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" Procédé de Chauffage par induction et fours pour la réalisation de ce procédé "
La présente invention a Pour objet un procédé de chauffage par induction, permettant de maintenir automatique- ment constante, la température d'objets à chauffer ou du moufle d'un four contenant des objets à chauffer.
Ce procédé consiste essentiellement à disposer les objets ou le moufle métallique à chauffer dans un champ magné- tique inducteur alternatif qui engendre dans ces objets ou dans ce moufle des courants induits capables d'en élever la température.
Ces courants induits sont d'autant Plus intenses que le métal de l'objet ou du moufle est /Plus perméable
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magnétiquement. De plus une importante quantité de chaleur est développée, dans l'objet ou dans le moufle par les cycles d'hystérésis, surtout si la substance de l'objet ou du moufle possède un coefficient d'hystérésis élevé.
L'utilisation, dans des fours à induction, par exemple, d'un moufle en métal magnétique est particulièrement intéressante; les moufles de cette nature ont l'avantage, sur les moufles en métal non magnétique, toutes choses égales d'ailleurs, d'absorber une bien plus grande quantité d'énergie calorifique, grâce premièrement à leur induction élevée et deuxièmement à leur hystérésis.
On n'avait pas, jusqu'ici, utilisé ces propriétés de bon rendement des moufles en métal magnétique et de mauvais rendement des moufles en métal non magnétique, pour obtenir, comme résultat industriel, une auto-régulation de la tempéra- ture du four.
On a eu l'idée à cet effet, et conformément à la présente invention, de constituer le moufle d'un four à l'aide d'un métal ou alliage magnétique dont la température correspondant à la disparition du magnétisme fort coincide avec la température constante à laquelle on désire maintenir ce moufle, et de régler les caractéristiques du four et celles du courant inducteur, de telle sorte que les quantités de chaleur dégagées dans le moufle, qui sont supérieures aux pertes par refroidissement tant que la température est inférieure à celle de disparition du magnétisme fort de la substance du moufle, soient inférieures à ces pertes dès que cette dernière température est atteinte.
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Il se produit alors le Phénomène suivant :
Sous l'influence du champ inducteur, la température du moufle croit rapidement sous l'action des courants induits développés dans ce dernier et des cycles d'hystérésis, et ceci d'autant plus que la substance du moufle a une perméa- bilité et un coefficient d'hystérésis plus élevés.
Lorsque la température de disparition du magnétisme fort de la substance du moufle est atteinte, le moufle perd progressivement ses propriétés magnétiques ; la perméabilité et l'hystérésis de sa substance décroissant, il en résulte que la quantité de chaleur dégagée dans le moufle diminue.
Il arrive un moment où cette quantité de chaleur est égale aux pertes calorifiques du moufle, et, à partir de ce moment, la température se maintient constante et la transformation du moufle s'arrête.
Si, pour une cause quelconque, les pertes calorifi- ques du moufle viennent à augmenter, sa température tend à décroître. De ce fait une partie du magnétisme du moufle réapparaît, la puissance calorifique qu'il reçoit augmente et l'équilibre entre la chaleur perdue et la chaleur reçue par le moufle se rétablit automatiquement. L'inverse se pro- duit si les pertes calorifiques du moufle diminuent.
Le moufle se maintient donc à la température de dis- parition du magnétisme fort de sa substance, comme l'expérience le prouve.
Comme substances magnétiques, on pourra, suivant la température prédéterminée que l'on veut maintenir constante dans le moufle, employer le fer, le cobalt ou,leurs alliages, le nickel et ses alliages, ou toutes autres substances magné- tiques connues.
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Bien entendu on pourra, à Partir de la valeur ini- tiale constante de la température obtenue dans le moufle comme indiqué précédemment, faire croître ou décroître la température selon une loi déterminée, en faisant varier la fréquence ou l'intensité du courant inducteur, d'une façon appropriée, en dehors des limites de puissance correspondant à l'autorégu- lation ; la température constante, obtenue initialement, étant un repère invariable servant à l'étalonnage des températures, à chaque opération.
Une difficulté se présente alors si l'on veut faire décroître la température du moufle. Le retour du métal à l'état magnétique rendrait le réglage du courant inducteur extrême- ment difficile. Pour éviter cet inconvénient on utilisera, dans ce cas, des métaux dont le retour au magnétisme fort au refroidissement ne se produit qu'à une température inférieure à celle de la perte de ce magnétisme à l'échauffement. On pourra de la sorte exécuter la descente de température, sans difficulté, jusqu'à la température de retour du magnétisme fort.
L'oxydation superficielle de la substance du moufle pourra éventuellement et sans inconvénient être combattue en recouvrant la surface de ce dernier par un dépôt de métal inoxydable aux températures d'utilisation (cobalt, chrome, nickel, etc...) ou par tout autre dépôt ou enduit approprié.
On pourra, éventuellement utiliser des pièces po- laires en tôles feuilletées pour fermer le circuit magnétique où est placé le moufle, et pour renforcer ainsi le champ.
Un four à induction, établi conformément à l'inven- tion, conviendra en particulier aux divers traitement thenni- ' ques des métaux ou alliage (trempes, recuits, revenus etc...)
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à leur fusion ; auchauffage des substances chimiques (réactions à température constante, distillations simples ou fractionnées, fusions, ébullitions, évaporations, volatilisations, etc...)
Tout ce qui vient d'être dit ci-dessus en ce qui concerne le chauffage à température constante du moufle d'un four, Pourrait, bien entendu, être utilisé également pour chauffer à température constante un objet métallique que l'on placerait directement par exemple, dans le champ inducteur alternatif.
Il faudrait alors, comme on l'dit précédemment pour le moufle, que cet objet soit établi en un métal magné- tique dont la température de disparition du magnétisme fort soit égale à la température constante à laquelle on désire chauffer et maintenir l'objet; et il faudra en outre régler convenablement les caractéristiques du courant inducteur et de l'objet lui-même.
Au dessin ci-joint sont représentées, schématique- ment, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes de réa- lisation d'un four à induction établi conformément à l'inven- tion.
Dans ce dessin
Fig. 1 est une vue en coupe axiale du four;
Fig. 2 est une vue en plan, couvercle enlevé ;
Fig. 3 est une vue en coupe axiale d'une variante;
Fig. 4 à 8 sont des courbes de fonctionnement d'un four de caractéristiques données.
En fig. 1 et 2,1 est un moufle, de forme cylindri- que par exemple, en substance magnétique (métal ou alliage ferro-magnétique par exemple) à coefficient d'hystérésis élevé de préférence.
Ce moufle 1 est placé à l'intérieur d'un solénoïde 2,
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avec interposition d'un remplissage réfractaire calorifuge 3, d'épaisseur aussi réduite que possible afin d'obtenir un bon facteur de puissance. Le tout est fermé par un couvercle ré- fractaire 4.
Le solénoïde 2, formé par exemple de spires en un métal de haute conductibilité à section rectangulaire est parcouru par un courant électrique alternatif provenant d'une source de courant 5. Une mince couche isolante 6 (mica ou autre; est interposée entre les spires successives du solénoïde, et une circulation de liquide froid à l'intérieur d'un canal 7 percé dans ces spires assure la réfrigération du bobinage du solénoïde.
Les Pièces ou. substances à chauffer A sont disposées à l'intérieur du moufle 1.
A titre d'exemple non limitatif, on considère un four comportant un moufle en acier au tungstène de 200 m/m de hauteur, de 70 m/m de diamètre intérieur et de 100 m/m de diamètre extérieur, et dont la température de disparition complète du magnétisme fort est par exemple de 765 C. environ.
L'isolement thermique de ce four est tel qu'à une température du moufle de 7650 C. environ, les pertes de chaleur par refroidissement correspondent à une puissance en watts de 550 watts.
Le champ magnétique inducteur alternatif dans lequel ce moufle est placé est produit par un enroulement inducteur de 250 m/m de hauteur et de 150 m/m de diamètre, formé de spires de 10 m/m d'épaisseur et de 35 m/m de largeur.
On envoie dans cet enroulement inducteur un courant alternatif d'une fréquence Industrielle, 50 périodes Par exemple à un voltage constant de 12,8 volts
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Comme on le voit aux :
Fig. 4, dans laquelle les températures sont portées en abscisses et les intensités du courant inducteur en or- données.
Fig. 5, dans laquelle les températures sont portées en abscisses et les puissances dépensées en watts dans le moufle en ordonnées, et
Fig. 6, dans laquelle les températures sont portées en ordonnées et le temps de chauffe en minutes en abscisses, l'intensité de courante de 340 ampères au début, restera cons- tante jusqu'à ce que le moufle atteigne une température de 735 C. environ, qui correspond au commencement de la trans- formation magnétique de sa substance. La puissance en watts dépensée dans le moufle varie en même temps de 1.200 watts à 960 watts environ.
A partir de cette température, l'intensité monte rapidement et la puissance wattée dépensée dans le moufle diminue en même temps rapidement jusqu' à ce que la température du moufle se stabilise vers 760 , ce qui correspond à une puissance prise par le moufle de 550 watts environ.
La température du moufle se stabilise à 760 C. après une durée de chauffage de 90 minutes.
Il y a lieu de remarquer que, en raison de la faible inclinaison de la portion C D de la courbe de fig. 5 Par rap- port à l'axe des ordonnées, à une grande variation de puissance correspond une très faible variation de température (quelques degrés pour 100 watts). Si donc les conditions d'équilibre
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viennent à varier, si, par exemple, les pertes de chaleur par refroidissement viennent à diminuer ou à augmenter, du fait d'un changement de l'isolement thermique du four, un nouvel équilibre s'établira automatiquement, au dessous ou au dessus de 550 watts, sans que la température du moufle varie de plus de quelques degrés au dessus ou au-dessous de la tempé- rature précédente d'équilibre de 760 C, les quantités de chaleur fournies au moufle compensant toujours les pertes.
On verrait de même qu'en utilisant un voltage de 17,5 volts, au lieu de 13,8 volts, la puissance dépensée dans le moufle au départ serait de 2440 watts (voir courbes des fig. 7 et 8 analogues à celles des fig. 5 et 6) pour aboutir à 550 watts pour une température d'équilibre de 765 à 770 C. c'est à dire de moins de 10 supérieure à la précédente; la durée de chauffe ne serait plus que de 40 minutes. Là encore, comme dans le cas précédent, l'auto-régula- tion se ferait dans des limites de température étroites, pour de grandes variations de puissance.
On voit donc comment l'autorégulation de température, est réalisée, pour un moufle donné, avec une grande précision, malgré de notables variations de voltage et de rayonnement du four.
On pourrait obtenir une auto-régulation dans un inter- valle de température encore plus réduit en choisissant pour constituer le moufle, un métal ou alliage dont la perte da ferro-magnétisme se produit dans des limites de température encore plus étroites que celles de l'acier au tungstène.
On a vu comment s'effectuait 1'auto]régulation de
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température, malgrè les variations de voltage, dans un moufle d'épaisseur donnée, de composition déterminée (acier au tungstène) Placé dans un circuit parcouru par un courant de fréquence invariable (50 périodes).On pourrait évidemment, en maintenant le voltage constant, faire varier la puissance mise en jeu dans le moufle en modifiant ; soitl'épaisseur du moufle, soit la fréquence du courant, soit la résistivité, la perméabilité ou l'hystérésis du métal ou alliage constituant le mouf le.
Si, toujours avec le four présentant les caractéris- tiques indiquées ci-dessus, on utilise un voltage supérieur à 17,5 volts, l'intensité du courant dépasse 850 ampères lors- que la température du moufle atteint 7650 C; la puissance dépensée dans le moufle (devenu non magnétique) sera alors supérieure à 550 watts et la température du moufle, au lieu de s'équilibrer à 7650 C. (température atteinte rapidement) continuera à s'élever lentement au delà.
On peut opérer ainsi en particulier dans le cas de la trempe, si le point de Curie du moufle, coïncide avec celui des pièces à tremper placées à l'intérieur. On arrêtera le chauffage lorsque la température du moufle se sera élevée de la quantité voulue au-dessus de celle correspondant à la disparition du magnétisme fort.
Au lieu d'utiliser une fréquence 50 périodes, On pourrait utiliser toute autre fréquence usuelle.
Dans la variante de fig. 3, la moufle est constitué Par des anneaux 8, en métaux ou alliages magnétiques de natures diverses, thermiquement isolés (ou non) les uns des autres par des joints réfractaires 9; ces anneaux peuvent être, ou non, d'épaisseur variées. Le reste de l'appareil est le même que
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précédemment. Grâce à cette disposition, chaque anneau du moufle aura une température d'équilibre bien déterminée, égale à celle de son point de transformation magnétique, ce qui permet d'obtenir une répartition prédéterminée des tempé- ratures de chauffe le long de la hauteur du moufle, sans avoir à modifier l'enroulement inducteur du tour.