Brevet FR2498407A1 — publié le 19820723

La présente invention concerne un procédé de chauffage par induction d'un matériau allongé métallique ayant des sections d'épaisseurs différentes et un appareil de traitement thermique associé. Un des procédés de la technique antérieure pour chauffer un matériau allongé métallique ayant des sections d'épaisseurs dif- férentes consiste à placer le matériau allongé métallique dans un four de chauffage et à le chauffer. Toutefois, il est apparu que ce procédé classique ne devait pas être de préférence acceptable parce que, pendant le chauffage du four, le matériau allongé métallique se revit d'une pellicule d'oxyde sur sa surface extérieure, de sorte qu'il s'ensuit une diminution de la précision dimensionnelle, l'apparition de défauts ou de dommages superficiels lors d'un trai- tement à chaud ultérieur ou bien une trempe irrégulière due à une réduction de la conductivité thermique. Comme autre procédé de chauffage d'un-matériau allongé métallique, il a été proposé d'employer le chauffage par induction pour remplacer le procédé de chauffage classique dans un four. Le procédé de chauffage par induction ainsi proposé est mis en oeuvre de façon que le nombre de spires d'un conducteur soit maintenu cons- tant, mais que la tension à appliquer varie, la vitesse d'avance soit variable ou un jeu formé entre l'inducteur et le matériau allongé métallique soit variable de façon à produire un chauffage uniforme sur toute sa longueur. Il est toutefois apparu que ce _procédé n'était mis en oeuvre qu'au prix de nombreuses difficultés et, finalement, il n'était pas obtenu de résultats satisfaisants. Pour surmonter les inconvénients des procédés de chauffage classiques décrits ci-dessus, il a été proposé un procédé spécial de chauffage par induction dans le brevet japonais publié n0 30 570/1980. Ce procédé perfectionné de chauffage par induction visant à chauffer uniformément un matériau d'acier allongé sur toute sa longueur consiste en ce que, lorsque le matériau d'acier atteint une position prédéterminée, il est détecté par l'intermédiaire d'un détecteur approprié, puis une bobine de chauffage mobile se déplace vers l'avant et vers l'arrière sur la section de forte épaisseur pendant qu'il continue d'avancer, tandis qu'une bobine de chauffage fixe réalise un chauffage statique sans déplacement, de sorte qu'il est assuré un chauffage uniforme à une température prédéterminée. Il est toutefois apparu que le procédé de chauffage par induction classique défini ci-dessus possédait encore des inconvénients, puisque, lors du chauffage d'un tuyau métallique ayant des-sections de forte épaisseur à ses deux extrémités par exemple, il est produit une différence de température entre les parties terminales de la section de faible épaisseur et une partie de celle-ci en raison du fait que les premières ont été chauffées à une température plus élevée que cette dernière par l'effet de la conduction thermique en provenance des sections de forte épaisseur, de sorte qu'il devient impossible d'obtenir un échauffement uniforme, et, de plus, il existe des pertes thermiques considérablement élevées en raison du dépla- ce-ment de la bobine de chauffage mobile. Dans certains cas o le tuyau métallique a une configuration complexe, il est difficile de réaliser le chauffage. C'est donc un objet de l'invention de proposer un procédé et un appareil permettant de chauffer par induction de manière convenable un matériau allongé métallique ayant des sections d'épaisseurs différentes qui soient entièrement exempts des incon- vénients des procédés classiques décrits ci-dessus. Plus spécialement, le procédé de l'invention consiste en ce que le chauffage par induction est effectué en continu au moyen d'un inducteur tandis que le matériau allongé métallique se déplace à une vitesse constante dans la direction longitudinale, o l'inducteur est construit de façon que le nombre de spires puisse être commandé à volonté et, lorsque les sections de forte épaisseur du matériau allongé métal- lique passent dans l'inducteur, le nombre effectif de spires augmente afin d'assurer une entrée thermique accrue, tandis que, lorsque la section de faible épaisseur y passe, le nombre effectif de spires diminue afin d'assurer une entrée thermique réduite, si bien que le matériau allongé métallique est chauffé uniformément sur toute sa longueur. Plus spécialement, le procédé de l'invention est mis en oeuvre à l'aide d'un inducteur dont le nombre de spires peut être commandé à volonté de manière que, lorsqu'une partie échelonnée du matériau allongé métallique, c'est-à-dire une partie frontière entre une section ayant une forte épaisseur (ci-après désignée comme une section de forte épaisseur) et une section ayant une faible épais- seur (ci-après désignée comme une section de faible épaisseur) atteint une position prédéterminée, elle est détectée par un détecteur approprié, puis le signal détecté provoque une augmenta- tion du nombre de spires de l'inducteur lorsque la section de forte épaisseur y passe, tandis qu'une diminution de celui-ci est provoquée lorsque c'est la section de faible épaisseur qui y passe, si bien que l'on assure un échauffement uniforme sur toute la longueur du matériau allongé métallique par un ajustement approprié de la puissance thermique fournie aux sections d'épaisseurs respectives. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - les figures 1(a), l(b) et 1(c) sont des vues en coupe longitudinale respectives montrant quelques exemples de tuyaux métalliques pouvant être chauffés par induction au moyen du procédé de l'invention; les figures 2(a), 2(b), 2(c), 2(d), 2(e) et 2(f) sont respectivement des vues en coupe partielles du tuyau métallique et de l'inducteur illustrant comment un réglage marche-arrêt est appliqué au tuyau métallique, lequel se déplace vers la gauche; - la figure 3 est une illustration simplifiée d'un exemple d'appareil de chauffage par induction au moyen duquel le procédé de l'invention est mis en oeuvre de manière efficace; et - la figure 4 est une représentation simplifiée d'un exemple d'appareil de l'invention. Sur les figures l(a) à 1(c), trois types de tubes métalliques classiques ayant des sections d'épaisseurs différentes dans la direction longitudinale sont respectivement représentés au moyen de vues en coupe. La figure l(a) montre un tuyau métal- lique A1 comprenant une section x de faible épaisseur et deux sections y de forte épaisseur, ces dernières étant placées aux deux extrémités de la section x de faible épaisseur et ayant une épaisseur accrue à l'intérieur de celle-ci. La figure 1(b) montre un tuyau métallique A2 comprenant une section x de faible épaisseur et deux sections v de forte épaisseur, ces dernières étant placées aux deux extrémités de la section x de faible épaisseur et ayant une épaisseur accrue à l'extérieur de celle-ci. Enfin, la figure 1(c) montre un tuyau métallique A3 comprenant une section x de faible épaisseur et deux sections y de forte épaisseur ayant des sections supplémentaires z de forte épaisseur, les sections y de forte épaisseur étant placées aux deux extrémités de la section x de faible épaisseur et ayant une épaisseur accrue vers l'intérieur de celle-ci, tandis que les sections supplémentaires z de forte épaisseur ont une épaisseur accrue à l'extérieur des sections de forte épaisseur. Lorsqu'on chauffe un tuyau métallique du type mentionné ci-dessus à l'aide du dispositif classique de chauffage par induction, il est impossible d'assurer un échauffement uniforme sur toute la longueur du tuyau avec une entrée de puissance constante et une vitesse de déplacement constante, puisqu'il existe une diffé- rence sensible de capacité calorifique entre les sections de faible et de forte épaisseur. De façon générale, lorsqu'on chauffe successivement un tuyau métallique au moyen d'un inducteur tandis que le tuyau métallique se déplace à une vitesse constante dans la direction longitudinale, la température atteinte est déterminée par l'équation suivante. P L t T -o (1), 4,18 c (D-)v o T est la température atteinte par le tuyau chauffé, L est la puissance appliquée par unité de longueur de l'inducteur, t est le temps de chauffage (temps qui s'écoule jusqu'à ce qu'une certaine position du tube ait fini son passage dans l'inducteur), c est la chaleur spécifique, est l'épaisseur du tuyau métallique, D est le diamètre extérieur du tuyau métallique, et v est la vitesse de déplacement du tuyau métallique. Lorsque l'on applique l'équation (1) ci-dessus au tuyau métallique A1 présenté sur la figure 1(a), l'équation suivante s'établit entre le temps de chauffage et l'épaisseur pour la section x de faible épaisseur et la section y de forte épaisseur. t e a (D - a) a (2), t c (D - c) (2), c o t est le temps de chauffage pour la section de forte épaisseur, tc est le temnps de chauffage pour la section de faible épaisseur, a est l'épaisseur de la section de forte paisseur, et c est l'épaisseur de la section de faible épaisseur. Ainsi, il résulte clairement de l'équation donnée ci-dessus que, pour assurer un échauffement uniforme du tuyau métallique ayant des sections d'épaisseurs différentes dans la direction longitudinale, il faut effectuer le chauffage pendant une durée qui est approxima- tivement proportionnelle à l'épaisseur d'une certaine section du tuyau métallique à chauffer, dans la mesure o la puissance P. appliquée par unité de longueur de l'inducteur est constante. On suppose maintenant qu'un pas de la bobine d'induction est identifié par un symbole de référence p, le nombre de spires de la bobine d'induction est identifié par le symbole de référence N et, plus spécialement, lm nombresde spires de la bobine d'induction assurant le chauffage de la section y de forte épaisseur et de la section x de faible épaisseur sontidentifiéspar des symboles de référence N a et Nbà de sorte que l'équation (2) peut être mise sous la forme suivante. N a (D- ôa) a = -------_ (3). Nb à c (D- c) Ceci est dû au fait que les équations suivantes peuvent etre obtenues, si l'on suppose que, lors du chauffage de la section y de forte épaisseur, la longueur de l'inducteur est identifiée par le symbole de référence La, tandis que, lors du chauffage de la section x de faible épaisseur, la longueur de l'inducteur est iden- tifiée par le symbole de référence L. L p N t= a= P a a v v L p N t = c= c c v v Ainsi, on comprendra facilement à l'aide de l'équation (3) qu'un échauffement uniforme d'un tuyau métallique ayant des sections d'épaisseurs différentes peut être réalisé par ajustement du nombre de spires de l'inducteur. Pour faciliter la compréhension du principe qui vient d'être défini, il va être décrit de nouveau en relation avec l'exemple simple suivant. On fait la supposition que les sections de forte épaisseur du tuyau métallique ont une épaisseur valant deux fois celle de la section de faible épaisseur et on construit des bobines (a), (b), (c) et (d) ayant chacune quatre spires et étant conçues pour être mises en service en relation avec une condition temporelle prédé- terminée. Pourvu que des conditions de travail électriques aient été précédemment déterminées de façon qu'un chauffage optimal soit assuré lors du chauffage du tuyau métallique par la bobine comportant deux spires pendant son déplacement, un programme sera préparé pour les sections à forte épaisseur de sorte que ces dernières passeront dans la bobine comportant quatre spires. Plus spécialement, il est préparé un programme pour les bobines (a), (b), (c) et (d) respec- tives de façon qu'il se mette en marche en conformité avec l'ordre des bobines (a), (b), (c) et (d) au moment o la section de forte épaisseur du tuyau métallique s'en rapproche, puis il interrompra le fonctionnement de l'une après l'autre au moment o l'extrémité terminale de la section à forte épaisseur en sortira. L'inducteur tel que décrit ci-dessus peut être une bobine indépendante. En pratique, il est pratique et économiquement préfé- rable que chaque bobine comporte quatre spires et qu'il soit prévu un circuit électrique tel que la commande marche-arrêt soit librement programmable pour les spires respectives. Dans ce cas, la bobine est disposée avec une certaine inclinaison par rapport au tuyau métallique à chauffer,mais il n'y a aucune gêne pratique à faire que la bobine soit disposée éventuellement près du tuyau métallique, puisque le flux magnétique tend à se concentrer sur la section de forte épaisseur. On va maintenant poursuivre la description de l'invention de façon plus détaillée en relation avec les figures 2(a) à 2(f) qui illustrent un mode de réalisation de l'invention. Les figures 2(a) à 2(f) sont respectivement des vues en coupe qui illustrent la manière dont le tuyau métallique A3 de la figure 1(c) est inductivement chauffé selon le procédé de l'invention. Pour permettre une compréhension plus aisée du procédé de l'invention, on admet que le tuyau métallique A à chauffer est conçu de manière à présenter sensiblement la meme configuration que le tuyau métallique A3 de la figure 1(c) avec un diamètre extérieur D qui est très important en comparaison de l'épaisseur. Alors, l'équation (3) précédente est représentée par les équations suivantes N = - (D" ------- (4). c De plus, le tuyau métallique A est conçu de façon que les sections de forte épaisseur y et z aient des épaisseurs & 1 et S 2 sensi- blement plus grandes que l'épaisseur & c de la section de faible épaisseur, ladite épaisseur & al étant 1,5 fois plus grande que l'épaisseur S c, alors que l'épaisseur d a2 est deux fois plus grande que l'épaisseur 8 c' tandis que l'inducteur I comprend une bobine à vingt spires. Alors, le nombre Nal de spires de l'inducteur I servant à chauffer la section forte y ainsi que le nombre N82 de spires de l'inducteur I servant à chauffer la section forte z du tuyau métal- lique A sont calculés à partir de l'équation (4) de la manière suivante. N 6 =c N 1,5 Nc ai = c c N2 =-aN -2N (6). a2 c 2 c Ainsi, on comprend aisément sur la base des équations données ci-dessus que la section de faible épaisseur x dû tue.. métallique est chauffée par l'intermédiaire de la bobine comportant dix spires, tandis que la section de forte épaisseur y et la section de forte épaisseur z sont chauffées au moyen des bobines comportant respectivement quinze spires et vingt spires, si l'on suppose que l'inducteur I comprend une bobine à vingt spires. On notera que, sur le dessin, l'inducteur I est identifié par vingt cercles, o ceux qui sont entièrement colorés en noir représentent des spires de bobine dans lesquels passe un -courant électrique, alors que les autres sont des spires de bobine dans lesquels il n'y a pas de courant électrique, les numéros de référence 1 à 10 désignant respectivement les spires de bobine qui sont destinés à chauffer les sections de forte épaisseur y et z du tuyau métallique. On va maintenant décrire un procédé permettant de commander le nombre de spires de l'inducteur en faisant l'hypothèse que les conditions de travail notées ci-dessus ont été établies. D'abord, comme le montre la figure 2(a), un tuyau métallique A se déplace à une vitesse constante vers la gauche, ainsi que cela est indiqué par une flèche sur le dessin, étant établi que des conditions de travail électriques ont été prévues pour chauffer la section de faible épaisseur x à une température prédéterminée au moyen de bobines autres que celles identifiées par les numéros de référence 1 à 10. Le tuyau métallique A est chauffé pendant son déplacement et, lorsque le point b de la section z de forte épaisseur arrive au voisinage des bobines ne transportant pas de courant électrique, ainsi que cela est illustré sur la figure 2(b), elles sont successivement mises en service d'après l'ordre des numéros de référence 1 à 5. Dans le même temps, lorsque le point a de la section y de forte épaisseur arrive au voisinage de la bobine 6, ainsi que cela est illustré sur la figure 2(c), cette dernière est mise en service. Tandis que le tuyau métallique A se déplace, les bobines désignées par les numéros de référence 7 à 10 s'allument l'une après l'autre. Puis, lorsque le point c de l'extrémité terminale de la section z de forte épaisseur quitte la bobine 1, ainsi que cela est illustré sur la figure 2(d), les bobines interrompent leur fonctionnement dans l'ordre des numéros de référence 1 à 5. De plus, lorsque le point d de l'extrémité ter- minale de la section y de forte épaisseur quitte la bobine 6, ainsi que cela est illustré sur la figure 2(e), les bobines interrompent leur fonctionnement dans l'ordre des numéros de référence 6 à 10, de la même manière que précédemment. Une fois terminé le chauffage au moyen des bobines I à 10 qui subissent la commande de marche- arrat décrite ci-dessus, le chauffage se poursuit au moyen des seules dix spires de bobine d'inducteur autres que les bobines 1 à 10, ainsi que cela est illustré sur la figure 2(f). Lorsque le tuyau métallique quitte la partie terminale de l'inducteur, un cycle de chauffage par induction prend fin. En répétant les opérations énoncées ci-dessus, on peut assurer qu'un grand nombre de tuyaux métalliques comportant des sections d'épaisseurs différentes sont uniformément chauffés par induction sur toute leur longueur. On comprendra naturellement que, si l'invention vient d'être décrite cidessus en relation avec des tuyaux métalliques ayant des sections d'épaisseurs différentes, elle ne s'y limite pas et elle peut être appliquée à tout matériau métallique cylindrique tel que tige ou élément analogue ayant des sections de diamètres différents. Puisque le procédé est mis en oeuvre de la manière indiquéç ci-dessus, il est assuré que tout tuyau métallique ayant des sections d'épaisseurs différentes, tel que tuyau de forage de puits de pétrole ou élément analogue, peut être très facilement chauffé par induction de manière uniforme sur toute sa longueur sans qu'il soit nécessaire de déplacer l'inducteur, par la seule application d'un programme commandant la capacité variable des bobines d'induction, dans la mesure o le rapport des épaisseurs de la section à faible épaisseur à la section à forte épaisseur ainsi que l'étendue sur laquelle les sections à forte épaisseur se trouvent ont été précédemment déterminés. En résultat, le procédé de l'invention permet un grand nombre d'avantages industriels. Enfin, la figure 3 présente un exemple d'appareil de chauffage par induction au moyen duquel le procédé de l'invention est mis en oeuvre de manière efficace, o l'appareil de chauffage par 2498407- induction comprend une bobine fixe C et une bobine variable C, I 23 la première étant destinée à chauffer la section de faible épaisseur, tandis que la dernière est destinée à chauffer la section de forte épaisseur. La bobine variable C2 est conçue de façon que l'on puisse régler le nombre de spires au moyen d'un commutateur Mc, si bien que, dans le cas d'une unique source d'alimentation électrique pour le chauffage par induction voulu (El = E 2), il est possible de commander la tension à appliquer par une unique spire de la bobine variable C2 en déplaçant la prise intermédiaire T de l'autotransformateur T jusqu'à la position illustrée par la ligne en trait interrompu, tandis que, dans le cas de deux sources d'alimentation électrique o il est possible d'ajuster de manière voulue les tension de sortie E1 et E2, on peut commander la puissance d'entrée par unité de longueur de l'inducteur en ajustant la tension E2 présente sur la bobine variable C2 et, dans le même temps, on effectue la commande de température d'après l'équation (1). Il est donc évident que le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre à l'aide de l'unité de chauffage par induction qui est décrite ci- dessus,-et cela, sans difficulté. Il est en outre présenté un exemple d'appareil permettant d'exécuter l'invention en relation avec la figure 4.- Le tuyau 1, qui passe entre des cylindres entraîneurs 2a, 2b, est guidé au moyen de cylindres redresseurs 3a-3a. Un ensemble inducteur à nombre de spires variable selon l'invention est prévu en aval des cylindres 3a- 3a et permet de chauffer le tuyau 1 uniformément mime s'il existe des variations locales remarquables de l'épaisseur de paroi du tuyau ou des variations de son diamètre externe. Les cylindres entraîneurs et redresseurs sont conçus de façon que la distance entre les arbres de chaque groupe de deux cylindres opposés puisse varier de manière appropriée pour adapter de façon régulière les cylindres au tuyau, même s'il survient une variation brusque du diamètre extérieur du tuyau pendant que celui- ci passe entre les cylindres. Le groupe inducteur 4 est conçu de la manière présentée sur la figure 3, et le nombre de spires effectives augmente ou diminue automatiquement en fonction de l'épaisseur de paroi du tuyau entrant dans l'inducteur 4 pour y être chauffé. Le changement du nombre de spires est réalisé par des commutateurs 8 et, dans ce cas, il est prévu huit commutateurs. Dans ce cas, il est intéressant que les commutateurs forment un ensemble assez compact, par suite de la faible différence de tension existant malgré la valeur importante des courants électriques, puis des com- mutateurs magnétiques normaux du type marche-arrêt ou des commutateurs du type semi-conducteur doivent être disponibles. Sur la figure 4, il est prévu un autre ensemble inducteur identique 7 en aval des cylindres entraîneurs et redresseurs 2c, 2d, 3b-3b et, en outre, une chemise 5 de refroidissement par eau est installée entre les cylindres entraîneurs 2c et.2d et est recouverte d'un dispositif protecteur 6 empêchant que l'eau ou le liquide de refroidissement ne produise des éclaboussures. Il faut noter que chaque inducteur de chauffage 4 ou 7 est doté d'un élément des unités de cylindres de redressement cité à l'avant et à l'arrière de chaque inducteur 4 ou 7 afin d'empêcher une déformation du tuyau 1. La vitesse d'avance du tuyau 1 est donnée par les galets d'entraînement 2a, 2b,... 2e, 2f qui sont eux-mêmes entraînés par un moteur à vitesse variable, la vitesse d'avance étant maintenue constante. On commande la puissance du chauffage en ajustant la tension E1 de l'inducteur à spires fixes 4f qui fait partie de l'inducteur 4 et en ajustant le nombre de spires de l'inducteur 4v à nombre de spires variable qui fait également partie de l'inducteur 4. La tension E2 de l'inducteur 4f est maintenue constante tandis que le nombre de spires varie, puis le tuyau 1 subit un chauffage uniforme jusqu'à la température de trempe voulue pour être ensuite trempé au moyen d'un-liquide de refroidissement dans la chemise 5 et pour être enfin chauffé de nouveau de manière appropriée pour la réalisation de la trempe. Ensuite, le tuyau 1 thermiquement traité est expulsé à l'aide de groupes de cylindres entraîneurs 2e, 2f, etc. t1 -- i. v5 L'appareil selon l'invention est compact en raison de la structure et du mécanisme raisonnables de l'unité de chauffage 4-8-9 et 7-8-9 et, en dehors de cela, il ne nécessite aucune autre partie mobile que les arbres des cylindres et est en même temps relativement peu cher, a une durée d'utilisation très longue et un fonctionnement très correct et stable. Mais il faut aussi noter que le deuxiZme moyen de chauffage 7 peut être remplacé par un moyen d- chauffage d'un type normal, comme un inducteur à nombre fixe de spires ou un four puisque le temps de séjour est long et qu'il existe un intervalle autorisé assez large pour la température de chauffage, cette struc- ture rendant l'appareil encore meilleur marché. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et de l'appareil dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de chauffage par induction d'un matériau allongé métallique ayant des sections d'épaisseurs différentes dans lequel un chauffage par induction est effectué en continu par l'intermé- diaire d'un inducteur (CI, C2) tandis que le matériau allongé métal- lique (A) est déplacé à vitesse constante dans la direction longi- tudinale, le procédé étant caractérisé en ce que l'inducteur est conçu de façon que le nombre de spires puisse être commandé à volonté et, lorsque la section de forte épaisseur (y, z) du matériau allongé métallique passe dans l'inducteur, le nombre effectif de spires augmente de manière à assurer une entrée thermique accrue, tandis que, lorsque la section de faible épaisseur (x) y passe, le nombre effectif de spires diminue pour assurer une entrée thermique réduite, si bien que le matériau allongé métallique est chauffé uniformément sur toute sa longueur. 2. Appareil de traitement thermique comportant des groupes de cylindres entraîneurs (2a à 2f) destinés à faire avancer un tuyau ou une tige, des groupes de cylindres redresseurs (3a à 3c) disposés à l'avant et à l'arrière de chaque inducteur de chauffage (4, 7), l'appareil étant caractérisé en ce que lesdits inducteurs sont commandés par le procédé de la revendication 1, et un appareil de refroidissement (5, 6) est disposé après le premier inducteur. 3. Appareil de traitement thermique comportant des groupes de cylindres entraîneurs (2a à 2f) destinés à faire avancer un tuyau ou une tige, des groupes de cylindres redresseurs (3a à 3c) disposés à l'avant et à l'arrière de chaque moyen chauffant (4, 7), l'appareil étant caractérisé en ce que le premier moyen chauffant est un ensemble d'inducteurs (4) selon la revendication 1 et le deuxième moyen chauffant est un moyen chauffant normal tel qu'un inducteur à spires en nombre fixe ou un four, et un appareil de refroidisse- ment (5, 6) est disposé après le premier inducteur.