Brevet FR2559885A1 — publié le 19850823

La présente invention concerne un bassin latéral de pompage électromagné- tique de four destiné à véhiculer le métal à l'état liquide uniquement sous l'action des forces électromagnétiques, pour alimenter des moules dans l'industrie de la fonderie en général, mais plus particulièrement dans celle des métaux légers. Cette utilisation des forces électromagnétiques est bien connue et a fait l'objet de nombreux brevets dans les applications aux pompes électromagnétiques que nous classerons en deux catégories. La première concerne les pompes destinées au sodium liquide pour les réacteurs nucléaires à neutrons rapides principalement. Elles font l'objet de la plus grande partie des brevets décernés à travers le monde sur ce sujet. Les premiers à notre connaissance datent du début du siècle et la première pompe fut construite par Hartman en 1918. Les principaux sont les brevets d'Albert Einstein et Léo Szélard pris à Berlin autour des années 30 (Brevets n 555.413 Klasse 17a-groupe 304 et 476.812-Klasse 31c-groupe 26, par exemple). Le sodium circule toujours à l'abri de l'air dans un conduit généralement en acier inoxydable à bas carbone et la partie active de la pompe est construite autour de ce conduit, partie magnétique et bobinages électriques étant à l'air libre. Elles sont donc citées ici pour mémoire mais sont de mode de construction et d'utilisation très éloignées de notre application, bien que faisant appel aux mêmes principes électromagnétiques pour véhiculer le métal. La seconde concerne les pompes pour métaux fondus industriels autres que le sodium. Elles utilisent des technologies comparables à celles des fours. Il s'agit des pompes commercialisées aux UoS.A. par M et T Manufactoring Co de Grand Rapid et faisant l'objet du brevet américain n 3.931.960. Elles utilisent le principe de la loi de Lentz pour faire remonter le métal de la spire liquide autour d'un noyau magnétique parallélépipédique unique muni d'une bobine et protégé du métal par de la céramique. Ces pompes sont voisines de celles corres- pondant au brevet allemand de Florens et Coester n 837.579-Klasse 21hgruppe 25 du 8 juillet 1949. Ces pompes sont utilisées pour le brassage du métal à l'inté- rieur des fours d'aluminium afin d'accélérer la fusion du métal. C'est la seule application que nous connaissions et la publicité ou la littérature ne parlent que de cette application car le métal ne peut être relevé que d'une hauteur très faible par principe. Le débit, par contre, peut être aussi important que désiré, ce qui est favorable dans l'action de brassage du métal. D'autres pompes électromagnétiques ont été réalisées par la Société GAAA, devenue plus tard Société Novatome. Nous citerons les brevets suivants français: GAAA 71-09159 déposé le 16.03.1971 71-11143 déposé le 30.03. 1971 71-11372 déposé le 31.03.1971 -2- 2559885 Novatome 79-14.585 déposé le 7.06.1979 81-02.099 déposé le 4.02.1981 Ces pompes, commercialisées, fonctionnent bien mais pour pouvoir les utiliser il faut un four disposant d'un bassin approprié sauf peut-être celles correspondant aux derniers brevets Novatome qui sont nettement plus petites et qui rentrent dans de petits bassins. Mais alors les circuits magnétiques à l'intérieur de la céramique sont de dimensions réduites par les dimensions de la pompe et donc limitent ses performances. Enfin pour ces pompes, il est délicat de nettoyer le conduit intérieur car l'épaisseur interne de céramique protégeant les circuits magnétiques est faible si l'on veut avoir quelques performances. Par conséquent cette épaisseur de céramique dans l'entrefer est fragile et risque d'être cassée pendant un nettoyage un peu actif de la veine liquide intérieure. D'autre part, la pompe étant placée dans un bassin ouvert à côté du fondeur, celui-ci a tendance à traiter dans ce bassin le métal pour l'affiner. Mais dans ce cas la pompe sera plus ou moins rapidement mise hors d'usage suivant le soin du personnel. En dehors de ces pompes, il existe des fours électromagnétiques à induc- tion dont la partie active est toujours située à l'extérieur du four. Parmi les brevets ayant les inducteurs en dessous du four, nous citerons les suivants en France: - National Smelting n 949.066 déposé le 7 juillet 1947 qui correspond aux fours Ajax bien connus. Dans une variante l'inducteur est placé sous un bassin avec la partie électrique en dessous du four. - Polischuck n 1.600.320 déposé le 31 décembre 1968. - Edmond Ventre pour E.D.F. n 74.23516 déposé le 5 juillet 1974. Il existe aussi des fours dont le métal est véhiculé vers l'extérieur par des goulot- tes ou des tubes entourés totalement ou partiellement par les systèmes électro- magnétiques situés à l'extérieur sur le côté du four. Ce sont les brevets français suivants: - d'Inge Sundberg pour ASEA n 70. 16.984 déposé le 11.05.1970 - d'Alex Von Starck pour AEG-Elotherm n 70. 24.712 déposé le 03.07.1970 Tous ces fours présentent l'inconvénient de faire circuler le métal dans des conduits ou des goulottes hors du four. En cas de rupture en dessous du niveau du bain, la fuite du métal, par cette rupture, serait préjudiciable pour la partie élec- trique mais aussi pour le matériel environnant. Pour parer à tous ces défauts, Morin dans son brevet Américain n 2.224. 982 du 17 décembre 1940, utilise pour pomper le métal dans le four un bobinage élec- tromagnétique à induction immergé dans le four en biais. Ce système de bobinages immergés complètement n'est pas aisé à utiliser car les températures, auxquelles les bobinages sont portés, sont très élevées. On sait qu'on a toujours intérêt à les reporter à l'extérieur du bain. D'autre part, si on est obligé de les immerger, on a intérêt à les refroidir par un fluide extérieur. Mais cela conduit à extraire des calories du bain liquide et le four doit alors compenser ces pertes thermiques par un supplément de chauffage. L'invention consiste à incorporer à l'intérieur du bassin latéral d'un four les éléments magnétiques et la spire liquide destinés au pompage en les intégrant dans la céramique du four et à reporter à l'extérieur du bassin dans l'air ambiant les bobinages électriques nécessaires au pompage. On n'a plus à craindre les fuites externes de métal puisque c'est la céramique interne du four qui entoure les circuits magnétiques et les protège du métal liquide très corrosif à ces températures. Cette céramique est généralement contenue à l'intérieur d'une cuve métallique qui la plupart du temps est elle- même étanche. Le rôle de cette cuve étanche est aussi de protéger mécani- quement la céramique du four pendant le transport ou des chocs sur place. On peut donc ainsi intégrer dans ce bassin un ou plusieurs des systèmes électromagnétiques connus de pompage. Mais dans l'application envisagée, on utilisera plus particulièrement un système de pompage original. Pour faciliter la compréhension du fonctionnement de ce sytème original proposé, nous allons décomposer les différentes phases par lesquelles passe l'inven- tion pour aboutir à la solution proposée, chaque étape étant d'ailleurs une pos- sibilité d'utilisation, mais toutes basées sur l'utilisation d'un circuit magnétique partiellement saturé. Sur la figure 1, nous décrivons le principe de base qui est un transformateur avec une bobine primaire 1 et une spire secondaire 2 pleine de métal liquide, ouverte sur le four sur la face avant de la spire. Le circuit magnétique du transformateur 3 est déformé dans la partie basse par rapprochement partiel d'une ou des jambes verticales, ce qui va permettre le passage d'un champ de fuite horizontal, de la jambe de gauche 4 vers la jambe de droite 5 de ce transfor- mateur dans la partie rapprochée, la branche horizontale inférieure 7 étant partiellement court-circuitée par le champ de fuite. Il est possible d'augmenter ce champ de fuite horizontal entre les deux jambes verticales partiellement rapprochées du transformateur en créant une saturation locale par un des moyens bien connus, tel que par exemple une enco- che 6 dans une jambe de droite 5 telle que représentée sur la figure 1. Mais cela pourrait tout aussi bien être obtenu par des fentes verticales ou horizontales ou des trous à l'intérieur des circuits magnétiques ou encore par rétrécissement progressif de ces jambes verticales, ou de la branche horizontale, ou encore par remplacement partiel de tôles, magnétiques à ces températures d'utilisation, par des tôles non ou moins magnétiques ou bien encore par d'autres moyens connus. - 4i.- 2559885 Cette saturation cree, donc justte aq dessus du retrecissement 6 du circuit magnétique, le champ de luite horizontale HI qui ne transite pas par la bran he horizontale inférieure et passe d'une ju ibe u l'dautre du transformateur au dessus de la saturation. Ce champ de fuite Hf combiné Xe(( le courant secondaire Is induit dans la spire liquide 2 crée une force verticale Q de pompage par application de la loi de Laplace appelée loi d'Aimpère pir les Xnglo-%a\xons. En pratique ce système de pompage électromagnétique dot t la théorie vient d'être décrite ci-dessus est coulé dans la céramique du bassi latéral d'un four de fonderie comme représenté sur les figures 2, 3 et 4. Sur la figure 2, nous avons de la,dauche vers la droite, le bass n de charge- ment 101, le bassin de fusion ou mia ntien 102 et les éléments Je chauffage électrique 103. Mais bien entendu, sans rien changer à l'invention, le four pourrait être à chauffage au gaz, au fuel ou encore par un système à induttion. Le sys- tème de pompage électromagnétique est sur la partie droite du four dans le bassin latéral. Nous retrouvons dans ce bassmin la spire liquide 10J4 en liaison avec le four par l'orifice d'entrée 105 et raccordée à l'extérieur par le conduit 106. Le circuit magnétique 107 est alimenté par la bobine 108. Nous -emarquerons que en face de la veine active de la spire liquide 104 une cloison en céramique 109 sépare la veine active 104 du four 102 pour limiter ainsi les circulations parasites du métal liquide entre four-et veine active. Ainsi cette veine active de la spire 10 4 est à une altitude supérieure au fond du four et la spire 104 est inclinée pour descendre vers ce tond du four ce qui permet la vidange de la spire. Sur la figure 3 qui est la coupe verticale du bassin au niveau du système de pompage électromagnétique, on retrouve la veine liquide 104 et on constate aussi que la veine d'entrée à droite est: à une altitude plus faible lue la veine active. On retrouve aussi le circuit magnétique 107 et la bobine d'excitation primaire 108. L'encoche de saturation 110 dans le circuit magnét que est re- présenté sur cette figure 3. Sur la figure 4 qui est une coupe horizontale du bassin latéral au niveau de la spire 104, on retrouve le circuit magnétique 107, le tube de sortie 106 et la cloison de céramique 109 séparant partiellement la spire liqJide 104 du four 102. Le système de pompage électromagnétique à saturation magnétique repré- senté schématiquement sur la figure I n'est pas limitatif. A titre d'exemple nous allons donner quelques variantes de ces systèmes de pompage électro- magnétique à saturation magnétique qui peuvent être mis sous le céramique du bassin latéral du four, à la place du système de pompage électrornagnétique de la figure 1. -5- Une de ces variantes représentée figure 5 consiste à utiliser un transformateur à trois branches magnétiques verticales avec la jambe médiane 54 passant au centre de la spire liquide 52. Le courant dans cette spire liquide est induit d'une part, par le circuit jambe verticale 57 plus jambe médiane 54 et partiellement par le circuit jambe verticale 53 plus jambe médiane 54. Dans ce dernier circuit 53-54, la bobine 58 servira aussi à créer le champ de fuite augmenté par l'encoche de saturation 56 entre la jambe verticale 54 et la partie rapprochée 55 de la jambe 53. On peut remplacer les deux bobines 51 et 58 sur les branches horizon- tales supérieures par une seule bobine sur la jambe centrale 54 sans rien changer au problème. Une autre variante, représentée figure 6, consiste à utiliser un transforma- teur à trois jambes magnétiques verticales avec les jambes extrêmes localement rapprochées pour créer une pompe avec deux spires liquides superposées en série. Les deux diagrammes de la loi de Laplace montrent que les forces de pompage s'ajoutent. De même une autre variante, représentée figure 7, consiste à utiliser le même transformateur à trois jambes à jambes extrêmes rapprochées de la jambe médiane pour créer une pompe à effets parallèles dans la spire unique. Chaque demi-spire est active et rejette le métal vers le haut. Les deux sorties peuvent être indépendantes ou reliées pour avoir l'effet parallèle qui augmente le débit. Ici nous avons représenté, sur la figure 7, la bobine unique sur la jambe médiane. Il est de même possible d'utiliser dans le même esprit comme représenté sur la figure 8 un transformateur simple à une bobine d'excitation 81 et deux jambes verticales 83 et 84 avec une spire 82 et 87 autour de chaque jambe verticale entre lesquelles passe la partie commune 88 de ces deux spires 82 et 87. La face avant de ces deux spires 82 et 87 ainsi que la partie commune 88 sont ouvertes sur le bassin principal du four ce qui permet leur alimentation en métal liquide. La partie commune 88 entre les parties rapprochées des jambes verticales 83 et 84 va constituer la veine active de notre système électromagné- tique. Dans cette veine active 88, les courants induits dans les deux spires 82 et 87 s'ajoutent en valeur et en direction. L'encoche de saturation 86 placée ici sur la branche horizontale inférieure 89 augmente le champ de fuite Hf. Nous avons représenté le diagramme de la loi de Laplace et le sens de pompage Q est aussi dirigé vers le haut. Nous rappelons que l'encoche de saturation 86 peut être remplacée par exemple par un rétrécissement progressif des deux parties rapprochées des deux jambes verticales 83 et 84, ou encore par le rétrécissement de la branche horizon- tale inférieure 89 ou encore par d'autres moyens connus tels que fentes ou trous, etc... Cette description des exemples d'utilisation de la saturation locale pour -6- réaliser des systèmes de pompage électromagnétique n'est évidemment pas limitative car, bien sûr, d'autres applications entrant dans le cadre de l'invention en découlent pour l'homme de l'art, telles que par exemple, des transformateurs à plusieurs jambes avec plusieurs spires avec effets parrallèles ou séries à plu- sieurs étages. Dans la pratique, le bassin latéral d'un four de fonderie pourra être réalisé avec le système électromagnétique de pompage, dont le principe a été représenté sur la figure 8, placé dans la céramique de ce dit bassin latéral. Sur la figure 9 pour simplifier, nous n'avons pas pas représenté le four entier, mais seulement une faible partie accollée au bassin latéral qui fait seul l'objet de l'invention. Le circuit magnétique 207 est partiellement noyé dans la céramique avec la spire active 204 et le conduit de sortie du métal 206. La bobine d'excitation 208 est dans l'air ambiant. La spire active 204 est en liaison avec le four 202 par l'orifice d'entrée du métal 205. Cette spire active dont on ne voit sur la figure, à cause de la coupe représentée, que la veine active 204 et les parties avant et arrière des deux spires reliées à cette veine active 204, est à un niveau supérieur au fond du four et la cloison 209 descend en dessous du niveau inférieur de cette spire pour limiter les mouvements para- sites de métal liquide entre la veine active 204 et le four 202 à travers l'orifice 205. Sur la figure 10 qui est une coupe verticale du bassin par l'axe du circuit magnétique, nous retrouvons le circuit magnétique 207 du transformateur avec sa bobine d'excitation 208. La veine active 204 est située entre les parties rap- prochées des jambes verticales du transformateur 207. La saturation est obtenue ici par le rétrécissement progressif 210 des parties rapprochées des jambes verticales. Les deux spires 211 et 212 avec la partie commune 204 entourent ces parties rapprochées 210 des jambes verticales et sont en liaison avec le four. Les spires 211 et 212 ont une altitude progressivement croissante depuis le niveau du fond du four à l'entrée 205 jusqu'au niveau de la veine active 204 à l'arrière, ce qui permet la vidange de l'ensemble des spires liquides. La bobine 208 est représentée ici au dessus du bassin du four mais elle peut aussi bien être placée sur le côté sur l'avant du bassin par exemple. Dans ce cas, le tube de sortie 206 au lieu d'être incliné pourrait être vertical au dessus de la veine active 204 ce qui permettrait à un tuyau de sortie raccordé au tube 206 d'avoir une orientation quelconque. On peut de même dédoubler la bobine 208 pour dégager le dessus du bassin et placer les deux bobines de chaque côté du four sans sortir de l'invention. Sur la figure 11 qui est une coupe horizontale à hauteur de la veine active, pour faciliter la compréhension, nous retrouvons le circuit magnétique 207 du transformateur, la veine active 204 avec les deux spires 211 et 212, la cloison 239 et it tube de sortie 206 représenté en pointilli. cr il est à un n'iedu, t rieur au DIan de:a coupe. Sur la figure 12: nous avons represent, une autre variante do (oiislid tun qui consiste à prémouler le système de pompage électromagnétique (oilprendnt. jne partie au moins du circuit mnagnet!que 307 et au moins une partie de la spire liquide 304. dans un bloc de céramique 313 identique a t elle du bassin ou différente. Le bassin latéral est aniostbhe 315 et la céranique 324 de cv bassin latéral 315 est coulée avec une forme intérieure pour recevoir la forme extérieure 313 du bloc de céramique comprenant ie système de pompage électro- ragneétique. On placera entre la céramique du bassin et celle du système électro- --na-etique une feuille souple de fibre ou de feutre d'alumine du commer( e 3:' qui facilitera le démontage et évitera la progression d'une fuite éventuelle Je l'étai liquide. La partie fixe du four 316 est fixée sur un chassis 317 qui peut recevoir I e bassin amovible 315. L'assemblage du bassin amovible sur le four est réalise Dar un système ordinaire vis-écrous 318 comprimant chacun au moins un ressort dont le rôle est de presser un autre joint en fibre ou feutre d'alumine 319 placé entre le bassin amovible 315 et le four 316. Sur la figure 13, le four, représenté assemblé et vu par dessus, est à 2S creuset amovible en ceramique. Le creuset est chauffé par. exemple par des baguettes électriques ou encore par un ensemble de métal déployé épousant la forme extérieure du creuset ou noyé dans des fibres ou la céramique du four. La figure 14 représente les différentes pièces du four démontées. Nous avons donné au four représenté une forme rectangulaire, mais bien entendu, on peut donner à l'ensemble four-bassin électromagnétique toute forme désirable pour l'adapter aux besoins des utilisateurs. En particulier, un four de forme cylindrique entre parfaitement dans le cadre de cette invention. De même, le fait d'utiliser sur un même four plusieurs bassins electro- magnétiques ou plusieurs systèmes électromagnétiques par bassin, ne sort pas sno plus du cadre de cette invention' four avec bassin électromagnétique latéral Intégre. Il coule de source, évidemment, que de tels fours peuvent servir pour toutes es utilisations en fonderie: coquille, basse-pression, machines à couler sous pression. carroussels de fonderie. coulée sous vide avec four étanche, coulée en cire -pedue etc... En effet, de tels tours remplacent les fours électro- magnétiques ou les fours sous pressio ou rmêeme le fondeur, pour couler le métal Dar gravité ou le remonter dans ir tube de sortie vers un,noule placé plus iaJt Ou nême le transférer a I'extér;e e, ors du four. - s- 2559885 REVENDICATIONS 1. Bassin latéral de four de fonderie caractérisé en ce qu'il est doté d'un système électromagnétique de pompage dont les bobinages d'excitation électrique sont rejetés dans l'air ambiant et en ce que au moins une partie du circuit magné- tique et au moins l'une des veines de métal liquide destinée au pompage sont logées dans la céramique du dit bassin. 2. Bassin selon la revendication I caractérisé en ce que le circuit magné- tique comporte une partie magnétiquement saturée. 3. Bassin selon la revendication 2 caractérisé en ce que la partie saturée du circuit magnétique est située au niveau d'un rapprochement local des branches verticales du circuit magnétique, développant ainsi entre les dites branches un champ de fuite magnétique à travers l'une au moins des veines de métal liquide parcourue par un courant électrique induit. 4. Bassin selon la revendication 3 caractérisé en ce que le système électro- magnétique de pompage utilise deux spires liquides secondaires accolées, dont la partie commune centrale formant la veine active, placée entre les branches rapprochées localement d'un circuit magnétique d'alimentation avec saturation locale est traversée par le champ électromagnétique de fuite entre les branches verticales du circuit magnétique et que ce champ de fuite combiné au courant induit dans la veine active liquide crée la force de pompage du métal liquide. 5. Bassin selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que le dit bassin est démontable. 6. Bassin selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que au moins une partie des circuits magnétiques actifs du système électromagnétique et au moins l'une des veines de métal: liquide sont logés dans un bloc de céramique prémoulée logé lui-même dans la céramique du four pour pouvoir être démontée.