Brevet FR2440673A1 — publié le 19800530

La présente invention concerne, d'une façon générale, des fours à canal à chauffage par induction pour la fusion de métaux et a pour objet plus spécifique des moyens associés à un tel four propres à créer un champ électromagné- tique supplémentaire agissant sur les vitesses de circulation du métal ou alliage liquide. Les fours à canal à chauffage par induction sont déjà connus et comportent une cuve, au moins deux canaux, au moins sensiblement verticaux, débouchant dans le fond au moins sensiblement horizontal de la cuve, reliés par un canal collecteur au moins sensiblement horizontal; les canaux verticaux et horizontal définissent au moins une boucle verticale de métal liquide conducteur de l'électricité constituant le secondaire d'un transformateur ayant au moins un noyau magnétique et un primaire sous la forme d'au moins une bobine inductrice recevant une tension alternative. Dans ces fours, le chauffage du métal liquide résulte, par effet Joule, du courant électrique dans le métal liquide résultant lui-mêmetpar induction, du champ électromagnétique principal.Ces fours connus à canal à chauffage par induction présentent généralement l'inconvénient d'une circulation insuffisante du métal fondu ou, à tout le moins, d'une circulation incontrôlée. En effet, la circulation du métal fondu résulte de l'action combinée dg forces électromagnétiques et des forces de convection thermique . Il s' ensuit notamment des effets de surchauffe du métal fondu dans les canaux. On a déjà proposé divers moyens pour accélérer la circulation du métal fondu dans le four, mais sans obtenir cependant des résultats très satisfaisants ni atteindre la possibilité d'un contrôle à volonté de cette circulation. De plus, ces moyens modifient substantiellement les caractéristiques du four. Le but de la présente invention est donc de pallier ces inconvénients et, de ce fait, elle propose un four à canal à chauffage par induction qui comporte des moyens additionnels pour créer un champ électromagnétique supplémentaire alternatif, non uniforme, de fréquence appropriée, dans une zone localisée spécifique du métal fondu selon une direction également spécifique et selon une répartition spécifique. L'invention offre de très importants avantages par rapport à ceux des fours à canaux à chauffage par induction connus. La circulation du métal fondu dans les canaux peut être accélérée à tel point qu'une surchauffe soit totalement exclue quelles que soient les conditions de travail et sans modifications substantielles du four et de ses caractéristiques. On observera que cette accélération de la circulation du métal fondu n'est pas obtenue par l'adjonction d'un simple effort de pompage suivant un principe connu en soi, En effet, lorsqu'on cesse d'alimenter la ou les bobines inductrices, on constate que le seul champ électromagnétique supplémentaire n'est pas en mesure, a lui seul, de provoquer une circulation propre du métal liquide. I1 apparait donc que c'est bien la combinaison du champ électromagnétique principal et du champ électromagnétique supplémentaire ayant les caractéristiques indiquées qui permet cette circulation. L'invention permet aussi de contrôler la circulation du métal fondu à volonté, non seulement accélérée à divers degrés mais, également, retardée ou même inversée ce qui permet ainsi un "pilotage" du four. L'invention est appréciable par la grande simplicité des moyens utilisés et surtout par le fait qu'ils peuvent être adaptés de manière très facile à tout four déjà en service, sans perturber son utilisation ou nécessiter des adaptations importantes. La consommation du four en énergie électrique n'est augmentée, par la création du champ électromagnétique supplémentaire, que d'une quantité pratiquement négligeable, du fait de la puissance supplémentaire réduite demandée par le fonctionnement des moyens additionnels selon l'invention. On constate, par contre, une augmentation importante du rende- ment du four, grace à la circulation nettement améliorée du métal fondu. L'invention permet, également, d'envisager la construction de fours de très grandes puissances grâce, notamment, à la possibilité de réglage à volonté des échanges thermiques entre les canaux et la cuve. L'invention sera bien comprise d'après la description de plusieurs formes d'exécution et le dessin annexé dont La figure 1 est une vue schématique, de profil, partiellement arrachée, d'un four à canal à chauffage par induction comprenant les moyens selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique, en plan, du noyau de l'inducteur du four. La figure 4 est une vue schématique, partiellement arrachée, des moyens selon l'invention, selon une autre forme d'exécution. La figure 5 est une vue schématique, en perspective, à plus grande échelle, de l'armature des moyens addinels selon la forme d'exécution de la figure 4 et, La figure 6 est une vue schématique, en perspective, d'une autre forme d'exécution de l'armature des moyens additionnels selon la forme d'exécution de la figure 4. Un four à canal à chauffage par induction comporte, de façon connue en soi, une cuve 1 de fusion de métal ou alliage à parois garnies de matériau réfractaire, ayant notamment une face latérale de forme générale appropriée et un fond 2 au moins en partie sensiblement plat et horizontal. Au moins deux canaux à section droite transversale par exemple circulaire ou rectangulaire et, par exemple trois canaux 3 , au moins sensiblement verticaux, coplanaires et écartés transversalement l'un de l'autre à savoir deux canaux latéraux 3a et un canal central 3b -d'axe 12,-axe de symétrie principal du four- sont placés en dessous de la cuve 1 et débouchent chacun librement par son extrémité supérieure dans le fond 2 et par son extrémité inférieure dans un canal collecteur 4 à section droite transversale,par exemple circulaire ou rectangulaire, au moins sensiblement horizontal, reliant par ses parties extrêmes les canaux latéraux 3a et ceux-ci au canal central 3b par sa partie médiane 4a. Les canaux verticaux 3 et le canal collecteur 4 sont également garnis de matériau réfractaire. Les canaux 3,4 sont donc normalement remplis du métal en fusion de la cuve 1 lequel métal est conducteur de l'électricité. Le four comporte, en outre, éventuellement un bdti ou une carcasse de résistance notamment à l'extérieur de la cuve 1 et des canaux 3,4. La cuve 1 et les canaux latéraux 3a, central 3b et collecteur 4 définissant deux boucles 5 de métal liquide en fusion conducteur de l'électricité, notamment en forme générale de 8 (figure 2), renversé dans unplan au moins sensiblement vertical constituant le secondaire à deux spires d'un transformateur inducteur de chauffage ayant un noyau 6 notamment en forme générale'de tore fermé, magnétique, notamment en telle, feuilleté, dont les deux branches sont logées notamment horizontalement dans la'partie médiane de l'ouverture centrale 5a de chaque boucle 5. L'inducteur de chauffage comporte également un primaire constitué de deux bobines d'induction 7 enroulées respectivement chacune autour d'une branche du noyau magnétique 6 et également logée dans l'ouverture 5a, montées symétriquement.On sait déjà que l'application aux bobines d'induction 7 d'une tension électrique alternative inductrice crée dans le secondaire -les boucles 5par effet d'induction, un courant électrique alternatif secondaire induit selon les lignes de courant électrique représentées en traits interrompus sur la figure 2. Ce courant électrique secondaire provoque essentiellement , de façon connue en soi, un dégagement de chaleur localisé, par effet Joule et, subsidiairement grace à l'action combinée des forces électromagnétiques et des forces de convection thermiqueSune cir culation ou au moins une certaine tendance à une circulation d'ensemble du métal fondu en sens vertical descendant dans le canal central 3b et vertical ascendant dans chacun des canaux latéraux 3a. Selon la présente invention, le four est également pourvu de moyens 8, additionnels, créant un champ électromagnétique supplémentaire alternatif, non uniforme, de fréquence appropriée coopérant avec le champ électromagnétique principal résultant de la présence de l'inducteur de chauffage, dans une zone localisée spécifique du métal liquide selon une direction également spécifique et une répartition également spécifique.La fonction essentielle du champ électromagnétique supplémentaire est d'agir, comme on le verra ultérieurement, sur la vitesse de circulation du métal liquide c'est-à-dire d'accélérer ou, au contraire, de freiner et même d'inverser le sens, en tout cas de régler à volonté, de "piloter" la circulation du métal liquide chauffé dans les boucles 5 du fait du champ électromagnétique principal, comme on l'a vu précédemment. L'accélération, le freinage ou même l'inversion du sens de la circulation du métal fondu sont respectivement obtenus lorsque le courant d'induction supplémentaire alternatif commandant les moyens 8 est en phase ou, au contraire, en opposition de phase avec le courant d'induction principal (dans le cas ou la frequence du courant d'induction supplémentaire est égale ou au moins sensiblement voisine de la fréquence du courant d'induction principal). On peut donc, en faisant varier le décalage de phase entre le courant d'induction principal et le courant d'induction supplémentaire, soit accélérer, soit freiner la circulation du métal fondu dans les canaux 3,4 jusqu'à l'inverser complètement par rapport à son sens normal. On obtient de la sorte le réglage mentionné, notamment le "pilotage" du four par cette voie et on maitrise parfaitement le brassage du métal fondu à partir de la cuve 1. Des moyens de réglage du courant circulant dans les moyens 8 , non figurés sur le dessin, sont prévus selon la présente invention, par exemple un déphaseur. Pour obtenir l'effet d'interaction désiré de la façon la plus efficace selon la présente invention, le champ électromagnétique alternatif supplémentaire est dirigé selon une direction spécifique et notamment selon un axe Z au moins sensiblement perpendiculaire au plan g des boucles 5. Le champ électromagnétique alternatif supplémentaire selon l'invention est appliqué au secondaire dans une zone localisée spécifique et, notamment, dans la zone de jonction du canal 3 et tout particulièrement du canal central 3b avec le canal collecteur 4, qui peut être considéré comme étant la principale "zone motrice" de la circulation naturelle du métal fondu dans les canaux 3,4 étant donné que la séparation des lignes de courant électrique induit entre le canal central 3b et le canal collecteur 4 selon les deux sens opposés, permet plus spécialement une répartition non uniforme du champ d'induction principal favorable à la modification de la circulation du métal fondu tel que mentionné. Cela détermine donc l'emplacement relatif des moyens 8 par rapport aux canaux verticaux 3 et collecteur 4. A ce point de vue, on a également constaté que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque le champ électromagnétique alternatif supplémentaire créé par les moyens supplémentaires 8 traverse le plan p dans la zone de la jonction du canal central 3b avec le canal collecteur 4 et sa répartition est telle qu'il a la valeur d'intensité maximale au moins sensiblement à la hauteur de la ligne moyenne de courant électrique induit dans le canal collecteur 4. La position relative des moyens 8 dépend, bien entendu, des dimensions des canaux 3, 4 et de l'épaisseur de peau du métal fondu. Il est précisé qu'en tout état de cause, les moyens 8 sont placés en regard d'une zone suffisamment large totalement dépourvue de matériaux magnétiques pour ne pas gêner le champ électromagnétique supplémentaire. Les moyens 8 de création d'un champ électromagnétique supplémentaire spécifique tel que décrit précédemment comprennent, selon une première forme d'exécution non limitative de la présente invention et les figures 1 et 2, une bobine d'induction 9 plate, d'axe vertical, alimentée en courant électrique alternatif, comportant un noyau 10 magnétique d'axe 11 vertical. La bobine 9 est placée immédiatement en dessous et, au moins partiellement, en regard du canal collecteur 4 au moins sensiblement au droit du canal central 3b.Le noyau 10 est placé, au moins partiellement en ce qui concerne sa partie extrême supérieure, immédiatement à côté du canal collecteur 4 et au moins sensiblement au droit du canal central 3b c'est à dire dans la5aQne de jonction des deux canaux central 3b et collecteur 4 de telle manière que le champ électromagnétique supplémentaire creé par la bobine 9 et son noyau 10 soit orienté, essentiellement et au moins sensiblement, selon la direction Z déjà définie et qu'à l'endroit de la ligne 14 moyenne du courant électrique induit -induit du canal collecteur 4 il ait au moins sensiblement, sa valeur d'intensité maximale. Selon une autre forme d'exécution non limitative de l'invention et la figure 4, les moyens 8 comprennent une bobine 9 d'induction, enroulée sur un noyau 10 constituant un circuit magnétique presque fermé, à faible entrefer dans lequel se trouve la zone de jonction des canaux central 3b et collecteur 4, comportant une pièce polaire 15 dirigeant le champ magnétique de la bobine 9 selon la direction Z, déjà définie. Les moyens 8 sont donc placés dans ce cas, essentiellement en dessous du canal collecteur 4 et dans la zone de jonction des canaux central 3b et collecteur 4. La pièce polaire 15 accuse de préférence une forme asymétrique en ce qui concerne sa face normalement tournée vers les canaux " 3, 4,présentant au moins une face inclinée 16 par rapport au plan p de symétrie de la boucle 5 (figure 6). L'arête 17 définie par l'intersection des faces inclinées 16 se trouve placée de préférence, au moins sensiblement à la hauteur et en regard de la ligne moyenne de courant électrique induit 14 du canal collecteur 4, égale"'snt de maniere que le champ. élecUxwagnetique supplémentaire de la bobine 9 ait sa valeur d'intensité maximale à la hauteur de cette ligne. I1 est de toute évidence que la présente invention peut faire l'objet de nombreuses variantes en ce qui concerne le four proprement dit en général et les moyens 8 en particulier. Par exemple, il est clair que l'inducteur de chauffage peut comporter un seul circuit magnétique ou plusieurs circuits magnétiques. REVENDICATIONS 1. Four à canal à chauffage par induction pour la fusion de métaux comportant une cuve, au moins deux canaux verticaux et un canal collecteur horizontal, lesdits canaux définissant au moins une boucle de métal liquide conducteur de l'électricité dans l'ouverture de laquelle est logé au moins un noyau magnétique et autour de celui-ci au moins un enroulement primaire inducteur pour engendrer un champ électromagnétique principal créant par-induction dans chaque boucle des courants induits assurant par effet Joule le chauffage du métal fondu, caractérisé par le fait qu'il comporte également des moyens 8, additionnels, créant un champ électromagnétique supplémentaire alternatif, non uniforme, de fréquence appropriée, coopérant avec le champ électromagnétique principal dans une zone localisée spécifique du métal fondu, selon une direction spécifique et selon une répartition spécifique, la coopération entre les champsélectx agnétique principal et supplémentaire ayant notamment pour effet une circulation modifiée du métal fondu dans les canaux 3, 4 du four, notamment une circulation accélérée ou retardée et donc un réglage à volonté de cette circulation. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de réglage du courant commandant les moyens 8 de manière que le champ électromagnétique supplémentaire soit en phase avec le champ électromagnétique principal, ou décalé ou en opposition de phase avec lui, afin d'obtenir, lorsque la fréquence du courant de commande des moyens 8 est égale ou au moins sensiblement voisine de la fréquence du courant d'alimentation de l'inducteur de chauffage, le réglage à volonté de la circulation du métal fondu, à savoir respectivement l'accélération et le freinage. 3. Four selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que les moyens 8 sont agencés et placés par rapport aux canaux 3, 4 du four de telle manière que le champ électromagnétique supplémentaire soit dirigé, au moins sensiblement, selon une direction Z perpendiculaire au plan p de la boucle 5 formée par les canaux verticaux 3 et collecteur 4. 4. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens 8 sont agencés et placés par rapport aux canaux 3, 4 du four de telle manière que le champ électromagnétique suppléentaire est appliqué au moins sensiblement dans la zone de jonction d'un canal vertical et notamment du canal central 3b avec le canal collecteur 4, zone dans laquelle il n'existe aucun matériau magnétique pouvant perturber l'effet inductif du champ créé par lesdits moyens 8. 5. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens 8 sont agencés par rapport aux canaux 3,4 de telle manière que le champ électxwagnétique supplémentaire ait sa valeur d'intensité maximale au moins sensiblement à la hauteur de la ligne moyenne de courant électrique induit, du canal collecteur 4. 6. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les moyens 8 comprennent une bobine d'induction plate 9, à axe vertical, comportant un noyau magnétique 10, d'axe 11 parallèle et écarté transversalement de l'axe 12 du canal vertical central 3b, placé au moins partiellement immédiatement à côté du canal collecteur 4 et au moins sensiblement au droit du canal central 3b. 7. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les moyens 8 comprennent une bobine d'induction 9, enroulée sur un noyau 10, magnétique, constituant un circuit magnétique presque fermé dans l'entrefer duquel se trouve la zone de jonction des canaux central 3b et collecteur 4, comportant une pièce polaire 13, notamment à face tournée vers les canaux 3, 4, asymétrique, présentant au moins une face inclinée 16 par rapport au plan E.