette densité est la plus grande vers l'endroit of elle est la plus faible). Les endroits privilégiés de l'action de ces forces se situent dans les coudes des canaux car ctest là que les A-ensités de courant varient le plus rapidement, et plus particulièrement -aux Jonctions des canaux verticaux avec la cuve supérieure. En effet, le canal inférieur a en général un diamètre voisin des canaux verticaux latéraux et la densité de courant est à peu prés constante dans l'espace quand on passe de l'un à l'autre de ces canaux ; au contraire il existe une grande hauteur de métal liquide au-dessus des canaux verticaux et la densité de courant y est distribuée moins uniformément. La présente invention propose d'agir sur les forces électromagnétiques présentes à la jonction du canal vertical central et de la cuve supérieure pour contrôler la puissance injectée dans le four, la température du métal et la vitesse de brassage du métal. Cette action est possible si on contrôle -le courant dans le canal central et on peut parvenir à réduire ou supprimer les forces électromagnétiques aux extrémités du canal central sans modifier les forces aux extrémités des canaux latéraux. Pour atteindre ce but, l'invention propose de déphaser les flux magnétiques traversant les deux boucles de courant constituées par les canaux. La variation de phase de zéro à 1800 permet un contrôle continu des forces électromagnétiques à l'em bouchure du canal central 18 et de la cuve 10. Le déphasage des flux magnétiques est obtenu en constituant deux circuits magnétiques au lieu d'un seul, chaque circuit entourant un canal latéral et comprenant au moins un enroulement inducteur pour produire un flux dans ce circuit, les enroulements inducteurs des deux circuits étant alimentés par des courants respectifs déphasés. Grtce à cette disposition, chaque boucle de courant est traversée par un flux distinct et le déphasage entre ces flux provoque une réduction des forces électromagnétiques à ltem- mouchure du canal central 18 et de la cuve 10, sans réduction au niveau des canaux latéraux. On peut prévoir deux ou plusieurs enroulements inducteurs srr chaque circuit magnétiques les deux enroulements produisant des flux en phase qui s'additionnent algebriquement. Selon un autre aspect de l'invention, on peut prévoir une amélioration permettant une diminution de lsencrassage des canaux et une plus grande facilite de nettoyage, toujours grace à une action sur les forces électromagnétiques s'exerçant sur le métal liquide. On accélère localement le métal situe près des parois où un risque de dépôt dtimpuretés risque de se produire, à savoir notamment aux jonctions entre le canal inférieur et les canaux verticaux. Des enroulements auxiliaires au voisinage de ces jonctions permettent d'obtenir le résultat souhaité. Ces enroulements auxiliaires sont alimentés à fréquence industrielle et on prévoit de manière préférentielle que pour le nettoyage, les enroulements des circuits magnétiques principaux entourant les canaux latéraux sont alimentés à une fréquence supérieure pour provoquer un rétrécissement par effet de peau du lit de métal liquide parcouru par un courant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures 1 et 2 déjà décrites représentent un four à induction de la technique antérieure; la figure 3 montre en coupe un four selon l'invention; la figure 4 représente une-variante de réalisation dans laquelle les enroulements auxiliaires entourent l'ensemble d'une jonction entre deux canaux. A la figure 3, le four selon l'invention est représenté avec ses deux circuits magnétiques principaux 24' et 24" qui remplacent en le dédoublant le circuit unique 24 de l'art ant4- rieur. Les autres éléments du four portent les mômes références qu'aux figures 1 et 2. Le circuit magnétique 24' entoure le canal latéral 20 et le circuit 24" entoure le canal latéral 22. Chaque circuit porte par exemple deux enroulements (26' et 28' pour le circuit 24' ; 26" et 28" pour le circuit 24"), enroulements qui sont alimentés de manière que 1/ les flux magnétiques dans le circuit 24' dus aux enroulements 26' et 28' s'additionnent algébriquement, un flux résultant traversant la boucle de courant constituée par le canal inférieur 14, le canal latéral 20, le canal central 18 et la cuve supérieure 10. 2/ les flux magnétiques dans le circuit 24", dus aux enroulements -26" et 28", s'additionnent algébriquement, un flux résultant traversant la boucle de courant constituée par le canal inférieur 14, le canal latéral 22, le canal central 18 et la cuve supérieure 10. 3/ les flux engendrés dans chaque circuit magnétique et traversant les boucles de courant respectives dont le canal central constitue une branche commune sont déphasés. Selon la dimension des canaux et la puissance du four, on peut prévoir une alimentation soit des quatre enroulements 2 28' 26", 28", soit de un enroulement seulement par circuit magnétique. On peut aussi prévoir que les deux circuits magnétiques sont soit à la même hauteur soit à des hauteurs h' et h" différentes par rapport au canal inférieur 14. Le déphasage du courant entre les enroulements des deux circuits magnétiques est fait par un déphaseur (transformateur à champ tournant par exemple), ou à l'aide du réseau triphasé par branchement des enroulements selon les diverses combinaisons de phases. Comme on le voit sur la figure 3, on a prévu un perfectionnement supplémentaire pour faciliter le nettoyage des canaux sans démontage. Ce nettoyage est effectué dans l'invention par une accélération locale du métal liquide au niveau de la jonction du canal vertical central 18 avec le canal inférieur 14 où risquent de se produire des dép8ts. On prévoit par exemple deux bobinages auxiliaires 30 ot 32 entourant le canal inférieur 14 respectivement de part et dtautre du canal central 18. Le nettoyage s'effectuera de la façon suivante t - pendant un temps court (à déterminer expérimentalement), on alimente les enroulements des circuits magnétiques 241 et 24" avec un courant à fréquence supérieure à la fréquence normale de fonctionnement , ce qui provoque un ssrétréciss- ment du circuit selon lequel circule le courant induit (effet de peau) ; ainsi, le courant est concentré plus près des parois qulil ne l'est en fonctionnement normal - on branche en môme temps les enroulements auxiliaires 30 et 32 à la fréquence normale de fonctionnement, ce qui-provoqué-une forte accélération du fluide, plus particulièrement près des parois. Le nettoyage électromagnétique ainsi effectué de facon périodique supprime les dépôts près des parois, dépôts qui étaient jusqu'à présent responsables de l'encrassage des fours. On pourrait envisager aussi un branchement permanent des enroulements auxiliaires mais il en résulterait une perte d'énergie (facteur de puissance faible des enroulements auxiliaires) et une trop grande vitesse permanente du métal liquide avec un risque d'érosion des parois du four. Dans une variante de réalisation des enroulements auxiliaires, représentée à la figure 4, ces derniers entourentplus précisément l'ensemble de la jonction entre le canal inférieur 14 et le canal central vertical 18. Une partie d'enroulement 34 entoure la base du canal vertical 18. Deux autres parties 36 et 38 entourent le canal inférieur immédiatement de part et d'autre du canal vertical. Ces enroulements 36 et 38 entourent des noyaux magnétiques s4- parés par une partie amagnétique située au niveau de la jonction proprement dite entre les canaux. Le four selon l'invention est particulièrement adapté & la fusioníde l'aluminium. REVENDICATIONS 1. Four à induction à canal, pour la fusion de métaux, comprenant une cuve supérieure et une cuve inférieure, cette dernière comprenant un canal inférieur, et deux canaux verticaux latéraux et un canal vertical central qui relient le canal inférieur à la cuve supérieure, caractérisé par le fait que les canaux verticaux latéraux sont chacun entourés par un circuit magnétique respectif, avec un enroulement inducteur autour de chaque circuit magnétique, et par le fait que les enroulements inducteurs des circuits magnétiques sont alimentés avec des courants respectifs déphasés 2. Four selon la revendication 1, caractérisé par le fait que sur chaque circuit magnétique sont prévus deux ou plusieurs enroulements inducteurs,alimentés de manière à fournir un flux magnétique circulant dans le circuit magnétique correspondant. 3. Four selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les deux circuits magnétiques sont situés à la m8me hauteur. 4. Four selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les deux circuits magnétiques sont situés à des niveaux différents. 5. Four selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il est prévu, à proximité du coude formé par le canal inférieur et le canal vertical central, au moins un enroulement auxiliaire pour induire dans le métal liquide au voisinage de ce coude un courant dans un sens tendant à accélérer le mouvement de métal dans cette region. 6. Four selon la revendication 3, caractérisé par le fait qutil est prévu un enroulement auxiliaire autour du canal inférieur, de part et d'autre du canal vertical central. 7. Four selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il est prévu un enroulement entourant le canal central vertical au voisinage dudit coude. 8. Four selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que les enroulements inducteurs des circuits magnétiques entourant les canaux latéraux sont alimentés à une fréquence sensiblement supérieure à la fréquence normale de fonctionnement lorsque les enroule ments auxiliaires entourant les autres canaux sont alimentés. 9. Four selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisé par le fait que les enroulements auxiliaires sont bobinés autour de ltensemble de la jonction du canal inférieur et du canal central vertical, une partie d'enroulement entourant la base du canal central vertical et deux autres parties entourant le canal inférieur immédiatement de part et dtautre du canal vertical, une partie amagnétique séparant des noyaut magnétiques survlesquels sont bobinés ces enroulements.