Brevet FR2422311A1 — publié le 19791102

L'invention a pour objet un four à canal à chauffage par induction. Un tel four, dans un de ses modes de réalisation usuels, comporte un inducteur à deux bobines à flux ma gnétique fermé constituant les primaires de deux transformateurs dont les secondaires sont constitués par le métal lui-même grâce à deux boucles à branche commune entourant chacune des bobines et constituées par trois canaux verticaux joints ensemble par un canal inférieur. De tels fours sont décrits et représentés dans l'article R.A. SOMMER, Channel Furnace melting with jet flow inductors, I.E.E.E. 1375, p.20-3. Dans un four usuel à trois canaux, tel que celui de la figure 7 de l'article précité, le champ magnétique n'a pas pour seul effet de développer de la chaleur par induction. I1 a également pour effet de créer, dans le métal fondu, des tourbillons qui perturbent l'effet naturel des courants de convection. Comme, d'autre part, ces courants de convection sont peu importants, on a déjà cherché à créer une circulation forcée unidirectionnelle par un inducteur additionnel polyphasé disposé avec l'inducteur de chauffage ou en constituant, comme dans la demande de brevet français 2303439, l'inducteur principal comme inducteur à champ tournant. Mais de tels dispositifs ne suppriment pas les tourbillons parasites et ne peuvent pas être adaptes à des installations existantes. Le but de l'invention est de proposer de nouveaux moyens pour éviter dans les fours du type précité les inconvénients connus tels que surchauffe du métal dans les canaux dfle à la faiblesse des courants de convection et aux perturbations crées par les tourbillons. Un autre but de l'invention est de proposer des perfectionnements faciles à apporter aux fours existants pour éviter les inconvénients précités. Ces buts sont atteints selon l'invention, dans un four à canal à chauffage par induction pour la fusion des métaux et alliages, dans lequel trois canaux verticaux joints chacun à sa base à un canal inférieur, permettent au métal ou alliage fondu d'être disposé partiellement en deux secondaires à une seule spire chacun, ayant une branche confluente commune, de deux transformateurs symétritues, par le fait que, dans au moins une des zones de jonction entre les canaux verticaux et le canal infé rieur, les parois du four sont entièrement construites en matériaux non magnétiques et le four comporte un moyen additionnel de création d'un champ magnétique supplémentaire dirigé vers ladite ou lesdites zones de jonction. De cette façon, on peut continuer à alimenter tout simplement en courant alternatif les deux primaires de l'inducteur constitué par les deux transformateurs, sans qu'il soit nécessaire de les modifier. Le champ magnétique inducteur reste donc constant en flux et en direction, comme dans les fours usuels. De même, le champ magnétique supplémentaire pourra être un champ constant en flux et en direction et son obtention ne nécessitera que des moyens technologiques simples et peu couteux à mettre en oeuvre. Ainsi qu'-il sera exposé plus loin, ce champ magnétique supplémentaire ne nécessite pas de grandes consommations d'énergie. Selon un mode de réalisation préféré, le moyen additionnel de création du champ magnétique supplémentaire est disposé sous le canal inférieur. De cette façon, aucun obstacle matériel ne viendra perturber les effets du flux magnétique d'induction. En outre, le perfectionnement de fours existants en sera grandement facilité. I1 sera avantageux que le moyen additionnel de création du champ magnétique supplémentaire soit disposé sous le canal inférieur à la verticale du canal vertical commun, que le moyen additionnel de création du champ magnétique supplémentaire soit une bobine d'induction plate à axe vertical et que celleici soit alimentée en courant alternatif, dont la fréquence peut être égale ou non à celle du courant d'alimentation de l'inducteur. I1 sera également avantageux que la zone de jonction entre canal vertical et canal inférieur soumise au champ magnétique supplémentaire présente une section élargie par rapport aux sections des canaux qui s'y joignent et que ladite section de la zone de jonction soit élargie horizontalement. D'autres caractéristiques et particularités ressortiront de la description qui sera donnée ci-après uniquement à titre d'exemple, d'un mode de réalisation de l'invention. On se reportera ci-après au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue en coupe verti cale médiane d'un four selon l'invention selon un plan contenant ses trois canaux verticaux, - la figure 2 est une vue de bout selon II du four de la figure 1 - la figure 3 est une vue partielle d'une variante dans une représentation analogue à celle de la figure 2 - la figure 4 est une coupe horizontale selon IV de la figure 3. Un four à induction est constitué par un creuset 1 en matériau réfractaire, comportant une cuve 2 de forme générale cylindrique dans laquelle débouchent, par dessous, trois canaux verticaux 3, 4, 5 équidistants. La partie basse de chacun des trois canaux verticaux 3, 4, 5 débouche dans un canal inférieur horizontal 6. Les canaux 4, 6 et 3 constituent, pour le métal contenu dans le creuset, une première boucle constituant spire et les canaux 4, 6 et 5 une deuxième boucle constituant spire pour un inducteur ayant deux armatures 7 et 8 feuilletées en tôles magnétiques. Ces armatures 7 et 8 traversent respectivement deux bobines d'induction 9 et 10, insérées respectivement dans les boucles constituées par les canaux 4, 6, 3, d'une part, et 4, 6, 5, d'autre part. Le champ magnétique créé par les armatures 7 et 8 est fermé par deux culasses 11 et 12.Les bobines sont montées symétriques pour induire des lignes de courant électrique j confluentes dans le canal commun 4. Jusqu'ici, on a décrit un four de type connu, alimenté en courant alternatif créant un champ d'induction constant en flux et en direction. Le mouvement, dans un tel four à induction, est dû à la combinaison des forces thermiques de convection, d'une part, et des forces électromagnétiques d'autre part. Les forces électromagnétiques, données par la formule élémentaire t = t x : force volumique, t : densité de courant induit, champ magnétique ) sont très importantes mais elles n'agissent pas, en général, dans la bonne direction. I1 faut noter également que, puisqu'il s'agit des courants alternatifs, la force électromagnétique comporte une partie constante donnant la valeur moyenne de la force et une partie variant sinusoidalement de fréquence double ( par rapport à la fréquence d'alimentation S D'après la formule definissant f la direc tion des forces électromagnétiques ( direction de t ) est estperpen- diculaire à la direction des courants ( direction de 3 ) et comme les courants sont dirigés selon la direction longitudinale du canal ( voir figure 1 ), les forces électrodynamiques s'exercent dans un plan transversal, à savoir le plan de la section droite du canal. La force électromagnétique peut, en général, être analysée en deux termes - un terme irrotationnel ( rot t = O donnant la pression magnétique et expliquant les domes qu'on observe au-dessus des canaux ( effet de " pincement " ), et un terme de force motrice à rotationnel non nul ( rot f O ). Dans les parties droites des canaux ( régions blanches dans la figure 1 ), le rot t a une composante selon la direction longitudinale entraînant la création des tourbillons dans la section du canal et cela pose des problèmes au bon fonctionnement du four. Ce qu'on souhaite est une composante importante de rot t selon l'axe z, qui peut créer un brassage et éventuellement un couplage unidirectionnel entre les canaux. En effet, on trouve une telle composante importante dans les intersections des canaux ( régions en pointillé dans la figure 1 ). Mais la composante ( rot t z ne conserve pas le même signe, quand on passe d'un point ou d'une région à l'autre. De cette façon, dans le cas d'une symétrie sur la distribution des courants par rapport au plan horizontal YY', il n'est pas possible y avoir un couplage unidirectionnel, d'origine électrodynamique, entre les canaux. Il parait alors souhaitable de favoriser une dissymétrie entre le haut et le bas des canaux verticaux. C'est precisement une telle dissymétrie qu'on crée par les moyens nouveaux de l'invention, qu'on va maintenant décrire. Les parois 13 du canal inférieur 6 sont en matériau réfractaire, comme le reste du creuset, mais ne comportent, même pour son armature, aucun matériau magnétique, au moins dans une large zone autour de la zone de jonction du canal vertical central avec ledit canal inférieur 6. En outre, une bobine d'induction plate 14 comportant un noyau 15 est disposée sous le canal inférieur 6 coaxialement avec l'axe XX' du canal central 4, c'est dire que son flux magnétique est dirigé verticalement sur la zone de jonction précitée à travers la paroi exclusive de tout matériau magnétique. On a représenté aux figures 3 et 4 une autre modification avantageuse qui consiste à élargir horizontalement en bulbe 16 la zone de jonction entre le canal central 4 et le canal horizontal 6. La figure 3 est une vue partielle analogue à la vue de la figure 2 et la figure 4 est une coupe horizontale selon IV de la figure 3 du canal inférieur 6. La circulation importante du métal qui résulte des moyens selon l'invention semble due à l'interaction entre les deux champs électromagnétiques, l'un créé par l'inducteur et les courants induits du four, et l'autre de la bobine. I1 faut remarquer qu'il ne s'agit pas d'une pompe électromagnétique/ car si l'on alimente uniquement la bobine 14, sans alimenter l'inducteur de chauffage, la circulation qui en résulte est négligeable. Les courants induits par l'inducteur assurent le chauffage du métal, tandis que l'adjonction de la bobine 14 assure une bonne circulation du métal avec une influence bénéfique sur le rendement du four, la diminution des gradients de température, l'homogénéisation du métal et une application éventuelle sur le pilotage du four. Le grand avantage d'un tel système réside dans le fait que la présence de la bobine ne modifie pas pratiquement le fonctionnement du four du point de vue électrique et couplage magnétique entre l'inducteur et les canaux. Il est préférable, pour augmenter le champ magnétique, d'utiliser une bobine plate, à noyau de fer, et de façon à faire coïncider l'axe du canal central avec l'axe de la bobine. Mais, en général, on-peut également envisager l'emploi d'un circuit magnétique, de forme quelconque, excité par un ou plusieurs enroulements et disposé de façon à bien utiliser le champ magnétique. L'action de cette bobine 14 consiste en une variation importante de la distribution de rot t dans le métal au dessus de la bobine. En simplifiant, on-peut dire que le champ magnétique de la bobine sert à redresser ( guider ) une partie des forces électromagnétiques provoquées par les courants de chauffage ; cela se fait par une variation importante locale ment de la forme des lignes de courant. On peut encore signaler que la pénétration du champ magnétique de la bobine 14 vers le canal central 4 dépend de l'épaisseur de peau correspondant au métal en fusion et la fréquence d'alimentation ; on peut donc envisager l'emploi d'une fréquence différente de la fréquence industrielle. La demanderesse a expérimenté un four en verre trempé rempli d'étain ( température de fusion : 2320C, épaisseur de peau : 48,8 mm ). L'inducteur comprenait un circuit magnétique fermé, à deux enroulements identiques de 320 spires alimentés en parallèle, par une tension variable à 50 Hz.La bobine 14 était une bobine à 1.000 spires alimentée par une tension variable & 50 Hz. Les canaux verticaux et le canal inférieur 6 avaient chacun un diamètre de 28 mm, leurs entraxes étant de 140 mm. Le montage était celui des figures 1 et 2. Le mouvement qu'on a observé était ascendant dans les deux canaux latéraux 3 et 5 et descendant dans le canal 4 central. L'influence de la bobine 14 a été très importante et on est arrivé, non seulement à supprimer le dôme au dessus du canal central, dû à l'effet de pincement, mais également à faire apparaitre sur la surface du bain, au-dessus du canal central 4, un tourbillon dirigé vers le bas, ce qui est la manifestation d'un débit important. En effet, on est arrivé facilement à une vitesse dépassant les 10 cm/s dans les canaux latéraux 3 et 5 et, donc, les 20 cm/s dans le canal central. I1 faut noter que, quand on alimente uniquement la bobine 14, sans alimenter l'inducteur de chauffage, on ne remarque pas une ciradulation et cela montre qu'il ne s'agit pas de l'effet classique de pompe électromagnétique. I1 faut remarquer que la consommation en puissance active de la bobine qui chauffe le métal est négligeable par rapport à la puissance fournie à l'inducteur principal de chauffage. Finalement, l'invention permet d'atteindre, de façon Vurprenante, le but qui lui était fixé et qu'il en résulte, en outre, une bonne organisation de la circulation du métal, ce qui a une influence bénéfique sur l'encrassage du four. On a décrit l'invention en regard d'un four à trois canaux, mais il va de soi qu'elle pourrait être appliquée à des fours à d'autres nombrés de canaux, de--reference impairs. REVENDICATIONS 1- Four à canal à chauffage par induction pour la fusion des métaux et alliages, dans lequel trois canaux verticaux joints chacun à sa base à un canal inférieur, permettent au métal ou alliage fondu d'être disposé partiellement en deux secondaires à une seule spire chacun, ayant une branche confluente commune, de deux transformateurs symétriques, caractérisé en ce que, dans au moins une des zones de jonction entre les canaux verticaux et le canal inférieur, les parois du four sont entièrement construites en matériaux non magnétiques et le four comporte un moyen additionnel de création d'un champ magnétique supplémentaire dirigé vers ladite ou lesdites zones de jonction à travers lesdites parois non magnétiques. 2- Four à canal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen additionnel de création du champ magnétique supplémentaire est disposé sous le canal inférieur. 3- Four à canal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen additionnel de création du champ magnétique supplémentaire est disposé sous le canal inférieur à la verticale du canal vertical commun. 4- Four à canal selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le moyen additionnel de création du champ magnétique supplémentaire est une bobine d'induction à axe vertical. 5- Four à canal selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite bobine d'induction est alimentée en courant alternatif. 6- Four à canal selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ladite bobine d'induction est une bobine plate. 7- Four à canal selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la zone de jonction entre canal vertical et canal inférieur soumise au champ magnétique supplémentaire présente une section élargie par rapport aux sections des canaux qui s'y joignent. 8- Fuur à canal selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite section de la zone de jonction est élargie horizontalement.