Brevet FR2811071A1 — publié le 20020104

FOUR A THERMOPLONGEURS ELECTRIQUES POUR LE CHAUFFAGE A COEUR DE METAL LIQUIDE NON FERREUX Domaine technique La présente invention a trait au domaine de la fonderie de pièces et réalisations de produits de première transformation et plus particulièrement au secteur technique de la fonderie de pièces à base de métal non ferreux (tel que l'aluminium, le magnésium, le zinc...) et alliages de tels matériaux selon lesquels les pièces élémentaires sont réalisées par prélèvement du métal maintenu sous10 forme liquide dans un four, la matière prélevée étant transférée dans des moules montés à poste fixe ou sur une chaîne de transfert. Elle a trait plus particulièrement à un nouveau type de four dans lequel le maintien en température du métal liquide est obtenu par l'intermédiaire de thermoplongeurs électriques plongés directement dans le métal liquide. Techniques antérieures Les fours à thermoplongeurs utilisés dans le domaine de la métallurgie, et plus particulièrement pour le moulage de pièces en aluminium ou tout autre métal ou alliage équivalent, ont été proposés depuis fort longtemps comme cela ressort notamment du brevet US-A-3 688 007. La structure et le principe de fonctionnement de tels fours, illustrés par la figure 1 annexée, se composent essentiellement d'une chambre désignée par la référence générale (1) montée sur un bâti fixe (2). Cette chambre (1) est subdivisée en trois compartiments (3,4,5) séparés entre eux par des parois (6,7) qui comportent des ouvertures à leur base (8,9) autorisant le passage du métal fondu d'un compartiment à l'autre.30 Le compartiment central (4) constitue la zone de chauffe proprement dite dans laquelle sont disposés des thermoplongeurs (10), les compartiments (3) et (5) constituant respectivement les zones de remplissage et de puisage du métal liquide en vue de son utilisation.35 Chacune des chambres (3,4,5) peut être recouverte par un couvercle (11,12,13). Le couvercle (11) permet de fermer la zone (3) après remplissage, alors que le couvercle (13) de la zone de puisage (5) n'est quant à lui, mis en place que lors des phases d'arrêt de travail. Le couvercle (12) supporte, quant à lui, les thermoplongeurs (10) qui sont plongés dans le bain de matière. Ces thermoplongeurs (10), dont le nombre est fonction de la capacité du four et de la quantité de métal à réchauffer, se composent, d'une manière générale, d'un tube borgne en céramique dans lequel est10 insérée une ou plusieurs résistance(s) électrique(s) de chauffe alimentée(s) par une zone de connexion (14) fixée à l'extrémité ouverte du tube ou d'un tube borgne dans lequel est inséré un brûleur à gaz. Le tube se divise en deux parties, à savoir une zone (5) de chauffe proprement dite, à l'intérieur de laquelle est disposée la résistance électrique ou la flamme du brûleur, et dont la longueur chauffante doit systématiquement être immergée pour fonctionner à pleine puissance, ce qui détermine donc le niveau minimum de bain représenté par le plan AA à la figure 1. La seconde zone n'est pas chauffante et accepte donc les variations du niveau de bain, ce qui détermine donc la quantité utile de puisage. L'un des principaux problèmes qui se posent avec de tels fours, est celui d'avoir, pour un volume déterminé de la cavité de stockage de la chambre (1), un pied de bain qui soit d'un volume le plus réduit possible, tout en permettant un maintien immergé de la zone chauffante (15) des thermoplongeurs (10). Pour résoudre ce problème, en général, cornmme cela ressort de la forme de réalisation illustrée par la figure 1, cela est obtenu en donnant à la base de la chambre à l'intérieur de laquelle se trouve le métal liquide, une forme évasée ou profilée, de telle sorte que le volume de métal en partie basse de l'enceinte soit le plus faible possible tout en maintenant immergée la zone chauffante (15) des thermoplongeurs et soit maximal dans la partie supérieure du four au niveau de la zone de puisage. 35 A titre indicatif, pour un four conventionnel ayant une capacité totale de 3 tonnes, la capacité utile de puisage est de l'ordre de 1,2 tonnes. En conséquence, si l'on admet une cadence de puisage de 20 cycles à l'heure pour un poids de matière à prélever de 60 kg, la durée de production n'est que de 1 heure, ce qui implique d'effectuer alors une opération de remplissage, perturbant la production. Par ailleurs, la forme interne complexe de la chambre de chauffe, pour avoir un volume de pied de bain le plus réduit possible, complique la réalisation de tels fours ainsi que leur maintenance, notamment les opérations de nettoyage. Un autre problème se pose également sur un tel type de four, qui est celui du prélèvement du métal liquide en vue de son utilisation. En effet, ce prélèvement est réalisé par des ensembles automatiques de type " louche ">, ce qui présente comme inconvénients d'entraîner une oxydation et pollution du métal, une perte de température four et poche ainsi qu'une perte de temps lors des transferts. Exposé de l'invention Or on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, un nouveau type de four à thermoplongeurs électriques, qui permet de résoudre les problèmes précités et qui, par rapport à un four conventionnel de même capacité, augmente notablement la capacité de prélèvement utile et donc espace les phases de chargement du four, tout en ayant un encombrement global réduit.25 Par ailleurs, le nouveau four conforme à l'invention facilite et simplifie l'opération de puisage et favorise une meilleure homogénéité de température par le fait, qu'en fonctionnement, il est totalement fermé, le prélèvement de matière étant réalisé par simple écoulement au travers d'une goulotte.30 D'une manière générale, le four à thermoplongeurs conforme à l'invention, est constitué d'une cuve montée sur un bâti support fixe, ladite cuve comprenant une chambre interne destinée à recevoir le métal fondu (aluminium par exemple) , en vue de le maintenir en température, ladite chambre comprenant une zone de35 remplissage séparée d'une zone de chauffe proprement dite par l'intermédiaire d'une paroi munie d'une zone pour le passage du métal fondu d'un compartiment à 4 l'autre, ainsi que des moyens permettant de réaliser le prélèvement de la matière en vue d'alimenter des moules destinés à la réalisation des pièces à fabriquer. Le four conforme à l'invention se caractérise en ce que: * la cuve de stockage et réchauffage est montée sur le bâti support de manière pivotante autour d'un axe horizontal, le basculement étant réalisé entre une position verticale des parois constituant la chambre et une position inclinée, chaque déplacement étant réalisé par intermittence et étant indexé suivant la quantité de métal qui s'écoule pour la réalisation d'une pièce déterminée;10 * le ou les thermoplongeur(s) sont disposés à proximité et en regard de la paroi latérale de la chambre qui s'incline vers le bas lors du mouvement de pivotement, les extrémités de chaque thermoplongeur étant positionnées a proximité de l'angle formé par cette paroi latérale et le fond. Selon une première forme de réalisation, le prélèvement du métal est obtenu par coulée au travers d'un canal prévu dans la paroi de la chambre positionnée en regard des thermoplongeurs, ce canal étant prolongé par une goulotte de déversement positionnée à l'extrémité supérieure de la paroi et débordant latéralement par rapport à cette dernière.20 Dans une variante, le prélèvement de métal est obtenu par l'intermédiaire d'un siphon comportant un tube d'écoulement comportant une branche verticale s'étendant parallèlement aux thermoplongeurs, et dont l'extrémité est positionnée a proximité de l'angle formé par la paroi latérale et le fond prolongée par un tube25 d'écoulement permettant de déverser le métal soit à l'intérieur d'un moule, soit dans une poche additionnelle. Grâce à une telle conception, il est possible de réaliser une cuve de chauffage dont la chambre est de forme parallélépipédique, cubique notamment, simplifiant notablement la conception du four et permettant d'avoir un volume de stockage maximal pour un encombrement minimal. De plus, en cours de fonctionnement, le four reste complètement fermé puisqu'un tel four ne comporte pas de zone de puisage proprement dite, ce qui entraîne, pour une capacité égale, une diminution de l'encombrement global du four par rapport à un four antérieur. Par ailleurs, par rapport aux fours antérieurs dans lesquels la cuve de réchauffement est fixe, la solution conforme à l'invention, dans laquelle on réalise donc un basculement séquentiel de la chambre après chaque prélèvement, permet d'obtenir une capacité utile de puisage nettement plus élevée, pouvant être pratiquement équivalente au double par rapport à un four fixe ayant la même capacité. Dans une forme préférentielle réalisée conformément à l'invention, le canal de déversement, ou la partie verticale du tube constituant le siphon, est positionné à proximité d'un angle entre deux parois, les thermoplongeurs étant quant à eux regroupés dans la zone comprise entre le bord de ce canal et l'autre angle de la paroi. Description sommaire des dessins L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à la description qui suit et qui illustrée par les schémas annexés dans lesquels: _ la figure 1 illustre, comme indiqué dans le préambule, la structure conventionnelle d'un four à thermoplongeurs; _ la figure 2 est une vue générale, en perspective, d'un four à thermoplongeurs réalisé conformément à l'invention et pouvant pivoter autour d'un axe de rotation horizontal sur le bâti sur lequel il est monté; _ les figures 3, 4 et 5 sont des vues de détail d'un four réalisé conformément à l'invention, à savoir: * figure 3: vue de dessus, partiellement en coupe d'un tel four, * figure 4: vue en élévation et en coupe selon l'axe XX de la figure 3 et, * figure 5: vue en coupe et de côté de la figure 2; _ les figures 6 et 7 illustrent, schématiquement, la position de départ d'un four conformément à l'invention (figure 6) et après prélèvement illustrant la capacité supplémentaire de prélèvement qu'offre la possibilité de faire basculer le four lors de son utilisation (figure 7); _ les figures 8 et 9 illustrent une variante vue en coupe en élévation et de dessus d'un four à thermoplongeurs conforme à l'invention dans lequel le 6 prélèvement de matière est obtenu par un siphon, le métal étant déversé dans un four ou poche additionnelle. Manière de réaliser l'invention Dans la suite de la description, l'invention sera décrite pour un exemple concret de four électrique à thermoplongeurs dont la capacité totale de chargement est voisine de lm3, autorisant donc un stockage d'aluminium ou d'alliage fondu de l'ordre de 2500 kilos, le maintien en température étant obtenu par l'intermédiaire de quatre thermoplongeurs conventionnels ayant chacun une puissance linéique10 importante, de 20 Kw/m dans le cas présent 10 Kw pour une longueur chauffante de 50 cm et un diamètre de 28 mm. Bien entendu, d'autres types de fours, pouvant avoir une capacité inférieure ou supérieure, pourraient être réalisés conformément à l'invention, les dimensions de la chambre du four et le nombre de thermoplongeurs étant adaptés en fonction de la production envisagée. En se reportant aux schémas annexés, et plus particulièrement aux figures 2 à 5, le four conforme à l'invention est donc constitué par une cuve, désignée par la référence générale (21). Une telle cuve est réalisée en acier avec un garnissage réfractaire, et comporte une chambre interne (C) destinée à recevoir le métal fondu en vue de le maintenir en température.25 Conformément à l'invention, cette chambre interne (C) est de forme parallélépipédique et, dans le cas présent, en forme de tube de 1 m de côté, tube qui est recouvert sur sa face supérieure. Cette chambre interne (C) est subdivisée en deux compartiments (22,23) séparés l'un de l'autre par l'intermédiaire d'une paroi (24) comportant à sa base une zone (25) pour le passage du métal fondu. La chambre (22) constitue la zone de remplissage et, la chambre (23), quant à elle, constitue la zone de chauffe proprement dite.35 Conformément à l'invention, la cuve (C) est montée sur un bâti support selon le principe tel qu'illustré à la figure 2, à savoir qu'elle peut pivoter autour d'un axe horizontal (H). Pour ce faire, elle comporte pour l'exemple décrit sur sa face latérale, deux portées, désignées par la même référence (26), montées en appui sur des paliers (27) fixes prévus sur le bâti. Le basculement de la cuve (21) en cours de production est réalisé entre une position verticale des parois de la chambre et une position inclinée, chaque déplacement étant réalisé par intermittence et étant indexé sur la quantité de métal prélevé à chaque opération. Un tel basculement est obtenu sous un effort de traction exercé par des brides (28) agissant en traction sur un arbre (29) monté sur un palier (30) solidaire de la face extérieure (31) de la cuve. Ces moyens permettent également d'assurer le basculement en sens inverse de la cuve pour la ramener en position horizontale lors d'un rechargement. Pour une forme de réalisation conforme à l'invention et dont la chambre interne de stockage se présente sous forme cubique dont les côtés ont une longueur de un mètre, le basculement de la chambre par rapport à l'horizontale est de 45 tout en permettant de conserver un pied de bain maintenant immergée sur toute sa longueur la zone de chauffe (15) de chaque thermoplongeur.25 Dans le mode de réalisation illustré, chaque compartiment (22,23) est recouvert, en fonctionnement, par deux couvercles (32,33). Le couvercle (32) est amovible et recouvre la zone de remplisssage. Le couvercle (33), qui peut également être démonté lors d'opérations de maintenance, supporte, quant à lui, les thermoplongeurs et leurs moyens de connexion (34). Ces thermoplongeurs sont disposés en regard et à proximité de la paroi (35) qui s'incline lors du mouvement de pivotement. Les extrémités (36) de chaque thermoplongeur sont positionnées à proximité de l'angle formé par cette paroi latérale (35) et le fond (37). A titre indicatif, l'extrémité (36) est espacée d'environ 5 cm du fond (37) et l'espacement par rapport à la paroi latérale (35) est d'environ 10 cm, les thermoplongeurs étant espacés l'un de l'autre d'une valeur d'environ 15 cm. Pour assurer le prélèvement de la matière, en vue d'alimenter des moules destinés à la réalisation de pièces, diverses possibilités sont enisageables. Dans une première forme de réalisation telle qu'illustrée aux figures 2 à 5, ce prélèvement est obtenu au travers d'un canal de prélèvement (39) formé dans la paroi latérale (31) positionnée en regard des thermoplongeurs (34), canal prolongé par une goulotte de déversement (40) positionnée à l'extrémité supérieure de ladite15 paroi (31) et qui déborde latéralement par rapport à cette dernière. Selon une autre forme de réalisation illustrée par les figures 8 et 9, le prélèvement est obtenu par l'intermédiaire d'un siphon comportant essentiellement un conduit de déversement (41) comportant une partie verticale, parallèle aux20 thermoplongeurs, et disposée également a proximité de la paroi latérale (35) et dont l'extrémité est positionnée a proximité de l'angle formé par la paroi latérale (35) et son fond (30) prolongé par un tube d'écoulement permettant de déverser le métal soit à l'intérieur d'un moule soit, selon une forme de réalisation, à l'intérieur d'un four ou d'une poche additionnelle (43) dans laquelle on peut maintenir un niveau25 constant au fur et à mesure des puisages. Les figures 4 et 5 illustrent de manière schématique la mise en oeuvre d'un tel four. Après avoir rempli la cavité (22) et (23) de stockage à son niveau maximum, le couvercle (32) est remis en place. Pour réaliser l'opération de coulée, on réalise un basculement séquentiel de la cuve autour de son axe horizontal de pivotement (H). La valeur de ce basculement est programmée pour déverser une quantité de matière fondue prédéterminée, fonction du volume des pièces. Au fur et à mesure des prélèvements, la cuve s'incline pour arriver dans la position telle que représentée à la figure 6, déterminant le niveau minimum du pied de bain pour que la partie chauffante de chaque thermoplongeur reste immergée dans le métal. Le four est alors ramené en position horizontale pour un nouveau chargement. Par rapport à un four comparable qui aurait été maintenu fixe lors des prélèvements, cette solution offre non seulement un encombrement global de l'ensemble inférieur puisqu'il n'y a pas de zone de puisage, mais surtout augmente15 la capacité utile de prélèvement. En effet, avec un four fixe, le prélèvement n'aurait pu être réalisé, comme cela ressort de la figure 6, que jusqu'au niveau référencé (NN) sur cette figure. En conséquence, le gain de capacité utile correspond donc à la quantité de matière comprise entre ce niveau NN et le niveau minimum correspondant au volume de matière stockée lorsque le four est dans la position représentée à la figure 7. Un tel four permet donc d'espacer les opérations de rechargement et autorise également un maintien en température constant, puisqu'il n'y a aucune déperdition de chaleur du fait que le four reste complètement fermé et régulé en température pendant toute l'opération. Parmi les avantages que présente un tel four, on peut citer: - le fait que lors d'un arrêt de production, le métal peut être maintenu à température constante; - qu'il n'est pas nécessaire de vider la poche entre deux coulées espacées; - qu'il est d'une conception souple, et offre une très bonne qualité de métal par le fait que sa structure permet de réduire les phases de transfert. REVENDICATIONS 1/ Four à thermoplongeurs électriques pour le chauffage à coeur de métal liquide non ferreux, constitué par une cuve (21) montée sur un bâti support fixe, ladite cuve comprenant une chambre interne (C) destinée à recevoir le métal fondu en vue de le maintenir en température, cette chambre (C) comprenant une zone de remplissage (22) séparée d'une zone de chauffe (23) proprement dite par l'intermédiaire d'une paroi (24) munie d'une zone (25) pour le passage du métal fondu d'un compartiment à l'autre, ainsi que des moyens permettant de réaliser le prélèvement de la matière en vue d'alimenter des moules destinés à la réalisation des pièces à fabriquer, caractérisé en ce que: * la cuve (21) de stockage et réchauffage est montée sur un bâti support de manière pivotante autour d'un axe horizontal (HH), le basculement étant réalisé entre une position verticale des parois constituant la chambre et une position inclinée, chaque déplacement étant réalisé par intermittence et étant indexé suivant15 la quantité de métal qui s'écoule pour la réalisation d'une pièce déterminée; * le ou les thermoplongeur(s) que comporte la chambre de chauffe étant disposés à proximité et en regard de la paroi latérale (31,35) de la chambre qui s'incline vers le bas lors du mouvement de pivotement, les extrémités de chaque thermoplongeur étant positionnées à proximité de l'angle formé par cette paroi20 latérale (35) et le fond (37). 2/ Four à thermoplongeurs électriques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prélèvement du métal est obtenu par coulée au travers d'un canal (39) prévu dans la paroi (31) de la chambre (23) est positionné en regard des25 thermoplongeurs, ce canal étant prolongé par une goulotte (40) de déversement positionnée à l'extrémité supérieure de la paroi et débordant latéralement par rapport à cette dernière. 3/ Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prélèvement de métal est obtenu par l'intermédiaire d'un siphon comportant un tube d'écoulement (41) comportant une branche verticale s'étendant parallèlement aux thermoplongeurs, et dont l'extrémité est positionnée a proximité de l'angle formé par la paroi latérale (35) et le fond (37) prolongé par un tube d'écoulement permettant de déverser le métal soit à l'intérieur d'un moule, soit dans un four ou35 une poche additionnelle (43). 4/ Four selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la chambre de chauffage et de stockage est de forme parallélépipédique, cubique notamment. / Four selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le canal (39) et la goulotte (40) de déversement ou le siphon (41) sont disposés à proximité d'un angle entre deux parois, les thermoplongeurs, étant quant à eux regroupés dans la zone comprise entre le bord du canal (39) ou de la partie verticale du siphon (41) et l'autre angle de la paroi.