Procédé de chauffage électrique par induction et four pour la mise en oeuvre <B>dé</B> ce procédé. La présente invention a pour objet un procédé de chauffage électrique par- induc tion, qui permet de maintenir automatique ment constante la température d'objets à chauffer ou .du moufle d'un four contenant des .objets -à chauffer.
Ce procédé est -de ceux dans lesquels on dispose des objets, ou un moufle métallique à chauffer dans un champ magnétique induc teur alternatif qui engendre dans ces objets ou dans ce moufle des .courants induits capa bles d'en élever la température.
Ces courants induits et la chaleur qu'ils engendrent -sont d'autant plus intenses que le métal desdits objets ou du moufle est plus perméable magnétiquement. De plus, une im portante quantité -de chaleur peut être déve loppée, dans l'objet ou dans le moufle par l'hystérésis, surtout si la ,substance -de l'ob jet ou @du moufle possède un coefficient,d'hys- t6résis élevé, L'utilisation, dans un four à induction d'un moufle en métal magnétique est parti culièrement avantageuse;
les' moufles de cette nature ont en effet l'avantage, sur les moufles en métal non magnétique, toutes autres conditions égales, d'absor ber une bien plus grande quantité d'éner gie calorifique, grâce premièrement à leur induction élevée et deuxièmement à leur Ilys- tér6sis qui varie d'ailleurs avec la tempéra ture.
On n'a pas, jusqu'ici, utilisé ces diverse propriétés des moufles en métal magnétique pour obtenir, comme résultat industriel, une autorégulation -de la température du four.
Le procédé selon l'invention est caracté risé en ce qu'on constitue les parties à chauf fer en un métal magnétique dont la tempéra ture de .disparition de .magnétisme fort coïn cide avec une température de chauffe désirée, et en ce qu'on soumet,ces parties à un champ inducteur .qu'on règle,de telle sorte qu'après disparition du magnétisme fort de leur sub stance au cours :de l'échauffement, les quan tités de chaleur qu'elles dégagent soient in férieures à leurs pertes par refroidissement..
Dans un four à moufle, établi pour la mise en cenvre -de ce procédé, il se produit, par exemple, les phénomènes suivants: Sous l'influence :du champ inducteur, la température .du moufle croît rapidement :sous l'action des courants induits -développés dans ce dernier et de l'hystérésis, et :ceci :d'autant plus que la substance :du moufle a une per miéabilité et un coefficient d'hystérésis plus élevés.
Mais à partir du moment où la tempéra ture -de -disparition -du magnétisme fort .de la substance du moufle -est atteinte, le moufle perd progressivement ses propriétés magné tiques; la perméabilité et l'hystérésis de sa substance décroissant, il en résulte que la quantité de chaleur dégagée par le moufle diminue.
Il arrive un moment où cette quan tité de chaleur est égale aux pertes @calorifi- ques du moufle; à partir de ce moment, la température -se maintient constante et la transformation physique :du moufle s'arrête.
Si, pour une cause .quelconque, les pertes calorifiques du moufle viennent à augmenter, sa température tend à décroître. De ce fait, une partie du magnétisme @du moufle réappa raît, la puissance calorifique qu'il reçoit augmente et l'équilibre entre la chaleur per due .et la chaleur reçue par le moufle se ré tablit automatiquement. L'inverse se produit quand les pertes calorifiques -du moufle dimi nuent.
Le moufle se maintient donc à la tempé- rature,de disparition du magnétisme fort de sa substance, comme .d'ailleurs l'expérience l'a prouvé.
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 al liages, le nickel et .ses alliages, ou toutes au tres substances magnétiques connues.
Bien entendu, on pourra, à partir d'une température initiale constante désirée et ob- tenue :dans le moufle comme indiqué précé demment, faire croître ou décroître la tempé- rature selon une loi déterminée, en faisant varier la fréquence ou l'intensité du courant inducteur en dehors des limites de puissance correspondant à l'autorégulation, la tempéra ture constante obtenue initialement servant de repère invariable.
Une :difficulté se présente cependant quand on veut faire décroître la température du -moufle. Le retour du métal à l'état ma gnétique rendrait le réglage -du courant in ducteur extrêmement difficile. Pour éviter cet inconvénient, on utilisera donc ,de préférence des métaux dont le retour au magnétisme fort ne se produit au refroidissement qu'à une température inférieure à celle :de la perte :de ce magnétisme à l'échauffement. On pourra de la sorte obtenir la réduction de tempéra ture, sans difficulté, jusqu'à la température -de retour du magnétisme fort.
L'oxydation superficielle de la substance du moufle peut éventuellement et sans incon vénient être combattue en recouvrant la sur- face :de @ce dernier d'un dépôt., de métal inoxy dable aux températures d'utilisation (cobalt, chrome, nickel, etc:), ou de tout autre dépôt ou enduit approprié.
On pourra, éventuellement, utiliser des pièces polaires en tôles feuilletées pour fer mer le circuit magnétique où est placé le moufle, et pour renforcer ainsi le champ.
Le procédé selon l'invention conviendra en particulier aux divers traitements thermi ques des métaux ou alliage (trempes, recuits, revenus, etc.) à leur fusion, au chauffage de substances :chimiques (réactions à tempéra ture constante, distillations simples ou frac tionnées, fusions, ébullitions, évaporations, volatilisations, etc.).
Le procédé peut, bien entendu, être ap pliqué également au chauffage à température constante d'un objet métallique que l'on place directement dans le champ inducteur alter natif. Il faut alors, comme on l'a -dit précé demment pour le moufle, que cet objet soit établi en un métal magnétique dont la tempé rature de disparition du magnétisme fort soit égale à la température constante à laquelle on désire chauffer et maintenir l'objet; il faut en outre régler convenablement les ca ractéristiques -du courant inducteur et -de l'ob jet lui-même.
L'invention comprend aussi un four, ca- ractéris6 par des parties en un métal magnéti que dont la température de dispar_tion du magnétisme fort coïncide avec une tempéra ture de chauffe désirée, ces parties étant en tourées par un solénoïde créant un champ in ducteur.
Au dessin ci-joint sont représentées, sché matiquement, à titre d'exemple, deux formes d'exécution d'un four à induction établi con- formément à l'invention.
Fig. 1 est une vue en coupe axiale de la première; Fig. 2 en est une vue en plan, couvercle enlevé; Fig. 3 est une vue en coupe axiale de la ,seconde, -et Fig. 4 ,à 8 sont .des courbes @de fonctionne ment -d'un four de caractéristiques- données. En fig. 1 et 2, 1 est un moufle, de forme cylindrique en substance magnétique (métal ou alliage ferromagnétique, par exemple) à coefficient d'hystéré.sis élevé de préférence.
Ce moufle 1 est placé à l'intérieur d'un solénoïde 2, avec interposition d'un remplis sage réfractaire calorifuge 3, .d'épaisseur aussi réduite que possible, afin d'obtenir un bon facteur de puissance. L e tout est fermé par un .couvercle réfractaire 4.
Le solénoïde 2, formé de ,spires -en un mé tal de haute conductibilité à section rectan gulaire est parcouru par un courant électrique alternatif provenant d'une source de courant 5. Une mince couche isolante 6 (mica ou au tre) est interposé 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 dé signées<I>par A</I> sont -disposées à l'intérieur du moufle 1. Les résultats d'essais indiqués ci-dessous se rapportent à un four de ce type, compor tant un moufle en acier au tungstène de 200 mm -de hauteur, -de 70 mm de diamètre intérieur et de 100 mm de diamètre extérieur. et dont la température -de disparition com plète du magnétisme fort est de 765 C en viron.
L'isolement thermique -de ce four est ta! qu'à une température -du moufle de 765 C environ, les pertes de chaleur par refroidisse ment correspondent à une puissance -de 550 watts.
Le champ magnétique inducteur alterna tif .dans lequel ce moufle est placé est pro duit par un enroulement inducteur de 250 mm ,de hauteur et de 150 mm .de diamètre, formé de spires -de 10 mm d'épaisseur et de 35 mm ,de largeur.
On envoie dans cet enroulement inducteur un courant alternatif d'une fréquence de 50 périodes à un voltage constant de 12,8 volts.
Ces résultats d'essais sont représentés graphiquement par: Fig. 4, dans laquelle les températures sont portées en abscisses et les intensités -du cou rant inducteur en ordonnées; Fig. 5, dans laquelle les températures sont portées en abscisses -et les puissances dépen sées 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 courant, de 340 ampères au début, reste constante jusqu'à @ce que le moufle atteigne une température de 735 C environ, .qui correspond au commencement de la transformation magnétique de sa sub stance. 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 de 735 , l'intensité augmente rapidement et la puis sance wattée dépensée dans le moufle dimi nue 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 environ.
Il y a lieu de remarquer que, en raison de la faible inclinaison de la portion<I>C D</I> de la courbe -de fig. 5 par rapport à l'axe -des or données, à une grande variation de puissance correspond une très faible variation de tempé rature (quelques degrés pour<B>100</B> watts).
Si donc les conditions d'équilibre viennent à varier, par exemple si les pertes de chaleur par refroidissement viennent à .diminuer ou à augmenter, du fait d'un changement de l'iso lement thermique du four, un nouvel équili bre s'établira automatiquement, au-dessous .et au-dessus @de 550 watts, sans que la tempéra- ture du moufle varie de plus de quelques .de grés au-dessus ou au-dessous de la tempéra ture précédente d'équilibre -de 760 C,
les quantités -de !chaleur fournies au moufle com pensant toujours les pertes.
On a encore trouvé qu'en utilisant un vol tage de 17,5 volts au lieu de<B>12,8</B> volts, la puissance dépensée dans le moufle au,départ est,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<B>770'</B> C, c'est-à-dire de moins de 10 supérieure à la précédente;
la durée de chauffe n'est alors plus :que de 40 minutes -environ, comme dans le cas précé dent, l'auto-régulation se fait donc dans des limites de température étroites, pour de gran des variations de puissance.
On voit que l'autorégulation de la tempé rature 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 autorégulation dans un intervalle de température encore plus réduit en choisissant, pour constituer .le moufle, un métal ou alliage dont la perte -de magnétisme se produit dans -des limites de température .encore plus étroites que celles de l'acier au tungstène.
On a vu comment s'effectuait l'auto-régu- lation de température, malgré les variations de voltage, dans un moufle .d'épaisseur don née, 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, changer la puissance mise en jeu dans le moufle en mo difiant, soit l'épaisseur du moufle, soit la fréquence du courant, soit .la résistivité, la perméabilité ou l'hystérésis du métal ou al liage constituant le moufle.
Si, toujours avec le four présentant les ca ractéristiques indiquées ci-dessus, après avoir utilisé un voltage de 17,5 volts, on augmente la tension, l'intensité :du courant dépasse 850 ampères, bien que la température du moufle ait atteint 765 C; la puissance dé pensée dans le moufle (devenu non magnéti que) est alors supérieure à 550 watts et 1a température -du moufle, au lieu de s'équili brer à 765 C (température atteinte rapide ment) continue,à s'élever lentement au -delà.
On peut opérer ainsi en particulier dans le cas de la trempe, si le point de Curie du mou fle coïncide avec celui -des pièces. à tremper placées à l'intérieur.; on arrête alors le chauf fage lorsque la température du moufle se sera élevée -de la quantité voulue au-dessus de celle -correspondant à la disparition du ma- gnétisme fort.
Au lieu. d'utiliser une fréquence de 50 périodes, on pourrait utiliser toute autre fré quence usuelle.
Dans l'exemple représenté par fig. 3, le moufle est constitué par des anneaux 8, en métaux ou alliages magnétiques de natures diverses, qui peuvent être thermiquement iso lés les uns des autres par des joints réfrac taires 9; ces anneaux pourraient être d'épais- seurs variées. Le reste du four est le même que précédemment.
Grâce à cette .disposition, chaque anneau -du moufle aura une tempéra ture d'équilibre bien déterminée, égale à celle de son point de transformation magnétique, ce,qui permet d'obtenir une répartition pré déterminée des températures de chauffe le long de la hauteur -du moufle, sans avoir à modifier l'enroulement inducteur du four.