Brevet FR2540699A1 — publié le 19840810

DISPOSITIF ELECTROMAGNETIQUE DE REGLAGE DU BRASSAGE DES MENTAUX FONDUS DANS LES FOURS A INDUCTION A CREUSET La présente invention a trait, dans le domaine de la métallurgie, au secteur de la fonderie et, plus particulièrement, à un dispositif per mettant de maîtriser l'intensité du brassage, ainsi que l'hydrodynamique, des écoulements de métaux ou alliages fondus dans les creusets des fours électriques à induction. Ce procédé met en oeuvre certains effets de l'électromagnétisme et, plus particulièrement, l'emploi, la forme et la position des écrans électrodynamiques. Il est connu que, en métallurgie classique, l'élaboration de pro duits semi-ouvrés demande une phase de fusion du métal destinee à la met tre dans un état convenant à l'application de traitements tels que : le brassage avec des éléments de purification, l'affinage et l'homogeneisa- tion d'alliages ou, encore, la mise en forme, apres transfert et solidi fication, dans différents types de moules. Ces opérations nécessitent des moyens appropriés de chauffage, les plus courants étant les fours à fuel, à résistance électrique et a induction électromagnétique: La tendance actuelle va surtout vers l'emploi de fours à induction à creuset, car ils permettent d'obtenir un chauffage plus rapide. Ils offrent egalement la possibilité de fonctionner en atmosphère sous pression, ou sous vide, et d'avoir un rendement énergétique supérieur, pouvant atteindre 85 %, donc meilleur que ceux des fours à fuel et à re sistance électrique, dont les rendements sont respectivement de l'ordre de 20 % et de 45 %.Cependant les fours à induction presentent les incon vénients suivants - Un phénomène de brassage électromagnétique du métal fondu qui devient excessif, lorsque le volume du creuset et, donc, la puissance ab sorbée augmente, ce qui se traduit par une érosion rapide du garnissage du réfractaire ; dans certains cas, la vitesse du liquide prés des parois atteint plusieurs m.s~1 et le creuset peut devenir inutilisable au bout de 48 heures de fonctionnement, ce qui remet en question la rentabilite de ce procédé et limite la contenance des creusets. - Par exemple, dans le cas d'un four à induction monophasé, on sait que le mouvement du métal liquide est représenté par quatre rouleaux principaux et il arrive, lorsqu'on veut constituer, encore à titre d'exemple, des alliages d'aluminium contenant des métaux lourds, tels que l'antimoine, que ces éléments restent piégés dans les deux tourbillons inférieurs, de ce fait, l'homogénéité de ces alliages n'est plus satisfaisante. Les causes de ces désavantages résident dans la conception même des fours à induction classiques. Il est donc, ici, nécessaire de rappeler, au moins, le principe de fonctionnement du four à induction monophasé. Une bobine inductrice, de symétrie axiale, est composée de quelques spires parcourues par un courant alternatif de basse ou moyenne fréquence N (le plus souvent comprise entre 50 et 104 Hz). En conséquence, un champ magnétique variable, toujours de symétrie axiale, apparait dans le volume intérieur à l'inducteur. Lorsqu'un creuset, contenant le métal fondu, est placé à l'intérieur de l'inducteur, des courants électriques induits, de densité J, prennent naissance par induction et se concentrent, ainsi que le champ magnétique B, dans une zone annulaire périphérique dont l'épaisseur est évaluée, arbitrairement, par la "profondeur de peau" 6 = (2/wp/2 où U = 2wN est la pulsation, > et a étant, respectivement, la perméabilité magnétique et la conductivité électrique du metal fondu. Il s'agit d'un phénomène trés classique, connu sous le nom d'"effet de peau". L'action d'un champ électromagnétique variable dans un creuset contenant un métal liquide se résume, d'une part, à un effet thermique (fusion, puis maintien à l'état liquide, 'causé par l'effet Joule existant dans la zone de peau) et, d'autre part, à un effet mécanique (mise-en mouvement du bain). Les forces de Laplace par unité de volume, JA , peuvent être décomposées, en une partie rotationnelle, équilibrée par un gradient de pression, ce qui se traduit par une déformation de la surface libre (dôme) et d'une partie rotationnelle, uniquement due à des effets d'ex trémités (courbure de lignes du champ magnétique), qui est à l'origine du brassage électromagnétique. L'invention vise à agir sur ce phénomène de bords, d'origine élec tromagnétique, dans le but de tempérer l'intensité du brassage (freinage de la vitesse d'écoulement le long des parois du creuset) et de faire Varier sa structure hydrodynamique (inversion du sens de l'écoulement et meme modification du nombre de cellules, par exemple). L'invention consiste à utiliser deux écrans annulaires électrodynamiques, confectionnes en un matériau électroconducteur (par exemple, métal ou alliage), dont les axes de révolutions sont confondus avec celui du four à creuset et dont les diamètres intérieur et extérieur sont intermédiaires entre le diamètre intérieur de l'inducteur et le diamètre exterieur du creuset, Une des dispositions possibles consiste à placer un de ces écrans au voisinage du niveau de la surface libre et un second ecran prés du niveau du fond du creuset. Une des propriétés essentielles des ecrans de ce type est qu'ils sont parcourus par des courants induits, de densité Jes qui sont pratiquement en opposition de phase par rapport à ceux circulant dans l'inducteur proprement dit. Dans la zone de peau électromagnétique de métal liquide voisine de l'écran, les effets de J et de J e ont tendance à s'annihiler à chaque instant ; il en résulte qu'aux extrémités, le champ magnétique, la densité du courant et donc les forces électromagnétiques sont très nettement affaiblis; en conséquence, il en est de même du brassage d'origine électromagnétique. De plus, pour des positions convenables de l'écran, soit par rapport à la surface libre, soit par rapport à la base du creuset, la direction des lignes de champ magnétique peut aussi être modifiée et le sens de circulation des écoulements inverses, dans les cellules. Par ailleurs, si on se limite à l'utilisation- d'un seul écran, il est possible d'obtenir dans une demi-section verticale un seul tourbillon (au lieu de deux). Dans le cas où l'écran est localisé convenablement dans la partie supérieure du creuset, l'ecòulement est montant le long des parois etil devient descendant le long des parois lorsque l'écran est situé à la base du creuset. Cette configuration est intéressante car elle évite le piégeage des éléments lourds, entrant dans la constitutipn d'alliages legers, qui appariait au fond des creusets des fours classiques possedant une structure hydrodynamique à quatre cellules. Les écrans s'echauffent par effet Joule dû au phénomène d'induction électromagnétique et il est nécessaire de les refroidir, par exemple, à l'aide d'une circulation d'eau. La forme de leur section droite verticale peut être variée : rectangulaire, carrée, décroissante vers le bas ou vers le haut. Les lignes délimitant les sections droites peuvent correspondre à des fonctions mathématiques diverses (équation de droites, de coniques, exponentielles, etc...). L'épaisseur du métal utilisé dans la confection de ces écrans dépendra de sa conductivité électrique, de la fréquence du courant et de l'importance de l'effet désiré. Par exemple, l'écran pourra être d'autant plus mince que la fréquence du courant est la conductivité électrique de l'écran seront plus élevées. De plus, sa section pourra varier, selon une verticale, afin de tenir compte de la non uniformité, en absence d'écran, du champ électromagnétique dans la zone de bord, permettant ainsi une atténuation progressive des effets d'extrémités ; sa position pourra être aussi réglable en hauteur, afin de permettre une action progressive sur l'intensité et la direction du brassage. On dispose ainsi d'un système de contrôle souple n'ayant aucune influence sur une éventuelle corrosion du métal liquide, -comme celui qui pourrait être produit par un dispositif à immersion. Le dispositif selon l'invention présente ainsi de nombreux avantages - Il est de conception et de réalisation simple et fiable. - Il agit sans contact et donc sans risque de corrosion du métal liquide. - Son fonctionnement ne demande aucune installation électrique (générateur, par exemple) supplémentaire. - L'énergie calorifique qu'il absorbe ne représente que 5 à 6 % de la puissance totale dépensée, ce qui garde au four à induction son caractère compétitif sur le plan du rendement. - Les ecrans sont facilement accessibles et peuvent être facilement remplacés en cas d'incident. - L'intensité et la structure hydrodynamique du brassage peuvent être réglées avec souplesse. - Le très net ralentissement de l'usure du creuset, en raison de la réduction du brassage, permet d'envisager la construction de four à induction de puissance plus élevée et susceptibles de remplacer une gamme de fours de types différents ( fuel, à résistance electrique, etc ..) dont les rendements énergétiques sont faibles, d'où une économie appréciable d'énergie. - La réduction du brassage permet d'obtenir des produits plus purs. - La modification de la structure du brassage permet aussi d'homogénéiser, avec efficacite, des alliages légers contenant des élements lourds (réduction à un écoulement à deux cellules principales, au lieu de quatre). - Les écrans peuvent être amovibles, ce qui peut autoriser un brassage de durée limitée. - Il s'applique à tous les métaux et alliages. Cependant, l'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins qui accompagnent la présente demande et qui représentent, sans caractère limitatif, des exemples de réalisation et de mise en oeuvre de dispositifs selon l'invention. La figure 1 est une coupe verticale et radiale d'un four à creuset muni de deux écrans électrodynamiques. Les figures 2 à 6 sont des coupes verticales d'écrans électrodynamiques de formes différentes. Les figures 7 à 11 sont des demi-coupes verticales et radiales présentant différentes topographies de champ de vitesse dans le métal fon du, en absence, ou en présence, d'un ou deux écrans électrodynamiques et pour differentes positions de ces derniers. Sur la figure 1, on voit, en coupe, la bobine inductrice (1) qui crée le champ magnétique variable, le creuset (2) contenant le métal liquide (3), l'écran supérieur (4a) et l'écran inférieur (4b). Le creuset est porté par un support (5) dont la hauteur est réglable par un vérin (6). La figure 2 représente la coupe verticale d'un écran annulaire de section rectangulaire, constitué par une substance (1) bonne conductrice de l'électricité (métal, de préférence) refroidie par une circulation d'eau intérieure (2). La figure 3 représente la coupe verticale d'un écran annulaire dont la section est un quadrilatère, dont seulement les deux plus petits côtés sont parallèles. Cet écran est constitué par une substance (1) bonne conductrice de l'électricité, refroidie par une circulation d'eau (2). Dans cet écran, l'épaisseur de la substance électroconductrice est constante selon une verticale, sauf dans les parties superieure et inférieure massives. La figure 4 représente la coupe verticale d'un écran annulaire dont la section est un quadrilatere, dont seulement les deux plus petits cotés sont parallèles. Cet écran est constitué par une substance (1) bonne conductrice de l'électricité refroidie par une circulation d'eau (2). Dans cet écran l'épaisseur de la substance electroconductrice n'est plus constante selon une verticale. La figure 5 représente la coupe verticale d'un autre ecran annulaire dont la section est un quadrilatère dont seulement les deux petits côtés sont parallèles et où l'épaisseur de la substance conductrice est variable le long d'une verticale. La figure 6 represente la coupe verticale d'un ecran annulaire dont la section est formée par l'intersection de deux droites et de deux courbes. L'équation de chacune de ces -deux courbes pouvant être quelconque. Il existe évidemment une infinité de variantes relatives à la forme de la coupe verticale de ces écrans. La figure 7 présente-l'allure des deux tourbillons, contenus dans une demi-coupe verticale et radiale du creuset, dans le cas du fonctionnement habituel, c'est-à-dire en absence d'écran. La figure 8 présente l'allure des deux tourbillons, contenus dans une demi-coupe verticale et radiale du creuset, dans le cas où deux écrans (la et lb) sont maintenant disposés, respectivement, dans le voisinage de la surface libre et dans le voisinage de la base du creuset. Avec ce nouveau dispositif, les vitesses sont notablement diminuees et, pour une position donnée des écrans, les sens des écoulements dans les tourbillons (comme il est indique sur la figure) peuvent même être inverses par rapport à ceux presentes sur la figure 7 qui correspond au cas du fonctionnement classique des fours à induction. a figure 9, présente le cas où un seul écran (1), place dans le voisinage de la surface libre du metal liquide, est utilisé. Pour cet-te disposition, un seul tourbillon appariait dans une demi-coupe verticale et radiale du creuset et le fluide remonte le long des parois du creuset. De plus, l'amplitude des vecteurs-vitesses peut être modifiée, par un réglage de la position de l'écran par rapport à la surface libre ou en utilisant des ecrans de différentes épaissaurs ou de différentes conductivités electriques. La figure 10, presente le cas où un seul écran (1) est situé à quelques centimètres au dessous de la surface libre. On observe, pour cette disposition, que le tourbillon inférieur s'étend au detriment du tourbillon supérieur. La figure 11, présente, encore à titre d'exemple, le cas où un seul écran (1), place au voisinage du fond du creuset, est utilise. Pour cette disposition, un seul tourbillon occupe une demi-coupe verticale et radiale du creuset, mais le fluide tourne alors en sens inverse par rapport au cas montré sur la figure 9 ;- c'est à dire que, maintenant, le me- tal liquide descend le long des parois du creuset. L'invention peut être illustrée à l'aide des deux exemples non limitatifs qui suivent. Pour des raisons de facilités d'expériences et d'économies, les premiers essais ont été réalisés sur une maquette de four dont le creuset contenait du mercure. L'inducteur était parcouru par 10 000 ampères/tours pour une fréquence de 50 Hz tandis que le creuset de 15 cm de diamètre maintenait une hauteur de mercure de 20 cm. Des mesures quas-i-ponctuelles de vitesses ont été réalisées, dans une demi-section droite radiale du creu set, à l'aide d'une sonde à aimant incorporée qui possède la propriété de donner la valeur des composantes de la vitesse locale.De nombreux essais ont ainsi été effectués et ont, en particulier, permis d'observer les effets hydrodynamiques présentés sur les figures 7 à 11 ; de plus, les relevés topographiques anémométriques ont permis de constater que les vitesses locales pouvaient être divisées, dans un rapport allant de 10 à 15, lorsqu'on passait de la situation de la figure.7, qui correspond au fonctionnement traditionnel, à celui de la figure 8, qui correspond à 1 'adjonc- tion de deux écrans électrodynamiques. Une seconde série d'essais a éte réalisée dans un four à creuset, rempli de 200 kg d'aluminium liquide, absorbant une puissance active de 60 KW et dont l'inducteur était parcouru par un courant de fréquence 2 000 Hz. Les relevés de champ de vitesse réalisés à l'intérieur du creuset, ont permis de s'assurer que les vitesses étaient encore divisees dans un rapport pouvant aller de 10 à 15, lorsqu'on passait de la situation de la figure 7, qui correspond au fonctionnement traditionnel, à celui de la figure 8, qui correspond à l'adjonction de deux écrans électrodynamiques convenablement placés. L'invention trouve son application dans tous les cas où l'on veut eviter l'usure des creusets des fours à induction, modifier l'hydrodynamique des métaux ou alliages liquides contenus dans les creusets et augmenter la capacité des creusets et la puissance des fours à induction. REVENDICATIONS 1 ) Procédes de fusion, de maintien en fusion de métaux ou d'alliages et d'élaboration d'alliages, caractérises en ce que l'on dispose convenablement un ou plusieurs écrans électrodynamiques, dans le but de régler l'intensité ou /et/ le caractère hydrodynamique du brassage des métaux ou alliages fondus dans les creusets des fours à induction. 2") Procédé suivant la revendication 1, caracterisé en ce que les lignes délimitant une section droite verticale de l'écran peuvent correspondrent à des fonctions mathématiques diverses. 3 ) Procedé suivant la revendication 2, caractérisé én ce que la nature de la substance électroconductrice constituant l'écran peut être quelconque (métaux, alliages, etc...). 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que les formes et les dimensions des écrans dépendent de la conductivité électrique de la matière constituant l'écran, de la fréquence du courant qui parcourt le (ou les) inducteur (s) et de l'importance de l'effet désiré. 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les écrans peuvent être réglables en hauteur et même amovibles. 60) Procéde selon la revendication 1, caractérisé en ce que les écrans sont refroidis par une circulation d'eau intérieure ou extérieure. 70) Procédé selon la revendication 1, s'appliquant à tous les fours dont le principe de fonctionnement est basé sur l'utilisation d'un champ magnétique variable dans le temps et ceci que ce champ soit à symétrie axiale, ou tournant, ou glissant (champ linéaire) ou une combinaison de plusieurs de ces cas. 8 ) Procédé selon la revendication 7, s'appliquant à des fours dont le principe de fontionnement est basé sur l'utilisation d'un champ magnetique variable dans le temps produit par des enroulements inducteurs alimentés par des courants monophasés ou polyphases. 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'applique à tous les métaux et alliages.