Brevet FR2516641A1 — publié le 19830520

La présente invention concerne un dispositif de chauffage par induction magnétique de produits métalliques rectangulaires plats défilant dans le sens de leur longueur, du type comprenant au moins un inducteur apte & produire un champ magnétique d'intensité constante, mais réglable, orienté sensiblement perpendiculairement à une grande face du produit métallique à chauffer, ledit inducteur étant monté rotatif autour d'un axe perpendiculaire à ladite grande face du produit métal- lique et comportant au moins deux pôles magnétiques ayant des surfaces polaires orientées vers ladite grande face sont parallèles à celles-ci, et balayant une zone annulaire quand l'inducteur tourne. Il est connu depuis longtemps d'utiliser des induc- teurs tournants produisant un champ magnétique d'intensité constante, mais réglable, pour chauffer des produits métalliques destinés à être façonnés à chaud (voir par exemple les brevets français N O 916 287 et 1 387 653) Les pôles magnétiques peuvent être constitués par des aimants permanents, des électro-aimants ou une combinaison d'aimants permanents et d'électro-aimants Le ou les inducteurs peuvent être placés à l'extérieur d'un tunnel en matériau réfractaire et perméable au champ magnétique, à l'intérieur duquel défilent les produits métalliques à chauffer. Toutefois, les dispositifs de chauffage par induction magnétique antérieurement connus ont été relativement peu utilisés jusqu'à présent pour réchauffer des produits métalliques tels aue des brames ou des ébauches, c'est-à-dire des brames avant déjà subi plusieurs passes de laminage dans les cages dégrossisseuses d'un laminoir, mais n'étant pas encore passées à travers les cages finisseuses du laminoir En effet, l'expé- rience a montré au 4 avec les dispositifs de chauffage antérieure- ment connus, il est difficile d'obtenir un profil de tempé- Z 516641 rature régulier dans le sens transversal des produits métalliques à réchauffer Ce problème se complique encore si l'on considère que les produits métalliquesà chaffex Peuvent avoir des largeurs variant dans une large gamme de valeurs. La présente invention a donc pour but de résoudre ce problème en fournissant un dispositif perfectionné de chauffag par induction magnétique permettant d'améliorerl'homogénéited chauffage dans le sens transversal des produits métalliques défilant dans le sens de leur longueur, et ceci quelle que soi: la largeur des produits métalliques dans une gamme de largeur donnée. A cet effet, le dispositif de chauffage par inductio magnétique selon la présente invention est caractérisé en ce q la surface polaire de chaque pôle a la forme d'un triangle curviligne ayant un sommet dirigé vers l'axe de rotation de l'inducteur, deux côtés concaves qui sont symétriques par - rapport à une droite passant par ledit sommet et perpendiculai audit axe, et un côté convexe en arc de cercle centré surledi- axe et dont le rayon de courbure est sensiblement égal au rayon ext. rieur de la zone annulaire balayée par -les surfaces polaires des pôles. L'invention sera mieux comprise à la lecture de description qui va suivre et qui est donnée en référence aux dessinsannexéssur lesquels: La figure 1 montre schématiquement, en coupe trans- versale, un dispositif conventionnel de chauffage par indactit magnétique. La figure 2 montre la zone annulaire d'action 6 n dispositif de chauffage de la figure 1 sur le produit imnta 3 _l à chauffer, ainsi que le profil de chauffage obtenu dans le sens transversal du produit métallique. La figure 3 montre la forme des surfaces polaires pôles magnétiques d'un dispositif de chauffage conforme à la présente invention, La figure 4 est un diagramme montrant la loi idéale de variation de la puissance surfacique induite par le dispc sitif de chauffage dans le produit métallique à chauffer en fonction de la distance à l'axe de rotation du ou des inducte pour obtenir un chauffage homogène sur toute la largeur du produit métallique. La figure 5 est un diagramme permettant d'expliquer comment on obtient la loi de la figure 4. La figure 6 est un diagramme montrant comment varie au cours du temps le champ magnétique à une distance donnée de 1 'axe de rotation du ou des inducteurs du dispositif de chauffage. Le dispositif conventionnel de chauffage par induc- tion magnétique qui est représenté schématiquement sur la figure 1 et auquel peut être appliquée la présente invention comporte par exemple deux inducteurs 1 et 2 disposés respecti- vement au-dessus et au-dessous du produit métallique 3 à chauf- fer, par exemple une brame, en regard des grandes faces de la brame 3, celle-ci étant animée d'un mouvement continu dans une direction perpendiculaire au plan de la figure, c'est-à-dire dans le sens de sa longueur Comme montré sur la figure 1, chacun des deux inducteurs comporte plusieurs pôles magnétiques, par exemple deux-pôles magnétiques 4 Selon l'intensité de chauffage que l'on désire obtenir et selon la température ambiante au voisinage des inducteurs 1 et 2, les pôles 4 peuvent être constitués par des aimants permanents, par des pôles bobinés dont les enroulements sont alimentés en courant continu (électro-aimant), ou par des aimants permanents entourés de bobinages pouvant être alimentés en courant continu Dans le cas o on utilise des électro- aimants ou des aimants permanents munis de bobinages, l'intensité du courant continu peut être réglée de façon connue afin de régler l'intensité du champ magnétique produit par les aimants et, par suite, l'intensité du chauffage produit par les courants de Foucault induits dans le produit métallique 3 à chauffer Habituellement, les pôles 4 ont une section de forme circulaire (cette forme correspond à un flux magnétique maximal pour une longueur de conducteur donnée et donc pour des pertes Joule données dans le cas depôles bobinés). Au moins l'un des inducteurs i et 2 est entraîné en rota- tion autour de l'axe vertical z par des moyens connus non mon- trés sur la figure i, l'autre inducteur pouvant être entraîné en rotation en synchronisme soit par les mêmes moyens d'entraînement, soit par le champ magnétique produit par le premier inducteur. La vitesse de rotation des inducteurs i et 2 est habituellement net- teiment plus grande que la vitesse d'avance du produit métallique Au cours de ce mouvement de rotation, les surfaces polaires des pc 4 qui sont situées en regard des grandes faces du produit métalliq 3 balayent une zone annulaire 5 comme montré sur la figure 2 Cette zone 5 correspond en gros à la zone d'action des induc- teurs sur le produit métallique 3 à chauffer Si ce produit: était immobile, l'énergie calorifique qui lui est apportée pc l'effet Joule des courants de Foucault induits dans sa masse serait relativement homogène dans la zone annulaire 5 Cepen- dant, comme le produit métallique 3 se déplace, l'énergie cal rifique apportée en un point quelconque P située à une distar d de l'axe médian longitudinal du produit 3 est proportion- nelle à la durée de séjour du point P dans la zone annulaire d'action 5 des inducteurs, cette durée de séjour étant elle-n proportionnelle à la longueur du segment AB montré dans la figure 2 Dans le bas de la figure 2, on a représenté le prof de chauffage C qui est obtenu avec un tel dispositif de chauf fage dans le sens transversal du produit métallique 3 Comme on peut le voir d'après le profil de chauffage C montré sur 1 figure 2, un dispositif de chauffage tel que celui représenté sur la figure 1 et ayant des dimensions telles que le diamètr extérieur de sa zone annulaire d'action 5 corresponde sensi- blement à la largeur du produit métallique 3 à chauffer ne pe met pas d'obtenir un chauffage homogène sur toute la largeur produit 3 pendant que celui-ci avance Dans la pratique, pour obtenir un chauffage à peu près homogène, on est conduit à utiliser un dispositif de chauffage dont les dimensions sont telles que le diamètre extérieur de sa zone annulaire d'actio soit nettement plus grand que la largeur maximale des produit métalliques 3 à chauffer, de façon à opérer dans la partie médiane du profil de chauffage C On est donc conduit à utili des dispositifs de chauffage de grande dimension par rapport la largeur des produits métalliques 3 à chauffer Dans ces conditions, on notera que le flux magnétique produit par les inducteurs n'est pas pleinement utilisé pour le chauffage, puisqu'il n'agit pas sur le produit métallique 3 à chauffer lorsque, au cours de leur rotation, les pôles magnétiques se trouvent audelà des côtés longitudinaux du produit 3, d'o un rendement plus faible. i j 6641 La présente invention permet de remédier à cela en fournissant un dispositif de chauffage ayant des dimensions telles Que le diamètre de sa zone d'action ne soit que très légèrement supérieur à la largeur maximale des produits métal- liques en mouvement à chauffer, et permettant de chauffer les- dits produits de manière sensiblement homogène sur toute leur largeur avec un bon rendement Selon la présente invention, ce résultat peut être obtenu en-utilisant un ou deux inducteurs disposés comme ceux de la figure 1, mais dont les pôles magné- tiques, constitués par exemple par des électro-aimants, ont des surfaces polaires en forme de triangle curviligne La figure 3 montre à titre d'exemple, en vue de face, un inducteur conforme à la présente invention comportant quatre pôles magnétiques 4 de formes identiques et de polarités alternées Chaque pôle magnétique 4 peut comporter un noyau magnétique 6, par exemple de -section transversale circulaire, autour duquel est disposé un enroulement d'excitation (non montré) alimenté en courant continu Chaque noyau 6 est muni d'un épanouissement polaire ou pièce polaire 7 qui fait partie intégrante du noyau 6 ou qui est fixé à l'extrémité du noyau qui est adjacente au produit métallique à chauffer Chaque épanouissement polaire 7 a une surface polaire plane et parallèle à l'une des grandes faces du produit métallique à chauffer Comme montré dans la figure 3, la surface polaire de chaque épanouissement 7 a la forme d'un triangle curviligne qui comporte un sommet 8 dirigé vers l'axe de rotation z de l'inducteur, deux côtés concaves 9 et 10, qui sont symétriques par rapport à une droite passant par le sommet 8 et perpendiculaire à l'axe z, et un côté convexe il en arc de cercle centré sur l'axe z et dont le rayon de courbure est sen- siblement égal au rayon extérieur R de la zone annulaire 5 balayée par les surfaces polaires. Avec les surfaces polaires en forme de triangle cur- viligne qui ont été décrites ci-dessus, il est possible d'obtenir un profil de chauffage dans le sens transversal plus uniforme qu'avec les pôles magnétiques à surfaces polaires circulaires ou carrées qui étaient utilisés dans les disposi- tifs de chauffage antérieurement connus Ceci peut être expli- qué de la manière suivante En première approximation, si on néglige les effets de longueur et de largeur finies, on peut considérer que la puissance surfacique induite par l'inducteur tournant en un point quelconque P du produit métallique à chauffer n'est fonction que de la distance r dudit point à l'axe de rotation z de l'inducteur Pour obtenir un chauffage homogène du produit métallique en mouvement, dont la demilargeur peut être comprise entre O et R (R étant le rayon maximal d'action de l'inducteur, c'est-à-dire le rayon exté- rieur de la zone annulaire balayée par les pôles magnétiques 4 l on peut démontrer qu'il faut que la puissance surfacique soit une fonction croissante (figure 4) de la distance r sus-mentio: née, cette fonction pouvant être exprimée par la relation suivante: f(r) = kl ( 1) |R 2 _ r 2 dans laquelle k 1 est une constante. En effet,-en partant de l'hypothèse sus-mentionnée, l'énergie moyenne Em(d) induite au point P qui se déplace le m long du segment AB à une distance d de l'axe Oy (figure 5) es proportionnelle à: f YA Em (d) = f(r) dy ( 2) u YB avec: r = d 2 ( 3) YA =YB 4) =2 _ _ ( 4) 302 2 R 2 d ___ d- soit: Em (d) = 2 f (d 2 + ydy ( 5) Pour obtenir un chauffage homogène en largeur, il faut que l'énergie moyenne Em induite à la distance d ne dépende pas de cette distance d: E 516641 Em(d) = constante ( 6) La solution des équations ( 5) et ( 6) est fournie par équation ( 1) En effet, en tenant compte des équations ( 1) et ( 3), l'équation ( 5) peut s'écrire: dy E (d) = 2 k 1 ( 7) d'o: - y 2 _ Em(d) = 2 k Arc sin j ( 8) R 2 d 2 O ' d' o Em(d) = 2 k L Arc sin Arcsin st( 9) ce qui donne bien Em indépendant de d. Sur la figure 4 on a tracé la courbe représentative de la fonction f (r) définie par l'équation ( 1) pour r compris entre -R et +R D'après cette courbe on peut voir que pour obtenir un chauffage homogène sur toute la largeur d'un produit métallique ayant une largeur égale à 2 R, c'est-àdire égale au diamètre de la zone annulaire d'action de l'inducteur, la puissance surfacique induite devrait théoriquement avoir une valeur infinie à la périphérie de ladite zone annulaire, ce qui est bien entendu impossible à réaliser en pratique Dans la pratique, pour une largeur maximale donnée des produits métalliques à chauffer, il suffira de dimensionner l'inducteur de-telle façon que son rayon d'action R soit légèrement plus grand que la moitié de ladite largeur maximale donnée et que la courbe représentative des variations de la puissance surfa- cique induite en fonction de la distance r ait une allure semblable à celle de la courbe de la figure 4, mais avec des valeurs finies de la puissance ppur les valeurs de r voisines de R. Si l'on suppose que le champ magnétique est uniforme sous chaque pôle 4 de l'inducteur, que le produit métallique à chauffer est limité à la zone d'action de l'inducteur et que la réaction d'induit est négligeable, la variation dans le temps du champ magnétique B vu par le point P, de coordonnées polaires r,a (figures 3 et 5)aucoursde larotation del'induc- /1 teur peut être représentée par une succession de créneaux alternativement positif et négatif comme montré sur la figure 6. Chaque créneau correspond au passage d'un pôle 4 devant le point P et a une largeur qui correspond à la longueur de l'arc polaire e (figure 3) de chaque pole 4 à la distance r à laquelle se trouve le point P Cette forme d'onde du champ magnétique B vue par le point P peut être décomposée en série de Fourier et exprimée par la relation: p= B(t, e, a) =B O 2 p+ 1) sin ( 2 p+l)- sin ( 2 p+l)(wt- p = o ( 10) Si on considère pour simplifier que la puissance surfacique induite au point P est proportionnelle au carré de l'amplitude de la composante fondamentale du champ magnétique, ceci peut être exprimé par l'équation suivante: 2 f(r) = -=k A ( 11) R 2 -r 2 2 o k 2 est une constante de proportionnalité et A est l'ampli- tude de la composante fondamentale du champ A peut être tiré o de l'équation ( 10) enfaisant p = O, soit: À B = O * sin sin (wt a) 12 l q 2. A O L'équation ( 11) devientalors: 22 sin 2 2 2 16 E 2 k 2 ce qui peut encore s'écrire: e = 2 Arc sin K 1 VR 2 _ r 2 / 2 S 641 avec: K = /'51 ( 15) Vk 2 D'après l'équation ( 14), on voit par conséquent que 1 la longueur de l'arc polaire O de chaque pôle magnétique 4 à 1 distance r du centre 0 de l'inducteur est une fonction crois- sante de la distance r, d'o la forme concave des côtés 9 et de chacune des surfaces polaires 7 (figure 3). A l'aide des équations ci-dessus on peut déterminer, pour une largeur donnée des produits métalliques à chauffer et en négligeant les effets de bord, une forme théorique de la surface polaire permettant d'obtenir une homogénéité de-chauf- fage sur toute la largeur des produits métalliques à chauffer. La prise en compte des effets de bord, qui dépendent de la vitesse de rotation de l'inducteur, du nombre et de la forme des pôles, des caractéristiques physiques du produit métalli- que à chauffer et de la valeur de l'entrefer est complexe Les effets de bord peuvent être pris en compte en modifiant de manière itérative la forme théorique déterminée par le calcul pour une largeur donnée des produits métalliques Pour des raisons de simplicité de fabrication, on oeutadopterpour la surface polaire de chacun des épanouissements polaires 7 la. forme d'un triangle curviligne dont les côtés concaves 9 et 10 sont des arcs de cercle ayant un profil qui se rapproche du profil idéal déterminé de la manière décrite plus haut, et don le côté convexe il est un arc de cercle ayant un rayon de courbure sensiblement égal au rayon extérieur de la zone annulaire balayée par les pôles 4, ce rayon extérieur étant luimême légèrement plus grand que lamoitié de la largeur maximale des produits métal- liques à chauffer En outre, chaque surface polaire en forme d triangle curviligne est de préférence symétrique par rapport à la droite passant par son sommet 8 et par le centre O de l'in- ducteur tournant, afin d'obtenir un meilleur équilibrage des masses en rotation En outre, comme montré dans la figure 3,1 e sommet 8 de chaque triangle curviligne est de préférence tron- aué pour éviter les fuites de flux magnétique entre les pôles 4 de polarités opposées. Z 51664 REVENDICATIONS - i. Dispositif de chauffage par induction magnét: que de produits métalliques rectangulaires plats ( 3) défilant dans le sens de leur longueur, comprenant au moins un inductel ( 1,2) apte à produire un champ magnétique d'intensité constan mais réglable, orienté sensiblemernt perpendiculairement à une grande face du produit métallique ( 3) à chauffer, ledit induc ( 1,2) étant monté rotatif autour d'un axe (z) perpendiculaire ladite grande face du produit métallique et comportant au moi deux pôles magnétiques ( 4) ayant des surfaces polaires orient vers ladite grande face et parallèles à celle-ci, et balayant zone annulaire ( 5) quand l'inducteur tourne, caractérisé en c la surface polaire de chaque pôle ( 4) a la forme d'un triangl curviligne ayant un sommet ( 8) dirigé vers l'axe de rotation de l'inducteur ( 1,2), deux côtés concaves ( 9,10) qui sont sya triques par rapport à une droite passant par ledit sommet ( 8) perpendiculaire audit axe (z), et un côté convexe ( 11) en arc cercle centré sur ledit axe (z) et dont le rayon de courbure est sensiblement égal au rayon extérieur de la zone annulair E ( 5) balayée par les surfaces polaires des pôles ( 4). 2 Dispositif de chauffage selon la revendicat: caractérisé en ce que lesdiats cÈtes concaves ( 9,10) ont w forme en arc de cercle. 3. Dispositif de chauffage selon la revendicat: ou 2, caractérisé en ce que ledit sommet ( 8) est tronqué. Z 516641 1 1 4. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque pôle ( 4) comporte un noyau ( 6) entouré d'une bobine et muni d'un épanouissement polaire ( 7), caractérisé en ce que ladite surface polaire en forme de triangle curviligne est la surface polaire de l'épanoui E sement polaire ( 7) du pôle ( 4) considéré.