Brevet FR2674013A1 — publié le 19920918

PROCEDES ET DISPOSITIFS DESTINES AU CONTROLE DES ECOULEMENTS AXIAUX ET DES TRANSFERTS DE CHALEUR DANS LES FOURS A INDUCTION A CANAUX La présente invention est relative au contrôle des écoulements axiaux et des transferts de chaleur dans les fours à induction à canaux. Ces transferts de chaleur et de masse sont modifiés à volonté par l'adjonction de bobines inductrices additionnelles sur le noyau primaire, dont le rôle est de réduire l'importance des fuites magnétiques. I1 en résulte un affaiblissement de l'intensité des écoulements et une accélération des écoulements axiaux dans les canaux du four à canal. Les fours à induction à canaux sont employés pour la fusion et le maintien à l'état liquide de très nombreux métaux et alliages. Au point de vue électrique, ces fours peuvent être considérés comme des transformateurs et constituent un exemple typique de procédés fondés sur les lois de l'induction. L'action d'un champ électromagnétique d'induction dans un creuset se résume à un effet thermique (fusion, suivie par le maintien à l'état liquide) provoquée par la dissipation de chaleur par effet Joule, et à des phénomènes magnétohydrodynamiques (mouvement du bain) causés par la partie rotationnelle des forces de Laplace. Le four à canal consiste essentiellement en un circuit primaire, constitué par un noyau de fer fermé autour duquel sont enroulées deux bobines inductrices, parcourues par un courant électrique variable, de fréquence N. Le circuit secondaire (induit) est constitué par deux anneaux de métal fondu, courtscircuités et possédant un canal central commun. Ce dispositif a été conçu pour atteindre de très hautes performances dans le domaine de la fusion. A titre d'exemple, une unité composée de six inducteurs développant une puissance totale de 9 000 kW a une capacité de charge dépassant 50 tonnes d'aluminium, avec un régime de fusion de l'ordre de 15 tonnes par heure. Le rendement électrique global de ce procédé (75 %) est supérieur à celui du four à induction à creuset (55 %) . Cet avantage est dû à deux principales raisons - le champ magnétique est canalisé par un empilement de tôles magnétiques très perméables; il en résulte que Ie flux de fuite et, donc, les pertes d'énergie électrique correspondantes, dues à l'effet Joule dans les matériaux conducteurs environnants, sont très nettement atténuées; - l'épaisseur de l'isolation thermique entourant le bassin principal est importante, car la pénétration du champ magnétique dans le coeur du bain n'est pas requise dans ce cas ; en conséquence, les pertes de chaleur sont fortement réduites. Par ailleurs, le brassage électrique favorise le dégazage ainsi qu'une homogénéisation convenable du bain. De plus, en raison de l'absence de contact direct avec le bain, les pertes au feu, ainsi que la formation d'oxydes, sont significativement minimisées par rapport aux fours à flammes fonctionnant au fuel, ou au gaz naturel. Enfin, les principaux pays du monde occidental sont actuellement caractérisés par une surproduction d'énergie nucléaire ou même, parfois, hydroélectrique, et il en résulte que les producteurs de métaux ferreux et non-ferreux profitent souvent de tarifs préférentiels. Cependant, lorsque les inducteurs des fours à canaux ont une puissance inférieure à 400 kW, les canaux ont une tendance à s'obstruer et il devient absolument nécessaire de les déboucher à la barre. Cette opération, au cours de laquelle le four peut être endommagé, se traduit par une perte de temps et, donc, de productivité. Au contraire, lorsque la puissance de l'inducteur atteint 1000 kW, la présence de tourbillons horizontaux très intenses où les vitesses du métal liquide peuvent dépasser 5 m.s-1 et dans certains cas, d'un probable phénomène de cavitation, provoque une érosion rapide des canaux et peut raccourcir spectaculairement la durée de vie des inducteurs. Dans des situations extrêmes, un canal peut être perforé et le métal fondu peut entrer en contact avec les bobines primaires refroidies par eau, constituant ainsi un sérieux danger d'explosion. Ces désavantages sont encore amplifiés par le fait que le débit des écoulements axiaux est faible (les vitesses sont de l'ordre de 10 cm sl) et ne favorise pas efficacement les transferts convectifs de chaleur et de masse entre les canaux et le bassin principal; il en résulte une surchauffe du métal fondu dans les canaux, qui active les processus physico-chimiques entre le pisé et l'alliage et contribue à la dégradation du revêtement réfractaire. Ces phénomènes s'interprêtent par le raisonnement développé dans les quatre paragraphes qui suivent. Dans le four à canal classique, les deux bobines entourant le circuit magnétique sont respectivement disposées sur le tronçon de noyau situé entre le canal latéral gauche et le canal central, d'une part, et entre le tronçon de noyau situé entre le canal central et le canal latéral droit, d'autre part. Dans le cas des deux canaux latéraux, les fuites magnétiques émanant des bobinages et du noyau de fer s'ajoutent au champ magnétique créé par le courant électrique secondaire dans la zone la plus proche de l'inducteur, tandis qu'elles se retranchent dans la zone la plus éloignée ; la symétrie axiale du champ magnétique créée par le courant secondaire est alors rompue. En conséquence, l'effet de pincement des forces électromagnétiques ne correspond plus au "pinch effect" classique, caractérisé par des forces électromagnétiques centripètes à symétrie axiale; il en résulte que deux tourbillons transversaux, caractérisés par une intense circulation de métal fondu, prennent naissance dans les sections droites des canaux latéraux. Dans le cas du canal central, les fuites magnétiques s'ajoutent, dans la zone de la paroi et dans la direction parallèle aux axes des bobines inductrices, au champ magnétique créé par le courant secondaire ; il en résulte l'apparition de quatre tourbillons transversaux dans la section droite de ce canal, qui sont encore caractérisés par des mouvements intenses de métal fondu. A ces écoulements transversaux correspondent des pressions hydrodynamiques qui, exprimées en hauteur d'aluminium par exemple, peuvent largement dépasser deux mètres dans les fours de grande puissance (au dessus de 1000 kW) et qui ont tendance à réduire considérablement le débit des écoulements verticaux (ou axiaux) dans les canaux. La situation est en effet, ici, très analogue à celIe que l'on rencontre dans un certain type de valve électromagnétique destinée au contrôle des écoulements de métaux fondus par un orifice. Dans ce dispositif, un champ magnétique tournant crée des mouvements rotatifs de métal liquide; le débit à travers l'orifice est d'autant plus faible que la vitesse de rotation du métal liquide est plus élevée, car ces écoulements entraînent l'apparition de fortes pressions hydrodynamiques, qui freinent les écoulements axiaux verticaux. La présente invention vise à remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus, par l'augmentation du débit des écoulement axiaux, de manière à améliorer les transferts de chaleur et de masse entre les canaux et le bassin principal et à réduire l'érosion des matériaux réfractaires dans les canaux ainsi que, dans certains cas, atténuer significativement le phénomène d'obstruction. L'invention consiste à réduire les fuites magnétiques par l'adjonction d'enroulements primaires inducteurs additionnels, comportant chacun n', enroulements, bobinés sur les deux portions du circuit magnétique qui sont parallèles au plan de symétrie vertical, commun au canal central et aux deux canaux latéraux. Les fuites magnétiques émanant du noyau de fer et des bobinages primaires sont considérablement atténuées, tandis que le facteur de puissance du four (cos 4 > ) est amélioré, lorsque l'enroulement primaire est régulièrement réparti sur tout le périmètre du noyau ferromagnétique, ou lorsqu'une bobine est enroulée sur chacun des côtés du noyau ferromagnétique rectangulaire. Il en résulte que les écoulements transversaux sont nettement amortis, tandis que les écoulements axiaux sont accélérés.Les quatre bobines peuvent être connectées au réseau, ou à une source de courant alternatif, au moyen de montages série, parallèle ou mixte ; elles peuvent être également excitées, soit séparément, soit par couple. Par ailleurs n'1 peut être égal, supérieur ou inférieur à n1. Le dispositif selon l'invention présente de multiples avantages: - il est de conception simple et fiable, - il agit sans contact avec le bain et donc sans risque de pollution du métal liquide; - son utilisation ne se traduit pas par une dépense supplémentaire d'énergie électrique et n'affecte donc pas le rendement énergétique du four; - le facteur de puissance (cos &commat; du four électrique est amélioré; - la dissymétrie des composantes horizontales du champ magnétique, par rapport à l'axe de révolution vertical des canaux est très fortement atténuée;; - l'intensité des mouvements de métal liquide peut être modulée avec souplesse dans un large intervalle de vitesse par variation, soit de l'intensité du courant électrique rl parcourant les 2 n'l enroulements additionnels excités séparément, soit du nombre 2 n'1 d'enroulements lorsqu'ils sont montés en série avec les enroulements 2nul, soit du rapport n1/n'l; - les transferts thermiques entre les canaux et le bain principal sont améliorés, ce qui se traduit par une diminution de l'érosion, ou de l'obstruction, des matériaux réfractaires constituant les parois des canaux;; - en raison de la diminution de la surchauffe du métal fondu dans les canaux, les processus physico-chimiques entre le pisé et l'alliage, qui contribuent à la dégradation du revêtement réfractaire, sont considérablement affaiblis. 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 réalisations et de mise en oeuvre de dispositifs selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement un four à canal conventionnel, muni de deux bobines inductrices, parcourues par un courant primaire I1 (1), et entourant le noyau ferromagnétique (2). Elle met en évidence le revêtement réfractaire (3) contenant le métal fondu (4) parcouru par les courants électriques secondaires 12 (5). La figure 2 représente schématiquement, dans le plan horizontal, de symétrie du noyau ferromagnétique et à un instant donné, la direction des lignes de courants électriques primaires (6) et secondaires (7), les lignes de champs magnétiques de fuite (8) ainsi que la distribution du champ magnétique créée par les courants 11 (9) et 12 (10); elle correspond au cas du four à canal conventionnel, muni de deux bobines inductrices. La figure 3 représente schématiquement la distribution des composantes horizontales du champ magnétique dans une section d'un des deux canaux latéraux. Elle met en évidence l'effet de dissymétrie que l'on interprète facilement par examen de la figure 2, et correspond au cas du four à canal conventionnel, muni de deux bobines inductrices. La figure 4 représente schématiquement la distribution des composantes horizontales du champ magnétique dans une section du canal central. Elle met en évidence l'effet de dissymétrie que l'on interprète facilement par examen de la figure 2, et correspond au cas du four à canal conventionnel, muni de deux bobines inductrices. La figure 5 représente schématiquement la distribution des composantes horizontales des forces électromagnétiques dans une section d'un des canaux latéraux. L'allure dissymétrique de cette topographie provient de la distribution du champ magnétique présentée sur la figure 3 Cette figure correspond au cas du four à canal conventionnel, muni de deux bobines inductrices. La figure 6 représente schématiquement la distribution des composantes horizontales des forces électromagnétiques dans une section du canal central. L'allure dissymétrique de cette topographie provient de la distribution du champ magnétique présenté sur la figure 4. Cette figure correspond au cas du four à canal conventionnel, muni de deux bobines inductrices. La figure 7 représente schématiquement une coupe horizontale d'un des dispositifs selon l'invention. A titre d'exemple, les deux bobines additionnelles (11) sont ici montées en série avec les deux bobines traditionnelles (12). L'affaiblissement des fuites magnétiques (13) est encore mis, schématiquement, en évidence sur cette figure, qui montre également la direction des courants Iî (14) et 12 (15) , à un instant donné, ainsi que l'orientation des champs magnétiques créés respectivement par Il (16) et I2 (17). La figure 8 représente schématiquement une coupe horizontale d'un des dispositifs selon l'invention, où les bobines inductrices additionnelles (18) et conventionnelles (19) sont respectivement excitées séparément et parcourues par des courants Il (20) et "i (21). L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple, non limitatif, qui suit. Une expérience a été réalisée sur un modèle physique de four à canal, contenant 420 kg de mercure. cette maquette comprenait un bassin parallélépipèdique principal surmontant trois canaux verticaux de 315 mm de hauteur et dont les diamètres étaient de 60 et 80 mm, respectivement pour les branches latérales et centrale. Ces trois canaux étaient connectés à un canal horizontal inférieur de 92 mm de diamètre et de 720 mm de longueur. Le noyau ferromagnétique de section rectangulaire (130 x 100 mm) était constitué par l'empilement de tôles à cristaux orientés. Ce noyau pouvait être magnétisé par deux bobines primaires traditionnelles, constituées chacune par 250 tours d'un fil de 4,55 mm de diamètre, enroulé sur les deux portions du circuit magnétique perpendiculaire au plan vertical de symétrie commun aux troix canaux verticaux. Ce noyau pouvait également être magnétisé par deux bobines additionnelles, constituées chacune par 91 tours d'un fil de 4.55 mm de diamètre, enroulé sur les deux portions restantes du circuit magnétique, parallèles au plan vertical de symétrie commun aux trois canaux verticaux. Les mesures de vitesses moyennes axiales dans les sections droites des canaux verticaux ont été réalisées à l'aide de trois débitmètres électromagnétiques, préalablement étalonnés et positionnés à mi-hauteur de ces branches. Les mesures de vitesses ont été réalisées lorsque les bobines conventionnelles, aux nombre de deux, étaient excitées exclusivement, d'une part, et lorsque les bobines conventionnelles et traditionnelles (quatre bobines) étaient simultanément excitées, d'autre part. La figure 9 présente le résultat d'expériences montrant l'évolution des vitesses moyennes dans un canal latéral (quadrant supérieur) et dans le canal central (quadrant inférieur), en fonction de la racine carrée de la puissance consommée par le four. Les essais ont été d'abord réalisés en présence des inducteurs traditionnels seuls et, ensuite, en la présence simultanée des inducteurs traditionnels et additionnels correspondant au dispositif selon l'invention; dans ce dernier cas, les bobines étaient montées en série et connectées de manière à produire des flux magnétiques en phase dans le noyau ferromagnétique. L'examen de la figure 9 montre, qu a puissance constante, les vitesses moyennes axiales et, donc, les débits axiaux dans les canaux verticaux, sont multipliés par un facteur compris entre 4 et 5, lorsque l'on utilise le dispositif selon l'invention ; c'est à dire lorsque l'excitation du noyau ferromagnétique est obtenue au moyen de quatre inducteurs (deux inducteurs traditionnels et deux inducteurs additionnels). Enfin, il a été aussi vérifié que le facteur de puissance (cos ) passe de 0,91 à 0,97, lorsque l'on passe du système d'inducteurs primaires traditionnels aux systèmes d'inducteurs primaires selon l'invention, c'est-à-dire avec inducteurs additionnels. Le dispositif selon l'invention trouve son application dans tous les cas où on veut augmenter les transferts de chaleur et de masse dans les branches des fours à canaux, ainsi que la longévité des revêtements réfractaires constituant les parois des canaux; il trouve aussi son application lorsqu'on désire améliorer le facteur de puissance (cos # de l'installation. REVENDICATIONS 1. Procédé destiné à accroître le débit des écoulements axiaux dans les canaux des fours à induction, de manière à améliorer les transferts de chaleur et de masse entre ces canaux et le bassin principal, caractérisé en ce que l'on utiIise les effets magnétiques d'inducteurs primaires additionnels. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les inducteurs additionnels, comportant chacun n', spires, sont bobinés autour des deux tronçons du noyau ferromagnétique qui sont perpendiculaires aux deux autres tronçons autour desquels sont bobinés les inducteurs classiques, comportant chacun nl spires. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les nombres de spires, n1 et n'1, peuvent être quelconques. 4. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les quatre inducteurs peuvent être connectés en série. 5. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les quatre inducteurs peuvent être excités séparément. 6. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les inducteurs traditionnels, d'une part, et les inducteurs additionnels, d'autre part, peuvent être excités séparément. 7. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les inducteurs additionnels et les inducteurs traditionnels peuvent être connectés de manière à produire dans le noyau ferromagnétique des flux magnétiques en phase. 8. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les inducteurs peuvent être connectés à diverses sources de courant électrique de manière à produire des flux magnétiques déphasés d'un angle f quelconque, les uns par rapport aux autres, dans le noyau ferromagnétique. 9. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque inducteur peut comporter des connections multiples permettant de faire varier le nombre des spires inductrices et, en conséquence, de moduler le débit des écoulements axiaux dans les canaux. 10. Procédé selon les revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il s'applique à la fusion et au maintien en fusion de tous les métaux et alliages dans les fours à induction, quel que soit le nombre de leurs canaux.