Brevet FR2692971A1 — publié le 19931231

L'invention a pour objet un procédé et un four pour le maintien à l'état liquide d'une charge de métaux, et en particulier d'une charge de métaux légers tels que de l'aluminium. I1 existe bien entendu déjà dans la technique de tels fours. Quel que soit leur schéma de construction, les plus performants d'entre eux font appel, pour le maintien dans cet état liquide des charges métalliques introduites, à des moyens de chauffage la plupart du temps électriques. Dans la plupart des cas, des résistances sont ainsi disposées dans un volume libre au-dessus des bains à chauffer. I1 s'avère toutefois en pratique que de tels "fours électriques" sont coûteux à l'entretien et à l'utilisation, grevant en conséquence les coûts de fabrication des pièces utilisant les charges métalliques fondues. En outre, il s'avère que dans certains cas, de telles résistances de chauffage ne présentent pas la fiabilité et l'efficacité adaptées à leur fonction, ceci notamment en terme de rendement. L'invention a pour objet un procédé et un dispositif améliorant nettement les conditions de maintien à l'état liquide des charges. Plus précisément, le four construit selon l'invention, qui est donc du type comprenant un bassin de réception de la charge métallique, et des moyens électriques de chauffage de cette charge pour la placer et/ou la maintenir sensiblement dans son état liquide, se caractérise en ce qu'il comprend en outre un autre moyen de chauffage de ladite charge, comprenant au moins un brûleur, tel qu'un brûleur alimenté en air comburant et en gaz combustible. Ainsi, le four ne sera plus nécessairement chauffé à partir d'une source d'approvisionnement unique, le brûleur pouvant prendre le relais des résistances électriques. En outre, en recourant à une telle solution biénergie, on va pouvoir obtenir une puissance de chauffe installée supérieure, à capacité égale de fours, et ce avec une diminution du coût d'exploitation prévisible. Les essais menés ont également montré un accroissement de souplesse dans le maintien et la régulation du bain liquide. I1 a également été constaté des réductions dans les pertes au feu et les points durs. Grâce à l'invention, on pourra également obtenir une diminution des problèmes d'oxydation, en particulier en surface de la charge métallique. Pour cela, on prévoira de préférence, conformément à une caractéristique de l'invention, de placer le brûleur à l'écart du bain liquide et de le fixer à une voûte du four surplombant ledit bain en réservant au-dessus de celui-ci un volume gazeux, le brûleur étant alors disposé de manière à émettre ses produits de combustion dans ledit volume gazeux pour que ces produits créent en surface du bain une atmosphère non oxydante, et de préférence sensiblement neutre chimiquement. Ainsi, on tirera partie à la fois de la souplesse et de l'efficacité du brûleur en terme de chauffage et de la nature favorable à la réduction de l'oxydation des produits de combustion gazeux émis. Selon l'invention, le(s) brûleur(s) et les moyens électriques de chauffage seront en outre, en pratique et de préférence, disposés dans une zone à l'écart du bain de métaux liquides, un muret divisant la zone où sont situés les moyens en question en deux chambres communiquant entre elles et avec la surface du bain, de manière que le tout soit baigné par les produits de combustion du (des) brûleur(s), lesquels produits pourront être évacués par une cheminée débouchant d'un côté à l'extérieur du four et, de l'autre, uniquement dans la chambre où sont disposés lesdits moyens électriques de chauffage. Si l'on s'intéresse maintenant plus particulièrement au procédé proposé dans l'invention, on notera que celui-ci se caractérise notamment en ce que, pour placer et/ou maintenir dans le bassin du four la charge métallique sensiblement dans son état liquide, on chauffera cette charge par l'intermédiaire non seulement des moyens de chauffage électriques équipant le four, mais également du (ou des) brûleur(s) qui équipe(nt) donc également ce four, et on régulera la température de la charge autour d'une température de consigne, par l'intermédiaire, au moins en partie, dudit (desdits) brûleur(s), sans recourir alors nécessairement auxdits moyens électriques. De préférence, selon une caractéristique complémentaire du procédé de l'invention, pour effectuer le maintien en son état liquide de la charge métallique - on chauffera tout d'abord cette charge par l'intermédiaire du brûleur jusqu'à une température d'approche inférieure à ladite température de consigne prédéterminée mais supérieure à la température (ou point) de fusion de la charge, - puis, parvenu à cette température d'approche, on régulera la température de la charge liquide autour de la température de consigne, par l'intermédiaire dudit brûleur et/ou desdits moyens de chauffage électriques. A ce stade, si l'on recourt à l'utilisation d'un brûleur à pilote d'allumage, on pourra même prévoir de n'utiliser que le brûleur pilote pour une régulation fine, de quelques degrés de préférence. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront encore de la description plus détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels La figure 1 est une vue schématique intérieure de face d'un four conforme à l'invention, et la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne de coupe II-II de la figure 1. En se reportant aux dessins, le four 1 comprend essentiellement un bloc de base 1 et un bloc supérieur 10 thermiquement isolés et intérieurement creux, de manière à déterminer l'enceinte générale du four pour le maintien à l'état liquide ou sensiblement liquide des métaux qui y sont placés, tels en particulier que des alliages de métaux légers. De préférence, les blocs inférieur 1 et supérieur 10 seront séparables notamment pour faciliter les interventions dans le four, le bloc supérieur pouvant être pour cela monté glissant le long des quatre montants verticaux de guidage dont deux 3, 3' sont représentés sur la figure 2, des anneaux 4, 4' de levage autorisant sa manutention pour entretien jusqu'en position haute répérée en traits mixtes sur cette même figure 2. En pratique, le four sera avantageusement constitué d'éléments de maçonnerie avec un cuvelage ou un chemisage extérieur métallique tel qu'en fer profilé et tôles d'aciers doux, le tout fortement armaturé. Pour pouvoir recevoir la charge métallique, le bloc inférieur 1 présente la forme d'une cuvette ou d'un bassin 5 allongé à fond 6 sensiblement cylindrique propre à recevoir la charge métallique jusqu'à un niveau de bain figuré en 7. En 8, un conduit de vidange en l'espèce en forme de venturi ménagé à travers une paroi latérale du bloc 1, vers le fond du bassin, permet une vidange complète de celui-ci. Tel qu'illustré, le bassin de maintien 5 présente une zone centrale 5a très bien isolée thermiquement et limitée latéralement par deux murets 9a, 9b "tombant" d'une partie formant toit 11 de fermeture du bassin, pour plonger dans le bain afin de jouer le rôle de siphon, chaque muret se terminant en partie inférieure, avant le fond du bassin, par une voûte. Tandis que le premier muret 9a (à gauche sur la figure 1) délimite d'un côté la zone de remplissage 5b du bassin 5 le second muret 9b situé à l'opposé de la zone centrale 5a, délimite l'accès à la zone de soutirage 5c. Ainsi, les zones 5b et 5c forment respectivement auget de chargement et auget de puisage, le niveau de remplissage de chacune de ces zones qui communiquent donc entre elles s'équilibrant sensiblement, les deux murets latéraux 9a, 9b, renforçant l'isolation thermique de la zone centrale 5a en forçant les deux augets à être alimentés par le bas depuis le bassin central. Comme on le voit toujours sur la figure 1, c'est uniquement la partie centrale 5a du bassin qui est surmontée par le bloc central supérieur 10 à l'intérieur duquel sont disposés les moyens de chauffage du bain, comme on va le voir ci-après. Intérieurement, ce bloc 10 renferme une chambre 13 totalement ouverte en partie inférieure sur le bassin et limitée en partie supérieure par une voûte 15 en matériau réfractaire destinée à chauffer par radiation le bain. Pour compléter l'isolation thermique du four, les augets de chargement et de puisage 5b, 5c sont fermés en partie supérieure par des volets mobiles ou couvercles, respectivement 17, 19. Du côté de l'auget de remplissage, le four présentera de préférence une partie surélevée avec des murs bétonnés tels que 20 et 22, de telle sorte que le couvercle 17 soit monté incliné afin de protéger l'opérateur des projections éventuelles de métal lors du remplissage du four. Pour une bonne compréhension, les couvercles 17 et 19 ont été représentés sur la figure 1 en trait plein en position fermée et en traits mixtes en position ouverte. Sur cette même figure, on remarquera également que, depuis le couvercle de soutirage 19, plongent dans l'auget de soutirage, un thermomètre 21 de prise de température du bain en sortie du four, ainsi que deux électrodes 23, 25 de niveau haut et bas du bain, ces électrodes et le thermomètre étant reliés à des moyens électriques d'alimentation et à des moyens de traitement et d'affichage, ces derniers étant lisibles par l'opérateur (moyens non représentés). A travers la voûte, a également été monté un thermomètre 27 pour la régulation en température des éléments chauffants repérés dans leur ensemble 29 et que l'on va maintenant présenter après avoir précisé que la régulation en température du bain de métal et de l'enceinte du four en général s'effectuera en l'espèce par l'intermédiaire de ces différents thermomètres du type cannes pyrométriques, leurs mesures étant transmises à des régulateurs par l'intermédiaire de convertisseurs qui commandent des contacteurs de puissance (organes non représentés sur les figures et de structure et d'agencement classiques). En ce qui concerne les éléments chauffants précités 29, on notera tout d'abord que le four comprend, de manière en soi classique, des résistances électriques 31 montées à travers la chambre intérieure 13 (voir figure 2). En l'espèce, les résistances sont au nombre de trois disposées côte à côte suivant trois axes horizontaux sensiblement parallèles entre eux. Bien entendu, le nombre, l'orientation et la disposition relative de ces résistances pourraient être différents. Les résistances en question (en soi connues) pourront se présenter chacune comme un tube céramique portant un enroulement en fer plat, avec une puissance nominale de 12 KW à partir d'une alimentation électrique en triphasé. Une partie de l'invention réside notamment dans le fait que les résistances 31 ne sont pas réparties dans l'ensemble du volume de la chambre 13, mais sont regroupées sur une portion de ce volume, à gauche sur la figure 1, et plutôt à proximité de la voûte 15, cette portion de volume contenant les résistances étant limitée latéralement, à droite sur la figure 1, par un muret de séparation 33 pouvant être réalisé en silico-alumine avec briques réfractaires. Ce muret de séparation 33 qui descend de la voûte 15 jusque vers le bas de la chambre 13 divise ainsi celle-ci en deux sous-chambres 13a (renfermant les résistances) et 13b. Et dans la partie de voûte surplombant la zone 13b est monté un brûleur 35 qui, avec les résistances 31, complète les moyens de chauffage dont le four est équipé. On notera que le brûleur sera de préférence disposé du côté 13b de la chambre 13 le plus proche de l'auget de puisage 5c. En l'espèce, ce brûleur est disposé verticalement à travers un orifice 37 ménagé dans la partie formant toit du bloc supérieur 10 du four, de manière que les produits de combustion générés par ce brûleur se répandent dans l'ensemble du volume 13, sous la voûte, et également dans le volume gazeux, au-dessus du niveau 7 du bain situé dans la partie centrale 5a du bassin. De cette manière, on va pouvoir limiter l'oxydation du bain métallique, les fumées du brûleur protégeant sa surface de par leur nature chimique de préférence sensiblement neutre ou du moins pratiquement non oxydante, les essais effectués montrant, lorsque le brûleur fonctionne, qu'au dessus du bain règne une atmosphère avec une proportion de l'ordre de 70 à 75 % d'azote avec moins de 5 % d'oxygène, moins de 10 % de dioxyde de carbone. Pour que la circulation de ces "fumées" soit la plus profitable, tant en terme de rendement thermique que d'efficacité "chimique", on remarquera que la cheminée d'évacuation 39 de ces mêmes fumées a été ménagée à travers la voûte 15 et le toit du bloc 10, à l'opposé du brûleur 35, c'est-à-dire donc au fond de la chambre 13a, côté auget de remplissage. Ainsi, les fumées devront-elles traverser la chambre 13b, lécher la surface du bain en zone centrale 5a, puis baigner les résistances 31 (avec également effet protecteur de celles-ci) avant d'être évacuées à l'extérieur, un registre 41 éventuellement asservi de manière classique, régulant leur évacuation. Le brûleur 35 pourra notamment être un brûleur "NORTH AMERICAN type 4832-4". Un tel brûleur développe une flamme "plate" ou "murale" qui permet un chauffage en particulier par rayonnement, la puissance de ce brûleur à son débit nominal pouvant être d'environ 150 à 200 Kilowatts (pouvoir calorifique supérieur), avec une alimentation en air comburant et en gaz combustible. Avantageusement, le brûleur comprendra un brûleur principal 35a monté verticalement et un brûleur pilote latéral 35b d'allumage du brûleur principal, à axe transversal et pouvant être monté à 45" du brûleur principal, comme illustré. Si l'on s'intéresse maintenant au fonctionnement du four qui vient d'être présenté, on notera que, s'agissant en l'espèce d'un four de maintien en fusion (état liquide) d'une charge métallique,en particulier de métaux légers, l'auget de remplissage 5b est prévu pour être alimenté en composé métallique déjà à l'état liquide, ou (très) proche de cet état, des poches de transfert relativement isothermes pouvant être utilisées à cet effet. Au moment du chargement le métal pourrait toutefois être encore assez pâteux. A la limite, on pourra même (comme cela est déjà souvent le cas) adjoindre, en cours de fonctionnement du four, de faibles quantités de rebus de pièces solides. Cela étant, par exemple si le four est destiné au maintien liquide d'un composé à base d'aluminium tel que AS9U3 dont la température (ou point) de fusion est de 560 C, les produits seront de préférence et dans leur ensemble chargés à environ 650 à 660"C. Par effet de siphon du muret 9a, le métal ainsi chargé transitera plus ou moins rapidement vers le bassin central 5a, seule partie directement chauffée du four, le métal liquide à température convenable, chauffé donc dans cette partie, alimentant ensuite naturellement, via le siphon opposé, l'auget de puisage Sc Comme on l'a compris, la charge contenue dans le bassin central 5a sera donc maintenue (ou portée) à son état liquide par l'intermédiaire des moyens de chauffage 29, avec un degré de viscosité adapté à l'utilisation projetée du métal. Dans l'exemple retenu, la régulation en température de ce métal sera effectuée par l'intermédiaire des cannes pyrométriques précitées 21, 27, une troisième canne pouvant être placée en voûte du brûleur pour couper l'alimentation en air/gaz de celui-ci lorsque la température du revêtement réfractaire de la voûte atteindra une température trop élevée (pouvant être de l'ordre de 1 000 C, la valeur de consigne de la canne 27 située du côté des résistances pouvant être de l'ordre de 900 à 950 C). Si, comme dans l'exemple précité, la charge est apportée dans le four à environ 650"C, on pourra tout d'abord élever la température du bain au moyen du brûleur 35, sans recourir d'emblée aux résistances 31 dont l'inertie de chauffage est plus grande. On pourra notamment régler les valeurs de consigne de telle sorte que le brûleur principal 35a et son brûleur pilote 35b fonctionnent tant que la température n'aura pas atteint 670 C à quelques degrés près. Une fois cette température d'approche atteinte (et par exemple à 673 C), le brûleur principal pourra s'arrêter, seul le brûleur pilote 35b fonctionnant alors avec les résistances 31, et ce jusqu'à ce que la température "idéale" programmée du bain soit atteinte, cette température pouvant être d'environ 675" C. Une fois parvenu à cette température, le chauffage s'interrompra par coupure de l'alimentation électrique des résistances et de l'alimentation en air et gaz combustible du brûleur principal pour se réenclencher lorsque la température redescendra : A 673" C les résistances chaufferont à nouveau et à 670" C le brûleur principal se réallumera, le brûleur pilote fonctionnant quant à lui de préférence en permanence. Bien que ce type de fonctionnement soit apparu comme le plus adapté lors des essais menés, il ne s'agit là bien entendu que d'une possibilité de fonctionnement du four parmi d'autres. Ainsi, plutôt qu'un tel chauffage avec régulation "mixte" par les résistances et le brûleur, on pourrait n'utiliser que le brûleur, par exemple de la manière suivante jusqu'à 673" C ; Brûleur pilote et brûleur principal grande allure (puissance élevée) ; de 673 à 675 C ; Brûleur pilote avec brûleur principal (petite puissance) ; autour de 675 C Brûleur pilote seul. Egalement, si le four fonctionnait pendant un certain temps en "maintien pur", sans prélèvement de métal, on pourrait n'utiliser que les résistances pour maintenir en température la charge. REVENDICATIONS 1 - Four pour le maintien à l'état liquide d'une charge métallique, comprenant - un bassin (5 ; 5a, 5b, 5c) de stockage de ladite charge métallique, - et des moyens électriques (31) de chauffage de cette charge pour la placer et/ou la maintenir dans un état liquide, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un autre moyen de chauffage (35) de ladite charge, comprenant au moins un brûleur (35a, 35b). 2 - Four selon la revendication 1 caractérisé en ce que le brûleur (35) est placé à l'écart du bassin en étant fixé à l'endroit d'une voûte (15) du four qui surplombe ledit bassin (5a), en réservant au-dessus de celui-ci un volume gazeux, ledit brûleur étant disposé de manière à émettre ses produits de combustion dans ce volume gazeux pour que lesdits produits créent en surface de la charge métallique une atmosphère non oxydante, de préférence sensiblement neutre chimiquement. 3 - Four selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le brûleur est monté à travers un bloc (1) qui surplombe le bassin (5, 5a), ce brûleur comprenant un brûleur principal (35a) dirigé suivant un axe sensiblement vertical et un brûleur pilote (35b) dirigé suivant un axe transversal au précédent, et de préférence orienté sensiblement à 45" du précédent. 4 - Four selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le brûleur (35) et les moyens électriques (31) de chauffage sont disposés dans une zone à l'écart du bain de métaux liquides contenu dans ledit bassin (5), un muret (33) divisant la zone où sont situés ces moyens de chauffage en deux chambres (13a, 13b) communiquant entreelles et avec la surface du bain, de manière que le tout soit baigné par les produits de combustion du brûleur, lesquels produits sont évacués par une cheminée (39) débouchant d'un côté à l'extérieur du four et, de l'autre, dans la chambre (13a) où sont disposés lesdits moyens électriques (31) de chauffage. 5 - Four selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le bassin (5) comprend une partie centrale séparée de deux parties latérales formant respectivement augets de remplissage (5b) et de puisage (5c) par un muret (9a, 9b) tombant d'une partie formant toit (11) du bassin et plongeant dans le bain de métaux liquides en s'interrompant avant le fond (6) dudit bassin pour constituer chacun un siphon entre lesdits augets latéraux de remplissage et de puisage (5b, 5c) et ladite zone centrale du bassin, le volume limité par cette voûte (15), le toit (11) du bassin, les deux murets (9a, 9b) de séparation et le niveau (7) du bain métallique liquide étant propre à être baigné par les produits de combustion du brûleur (35). 6 - Four selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que les moyens électriques (31) de chauffage traversent, à proximité de la voûte (15) du four, le volume situé au-dessus du bassin (5a). 7 - Four selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que les moyens électriques (31) de chauffage comprennent des résistances regroupées, au-dessus de la partie centrale (5a) du bassin, du côté plus proche de l'auget de remplissage (5b) que de l'auget de puisage (5c). 8 - Procédé pour maintenir une charge de métaux à l'état liquide dans un bassin (5) de four de maintien, dans lequel procédé a) on approvisionne le bassin avec ladite charge métallique qui est dans un état sensiblement liquide au moins en partie, b) et on amène, ou on maintient, dans le bassin ladite charge dans son dit état liquide en la chauffant par l'intermédiaire de moyens de chauffage (29) équipant le four, ces moyens de chauffage comprenant des moyens électriques (31), caractérisé en ce que, lors de l'étape b), on utilise en outre un brûleur (35) équipant ledit four et on régule la température de la charge autour d'une température de consigne par l'intermédiaire, au moins en partie, dudit brûleur. 9 - Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que lors de l'étape b) de cette revendication 8, a) on chauffe tout d'abord par l'intermédiaire dudit brûleur (35) la charge métallique jusqu'à une température d'approche légèrement inférieure à ladite température de consigne prédéterminée, mais supérieure à la température de fusion de la charge métallique, b) puis parvenue à cette température d'approche, on régule la température de la charge liquide autour de ladite température de consigne par l'intermédiaire du brûleur (35) et/ou des moyens électriques de chauffage (31). 10 - Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que le brûleur (35) comprenant un brûleur principal (35a) et un brûleur pilote (35b) d'allumage de ce brûleur principal, et les moyens électriques de chauffage comprenant des résistances (31), on régule, lors de l'étape b) la température de la charge liquide par l'intermédiaire uniquement dudit brûleur pilote (35b) et/ou des résistances (31).