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DEMANDE DE BREVET D'INVENTION la Société Anonyme dite:UGINE-INFRA "Procédé de réglage de la puissance absorbée par les fours à bains de sels à électrodes plongeantes.
----------- Demande de brevet français en sa faveur du 21 Octobre 1943.
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Dans les fours électriques à bains de sels à électrodes plongeantes, la résistance offerte par le bain de sel au passage du courant est très variable non seulement suivant la nature du sel utilisé, mais aussi, suivant la température de ce sel, suivant la quantité et le volume des pièces métalliques à chauffer que léon immerge dans le bain,etc. Il en résulte que si l'on main- tient constante la tension aux bornes du'four .--la puissance-ab- sorbée par le four varie entre d'assez larges limites et il n'est pas possible, sans dispositif spécial, de la régler à volonté, par exemple au fur et a mesure de la montée de la température ou dé l'introduction des pièces métalliques à chauffer.
La puissance se règle d'elle-même et elle peut tantôt dépasser la capacité de puissance du transformateur, tantôt au contraire rester très en dessous)de cette capacité, ce qui entraîne une lenteur dans le chauffage ou même l'incapacité de chauffer si la chaleur apportée reste inférieure aux pertes.
La solution généralement adoptée jusqu'à présent par les constructeurs consiste, pour un bain de composition détermi- née et pour un problème métallurgique également déterminé (quantité de pièces a porter à une température donnée dans un temps donné), à prévoir plusieurs tensions différentes au secondaire du transformateur et à adopter pour chaque période de marche du four (démarrage, chauffage plus ou moins rapide, mise en veil- leuse, etc.) la tension convenant le mieux, c'est-à-dire celle pour laquelle la résistance présentée par le four pendant cette période correspond le mieux a la puissance de régime prévue pour l'installation..
Cette manière de faire n'est cependant pas parfaite; elle assure, il est vrai, une meilleure utilisation du transfor- mateur mais elle ne permet pas d'arriver à une régularité de mar- che absolue, A titre d'exemple, dans un four de 20 Kw du type Ajax à électrodes plongeantes, la puissance instantanée absorbée au cours de la montée en température du bain de sel varie dans de telles proportions, pour une tension déterminée, que si l'on vou- lait, au cours de ce chauffage, utiliser à chaque instant la to- talité de la puissance installée du transformateur, il faudrait faire varier en même temps la tension dans des proportions égale- ment considérables,par exemple de 30% pour une montée en tempé- rature de 650 à 850 C.
Même si l'on utilise, au cours de ce chauf-
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àge, successivement plusieurs tensions différentes, la puissance absorbée varie par palier, mais ne reste pas, à chaque instant, voisine de la puissance maxima. Ces irrégularités sont encore plus sensibles quand il s'agit de passer de la période de démarrage à la période de chauffage ou de la période de chauffage à la période de mise en veilleuse. En outre, le fait d'avoir plusieurs prises afférentes sur le transformateur complique considérablement sa construction et entraîne une augmentation très importante du prix de revient de l'ensemble de l'installation.
La présente invention, faite dans les services de la Société demanderesse avec la collaboration de Monsieur Christian LAVELLE, a pour objet un procédé de réglage de la puissance absorbée par les fours à bains de sels à électrodes plongeantes, qui permet de remédier aux inconvénients rappelés, ci-dessus et de réaliser des installations de chauffage plus simples, d'un prix de revient plus réduit, dans lesquelles la puissance instal- lée du transformateur est utilisée au mieux au cours de toutes les opérations et ceci sans nuire en rien à la qualité intrinsèque des fours à bains de sels/qui est de réaliser, dans les pièces métalliques à chauffer, une excellente homogénéité de température .
Ce procédé consiste essentiellement, en utilisant en principe une tension unique et constante aux bornes du transformateur (ou au plus deux tensions de valeurs différentes et constantes), à faire varier la profondeur d'immersion des électrodes dans le bain selon la puissance désirée,la tension constante aux bornes du secondaire du transformateur étant choisie suffisamment élevée pour permettre une course de déplacement des électrodes correspondant aux variations de puissance exigées par le régime de marche du four, sans que l'homogénéité de la température du bain en soit altérée.
Les études de la demanderesse ont en effet amené celleci à constater que si l'on fait varier d'une façon continue la hauteur d'immersion des électrodes (ou d'une électrode), toutes autres choses étant égales, la puissance absorbée par le four varie elle aussi d'une façon continue et est une fonction sensiblement linéaire de cette hauteur d'immersion. D'autre part, pour deux régimes de marche différents d'un même four, par exemple pour la période de montée en température du sel et la période de chauffage des pièces métalliques immergées, il est possible, en utilisant une tension unique au secondaire du transformateur, de régler la hauteur d'immersion des électrodes de manière à maintenir la puissance sensiblement constante et voisine de la puissance nomale d'utilisation du transformateur.
Cependant, il peut arriver que, pour une hauteur d'immersion faible, bien que la puissance absorbée ait une valeur satisfaisante, l'homogénéité de température du bain ne soit plus assurée d'une manière parfaite, cette homogénéité étant normalement d'autant meilleure que les électrodes plongent plus bas dans le bain. La demanderesse a découvert qu'il était possible de remédier à cet inconvénient en donnant à la tension choisie pour le secondaire une valeur suffisamment élevée. Si l'on augmente en effet cette tension - toutes autres choses étant égales - la profondeur d'immersion des électrodes peut, dans d'assearges limites, être diminuée, sans que l'homogénéité de température du bain en sait altérée sensiblement et tout en conservant une puissance absorbée suffisante.
C'est donc sur le choix de cette tension que le constructeur devra porter son attention. Pratiquement, pour calculer un four, on procédera de la manière suivante : étant donné le sel
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employé et la température à atteindre, on se donnera tout d'abord, a priori, une valeur déterminée pour la profondeur minima d'im- mersion des électrodes qui sera par exemple de l'ordre de la moi- tié de la hauteur du bain; après quoi, on choisira, pour la ten- sion du secondaire du transformateur, une valeur suffisamment élevée pour que, en marche normale (bain fondu) on ait la puissan- ce désirée avec cette profondeur d'immersion.
On vérifie que, pour cette valeur de la tension, l'homogénéité de température est bien réalisée dans le sein du bain et on peut déterminer à ce moment d'une façon précise jusqu'où, en utilisant cette ten- sion, on peut relever les électrodes sans nuire à l'homogénéité.
Au cas où l'homogénéisé ne serait pas réalisée pour cette ten- .sion, il faudrait choisir une profondeur minima d'immersion ini- tiale plus grande et déterminer à nouveau la tension correspon- dante. Cette détermination de la tension se fera, en tout cas, en tenant compte de toutes les caractéristiques connues des types de fours auxquels on veut appliquer l'invention et en procédas t éven- tuellement à quelques essais. on fixera finalement son choix sur la tension limite à partir de laquelle le résultat cherché est ob- tenu.
Dans ces conditions, lorsque le four fonctionnera sur cette tension limite qui aura été fixée une fois pour toutes, toute aug- mentation de puissance nécessitée par l'introduction dans le bain des pièces métalliques à chauffer sera obtenue en augmentant la profondeur d'immersion des électrodes. Cette augmentation de l'im- mersion ne peut que favoriser la bonne homogénéité de la tempé- rature et, d'autre,part, elle permet de régler à chaque instant la puissance absorbée et de maintenir celle-ci sensiblement constan- te et voisine de la valeur .'la plus convenable pour le régime de marche envisagé.
Le procédé permet d'assurer ainsi à la fois une grande souplesse de marche du four et de faire travailler le trans- formateur dans les meilleures conditions, tout en conservant au four son avantage fondamental, d'assurer au bain une parfaite ho- mogénéité de température. Il est bien entendu, enfin, que pour des périodes de marche du four pour lesquelles l'homogénéité de la tem- pérature n'est plus indispensable , on pourra relever les électrodes au-dessus de la profondeur minima prévue, ce qui permettra encore de marcher à plus basse puissance et augmentera encore la souples- se de marche de l'installation.
Dans le cas où l'on désire faire travailler le four avec un même sel mais à des températures très différentes, on calculera le four pour la température la plus basse en suivant la marche qui vient d'être indiquée. Lorsqu'on travaillera à la température la plus élevée, on sera alors amené à baisser les électrodes ; tou- tes façons, par conséquent, l'homogénéité sera assurée.
Il est possible, enfin, si on le désire, d'agir, en même temps que sur l'immersion des électrodes, sur l'écartement de celles-ci; mais, d'une part, leariations de puissance corres- pondantes sont en général assez faibles, et, d'autre part, l'écar- ttement des électrodes est en général conditionné par'd'autres exi- gences de construction : par exemple, dans les fours du type Ajax, 'T'écartement des électrodes est imposé, par la nécessité d'obten-' tion d'un brassage électromagnétique dû au courant circulant en- tire les électrodes.
Dans la réalisation de l'invention, les variations d'im- mersion des électrodes pourront être assurées par un dispositif connu quelconque, analogue par exemple à celui qui existe sur les fours électriques à arc. L'immersion pourra être réglée soit auto- matiquement, soit à la main.
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On a représenter à titre d'exemple, au dessin cl-annexé, un mode de réalisation d'un t el dispositif appliqué à un four à bains de sels du type Ajax à quatre électrodes, Dans ce dessin : fig. 1 est une coupe axiale verticale du four suivant I-I de fig. 2; fig. 2 en est une vue en plan.
Tel qu'il est représenté dans cet exemple, le four dont la cuve est figurée en 1 comprend quatre électrodes 2 reliées au transformateur 3 par das câbles souples 4. Les deux électro- des ccntrales sont assujetties rigidement par deux bras isolés 5 à une équerre centrale 6 qui est fixe au milieu d'une glissière horizontale 7. Les deux autres électrodes, situées de part et d'autre des précédentes, sont respectivement reliées par des bras isolés 8a, 8b à deux équerres mobiles 9a, 9b susceptibles de cou- lisser dans la glissière 7- Un volant 10 solidaire d'une vis por- tant doux filets à pas contraires respectivement en relation avec les Équerres mobiles 9a, 9b permet de modifier 1'Ecartement en- tre les trois óquerres et, par suite, defaire varier l'écarte- ment entre les @lectrodes.
Pour permettre de faire varier, conformément à l'inven- tion, la profondeur d'immersion des électrodes, la glissière 7 portant l'ensemble des quatre électrodes est montée sur un cha- riot 11 mobile verticalement. Le déplacement de ce chariot est assuré par un système pignon et crémaillère 12-13, le pignon 13 étant relié par un train d'engrenages à un volant manoeuvrable à la main 14. Un disque gradue 15 et une aiguille fixe 16 permet- tent de repcrer la profondeur d'immersion.
Les principaux avantages résultant de la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, sont les suivants :
Tout d'abord, on peut diminuer dans une grande propor- tion le nombre de prises qui étaient nécessaires au secondaire du transformateur dans les fours du type courant. Pratiquement le nombre de ces prises peut être réduit à une ou deux. Dans ce dernier cas, l'une des tensions sert en général au démarrage et à la fusion du sel, l'autre est réservée à la période de marche normale.
Pour certains problèmes particuliers, par exemple dans le cas d'une marche avec des sels différents ou à des tempéra% res très différentes, on peut être amené à prévoir plus de deux tensions au secondaire, mais, de toute manière, le nombre en est beaucoup moins élevé que das le cas de la construction normale des fours, telle qu'elle est pratiquée actuellement. D'autre part, le procédé suivant l'invention donne la possibilité de ré- gler la puissance d'une façon continue. Il résulte de la diminu- tion du nombre des prises du transformateur un abaissement très notable du prix de revient de celui-ci. En outre, il est possible de faire travailler constamment l'ensemble de l'installation au voisinage de la puissance qui convient le mieux.
Celle-ci est donc utilisée avec le meilleur rendement possible et on réalise des gains de temps très appréciables tant sur la période de démar- rage que sur celle de la marche courante. Au cours de la marche en veilleuse, on peut aisément limiter la puissance à la quantité juste nécessaire pour compenser les pertes de chaleur, et la tem- pérature da bain peut être maintenue sensiblement constante pen- dant toute cette période, Pour passer de la marche en veilleuse à la marche normale, il suffit en général de baisser les électro- des. Le réglage du four est donc en tout cas très facile et sim- ple.
Voici deux exemples non limitatifs d'application de l'invention.
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EXEMPLE 1.- Application à un four du type Ajax des- tinéà la trempe. Les dimensions utiles du bain sont : longueur 490 mm, largeur 260 mm, hauteur 370 mm. Le sel choisi est un mélange en proportions sensiblement égales de NaCl et CO3Na2. la production envisagée nécessite, compte tenu des pertes, une puissance de 30 Kw pour la marche normale . On choi- sit pour profondeur minima d'immersion des électrodes dans le bain fondu, 200 mm. Des essais montrent que pour une paire d'é- lectrodes immergées à 230 mm dans le bain fondu, la tension de 10 volts donne sur le four une puissance de,15 kw. On choisit cette tension pour le secondaire du transformateur et on utilise deux paires d'électrodes, ce qui donne la puissance prévue de 30 Kw.
L'expérience montre qu'à 200 mm d'immersion, l'homogénéi- téde température est encore assurée. Pour la période de démar- rage, on peut immerger les électrodes à une profondeur de 350 mm, ce qui permet d'absorber une puissance de 45 Kw. Le transforma- teur est choisi de cette puissance. Dans ces conditions, une grande souplesse de marche est assurée.. En effet, on peut sans changer la tension aux bornes du transformateur, fonctionner de la manière suivante : a) pendant la mise en veilleuse où l'homogénéité n'est plus indispensable, on relève les électrodes, par exemple à une profondeur d'immersion de 100 mm.
On absorbe à ce moment une puissance de 13 kw, qui permet de maintenir la température du sel sensiblement constante;. b) pour réchauffer le four, par exemple passer de 600 à
900 C on immerge les électrodes de 350 mm, et pendant cette pé- riode on absorbe 45 Kw, ce qui permet d'obtenir un réchauffage rapide ; c) une fois le four à 900 C, on peut remonter les électro- des et marcher à la puissance prévue en marche normale de pro- duction au ..voisinage de 30 Kw.
EXEMPLE 2.- Application à un four destiné à des trai- tements de revenu à basse température.
Le bain a une longueur utile de 600 mm, une largeur de 200 mm et une profondeur de 500 mm. Les électrodes sont placées aux deux extrémités de la cuve. Le sel employé est un mélange de nitrate et de nitrite de potassium fondant à 130 C. Le bain doit être chauffé à des températures variant entre 150 et 200 C.
La puissance absorbée en marche normale doit être de 20 Kw à .
150 C.Des essais montrent qu'à 150 C. pour absorber une puis- sance de 20 Kw, avec une immersion de 350 mm, il faut une ten- sion de 15 volts. On choisit cette valeur pour la tension aux bornes du secondaire du transformateur. D'autre part, avec une profondeur d'immersion de 350 mm et une tension de 15 volts, l'homogénéité de température est parfaitement assurée. Elle l'est encore avec cette tension pour une profondeur d'immersion de 200 mmaseulement. Dans ces conditions, on peut faire fonction- ner le four de la façon suivante :
En marche normale à 150 C, on a une immersion de 350 mm avec une puissance de 20 Kw.
Pour augmenter la température du bain, on plonge les électrodes jusqu'à 490 mm, par exemple, ce qui permet d'absorber 28 Kw.
Pour un travail moindre, on peut sans inconvénient re- lever les électrodes jusqu'à 250 mm de profondeur d'immersion, ce qui correspond à une puissance de 14 kw.
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Au démarrage du. four, la fusion et la montée en temporature sont assurées par l'immersion correspondant sensiblement à la puissance de 28 Kw. La puissance du transformateur est, cornue toujours, calculée de manière à satisfaire à la puissance de marche maxima, soit 28 kw.