Appareil de chauffage d'une charge de métal par induction à basse fréquence La présente invention a pour objet un ap pareil de chauffage d'une charge de métal par induction à basse fréquence, plus spécia lement destiné aux chauffages de billettes et d'autres masses métalliques au moyen de cou rants alternatifs à basses fréquences, par exemple de 25 à 60 cycles/sec. et de 50 à 460 volts. L'appareil est notamment destiné au chauffage de billettes de divers diamètres et longueurs et faites de métaux présentant une forte résistivité, tels que l'acier ou le nickel.
Le chauffage par induction de billettes de métaux ferreux et non ferreux avec un cou rant alternatif à haute fréquence et d'une ten sion relativement élevée est bien connu dans la pratique. Par suite de l'effet pelliculaire, la chaleur est produite par les courants induits dans les billettes par les courants à haute fré quence dans une couche superficielle relative ment mince de la billette. En conséquence, par suite des trajets suivis par les courants in duits, le chauffage des parties centrales de la billette ne peut être assuré que par conduction de la chaleur à partir de la couche extérieure.
Tous les autres facteurs étant égaux, l'épais seur de la couche dans laquelle la chaleur est créée diminue quand la fréquence augmente, et ainsi la différence de température entre la couche extérieure et l'intérieur des billettes est également plus grande pour les hautes fré quences.
Il s'ensuit que pour une puissance donnée, un chauffage uniforme à travers toute la sec tion transversale d'une billette nécessite une période de chauffage plus courte quand on utilise une basse fréquence que lorsque l'on utilise une haute fréquence, si la basse fré quence est correctement appliquée.
Par suite de l'effet thermique pelliculaire qui ne permet le chauffage du noyau de la billette que par conduction, le temps néces saire au chauffage de cette billette dans toute sa section transversale augmente rapidement quand le diamètre de la billette augmente.
Dans bien des cas, par suite de cette diffé rence de température et de la limite imposée à la température maximum à laquelle la couche superficielle de la billette peut être chauffée sans détérioration, on ne peut produire de fa çon pratiquement continue des courants in duits par le courant à haute fréquence dans l'enroulement, comme il est possible de le faire avec des courants induits par un courant à basse fréquence.
En conséquence, pour em pêcher la différence de température de dé passer une certaine limite pratique, le cycle de chauffage à haute fréquence nécessite sou vent une succession de périodes pendant les- quelles le courant est lancé dans l'enroule ment et de périodes pendant lesquelles le pas sage du courant dans l'enroulement est coupé.
Certains des désavantages de l'emploi des courants à haute fréquence sont éliminés en utilisant des courants à basse fréquence, de préférence aux fréquences et aux tensions cou ramment disponibles dans l'industrie, par exemple de 25 à 60 cycles/sec. et de 50 à 460 volts. Comparativement aux hautes fréquences, ces basses fréquences entrament une création de chaleur dans une couche pelliculaire su perficielle plus épaisse de la billette par suite de la pénétration plus profonde du courant induit dans la billette par le courant à basse fréquence envoyé dans l'enroulement.
En utilisant des courants à basse fré quence, les billettes ou d'autres masses de mé taux ferreux ou non ferreux peuvent être chauf fées avec une différence de température très inférieure entre la couche extérieure, dans la quelle la chaleur est créée, et le noyau central et, par conséquent, avec des interruptions beau coup moins longues et fréquentes du courant assurant le cycle de chauffage que ce n'est le cas avec un courant à haute fréquence.
En outre, les courants à basse fréquence ont l'avantage de ne pas nécessiter l'emploi de groupes moteurs-générateurs spéciaux et coûteux qui sont nécessaires pour produire un courant à haute fréquence.
Il est nécessaire cependant de disposer d'un appareil pratique pour le chauffage par in duction à basse fréquence. Une des principales difficultés rencontrées dans le chauffage des billettes de haute résistivité avec un courant à basse fréquence est de réaliser un appareil qui produise un chauffage uniforme sur toute la longueur .de la billette.
L'appareil de chauffage d'une charge de métal par induction à basse fréquence faisant l'objet de la présente invention, comprenant un enroulement inductif de chauffage et un passage axial dans cet enroulement agencé pour recevoir, par l'une de ses extrémités, une charge de métal à chauffer, est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour comman der et faire varier la forme du flux magnétique dans ledit passage en direction de l'axe de l'enroulement.
Dais le cas de chauffage par induction à haute fréquence, un chauffage uniforme peut être assuré en faisant varier la distance entre les spires de l'enroulement inductif. Ces spires sont faites ordinairement de conducteurs rela tivement rigides et d'une section transver sale uniforme et sont espacées selon l'axe de l'enroulement, aucune matière d'espacement isolante n'étant utilisée pour séparer les spires les unes des autres. Il n'est pas nécessaire de maintenir les spires fermement en position en direction axiale car les courants à haute fré quence ne produisent pas de vibration éner gique des spires.
Dans le cas du chauffage à basse fréquence, il n'est pas commode d'utiliser des enroule ments présentant, sur une partie, un plus grand nombre de spires par unité de longueur axiale que sur une autre partie, cette varia tion axiale du nombre de spires étant obtenue par un espacement différent des spires d'un conducteur de section transversale uniforme. Aux fréquences inférieures auxquelles corres pondent des courants plus élevés que ceux obtenus à haute fréquence pour une même puissance, des champs magnétiques plus in tenses sont produits entre les spires de l'enrou lement et aussi entre la billette et les spires.
Ces champs intenses produisent des vibrations énergiques des spires de l'enroulement d'où il résulte que les spires tendent à s'écraser les unes contre les autres selon l'axe de l'enrou lement. En conséquence, les spires doivent être fixées pour empêcher tout mouvement longitu dinal relatif entre elles.
Un conducteur de section transversale va riable peut être enroulé pour former un enrou lement de chauffage inductif, ce conduc teur présentant une moindre dimension en di rection axiale dans certaines parties de l'en roulement que dans d'autres parties. Le con ducteur est de préférence isolé soigneusement et les spires isolées sont serrées les unes contre les autres en direction axiale, de sorte qu'au cune spire ne peut écraser les autres par suite des champs magnétiques produits par le cou- rapt à basse fréquence parcourant l'enroule ment. Si on utilise un conducteur non isolé, un isolant peut être interposé entre les spires adjacentes, au moins en certains points de leur longueur, de manière à les maintenir à dis tance les unes des autres pour former, en fait, des spires isolées.
Quand on parle ci-après de spires isolées, on entend soit des spires d'un conducteur isolé, soit des spires d'un conduc teur non isolé maintenues séparées par un isolant.
Pour le chauffage ordinaire de billettes, les spires d'une largeur inférieure en direction axiale sont disposées de préférence à l'extré mité de charge ou extrémité ouverte de l'en roulement. Près de l'extrémité opposée, ou dans une partie commençant à une certaine distance de l'extrémité ouverte, l'enroulement peut présenter un certain nombre de prises de dérivation, afin qu'on puisse utiliser toute longueur donnée d'enroulement depuis l'extré mité ouverte jusqu'à une distance choisie de l'extrémité de sortie.
On peut utiliser un noyau de concentration du flux qui peut être réglé dans différentes posi tions longitudinalement à l'enroulement, de sorte que le flux pénétrant dans la billette peut être déterminé afin que l'effet thermique soit pratiquement uniforme sur toute la longueur de la billette ou présenter des variations déter minées.
Un isolant de la chaleur peut être utilisé aux extrémités de la charge pour réduire les pertes thermiques, et particulièrement entre le noyau et la charge, de manière à obtenir une forme efficace du flux sans détruire la répar tition résultante de la chaleur par de trop fortes pertes thermiques à travers le noyau utilisé pour améliorer la forme du flux.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil selon l'invention.
La figure 1 en est une coupe longitudinale. La figure 2 est une élévation latérale cor respondante.
La figure 3 est une coupe selon la ligne 3-3 de la figure 1. La figure 4 est une vue d'un détail.
La figure 5 est une vue d'un autre détail. Dans la forme d'exécution représentée, l'ap pareil comprend un enroulement 1 d'un con ducteur électriquement isolé et présentant plusieurs prises de dérivation 2 réparties sur sa longueur. L'enroulement 1 est monté entre des plateaux rigides 3 et 4 qui engagent les extrémités opposées de l'enroulement et ser rent étroitement ce dernier, les spires isolées étant en contact étroit les unes avec les autres dans la direction longitudinale de l'enroule ment. Pour serrer les plateaux 3 et 4 contre l'enroulement, des tiges 5 s'étendent à tra vers les deux plateaux et sont fixées au pla teau 3 pour permettre de tirer ce dernier vers le plateau 4.
Des manchons 6 d'une matière isolante de l'électricité sont montés sur les tiges 5 et em pêchent ces dernières de venir en contact di rect avec l'enroulement ou avec d'autres or ganes sur toute leur longueur. Les manchons 6 sont d'une longueur légèrement inférieure à la distance entre les plateaux 3 et 4, de ma nière à ne pas gêner le serrage des plateaux et de l'enroulement.
Un manchon 7 est monté dans l'enroule ment 1 et s'étend axialement dans le passage central de l'enroulement. Une billette ou une autre masse destinée à être chauffée peut être placée dans ce manchon. Ce dernier est fait de préférence en une matière non magnétique. Il peut être fait d'une matière réfractaire.
L'extrémité de charge ou extrémité ouverte de l'enroulement est désignée par 8, et l'extré mité opposée ou extrémité fermée par 9. A l'extrémité fermée 9, les tiges 5 passent à tra vers le plateau 4 et à travers des disques 10 et 11. Le manchon 7 est monté à glissement dans ces disques.
Des manchons 12 sont montés sur les tiges 5 et s'étendent depuis la face supérieure du disque 10 jusqu'à des écrous de serrage 13 sur les tiges 5. La pression exercée par les écrous 13 peut être ainsi transmise par .les manchons 12 aux disques 10 et 11 et de là au plateau 4 pour tirer le plateau 3 vers le plateau 4 et maintenir ces plateaux longitu dinalement serrés sur l'enroulement, les spires isolées étant suffisamment serrées pour éviter qu'elles s'écrasent les unes contre les autres par vibration.
Un chariot 14 est monté sur les manchons 12 et, guidé par ceux-ci, peut se déplacer axialement à l'enroulement. Le chariot 14 comprend un manchon central 15 et des disques annulaires 16 et 17 fixés aux extré mités du manchon 15 et maintenus séparés axialement l'un de l'autre par des manchons 18. Les manchons 18 sont susceptibles de glisser axialement sur les manchons 12 cor respondants.
Le chariot 14 est poussé élastiquement vers le plateau 4 et maintenu élastiquement contre le disque 11 par des ressorts de compression 19 qui sont montés entre le disque 17 et les écrous 13 portés par les tiges 5.
Un support de noyau 20 monté sur le chariot 14 est susceptible d'être réglé dans di verses positions axiales. Ce support est cons titué par un manchon creux logé télescopique- ment dans le manchon 15 sur le chariot 14. Le manchon 15 est fendu latéralement et présente un dispositif de serrage 21 de manière à pouvoir être pincé étroitement autour du sup port 20 dans différentes positions axiales re latives de ce support et du manchon 15.
Ainsi, le support de noyau 20 peut être réglé axia- lement à l'enroulement 1 en réglant sa position relativement au chariot 14, et il peut être dé placé dans :différentes positions longitudinales solidairement au chariot 14 pour l'une quel conque des positions de ce dernier.
Un noyau laminé 22 est monté sur le sup port 20. Il comprend des lamelles 23 d'acier ou d'un métal ferreux, alternant avec des lamelles 24 d'un métal à haute conductibilité thermique comme le cuivre. Les lamelles s'étendent pa rallèlement au trajet du flux à travers le noyau.
Des moyens pour dissiper la chaleur du noyau sont montés à l'extrémité supérieure du noyau laminé 22. Ces moyens comprennent un tuyau formant une boucle 25 qui s'appuie contre la face extérieure du noyau 22. Ce tuyau, dans lequel circule de l'eau, présente une partie d'entrée 26 et une partie de sortie 27 qui s'étendent toutes deux vers l'extrémité extérieure du support 20 et sont connectées respectivement à une conduite d'amenée et à une conduite de retour d'un dispositif de re froidissement externe (non représenté). La par tie d'entrée du tuyau présente un raccord d'en trée 28.
L'extrémité extérieure du support 20 est fermée par un couvercle 29 à travers lequel passent les parties 26 et 27 du tuyau vers les raccords externes qui les connectent au dispo sitif de refroidissement.
Le support 20 est creux et ouvert à son extrémité inférieure pour permettre l'échap pement des gaz qu'il renferme vers l'intérieur du manchon 7, permettant ainsi d'introduire un gaz réducteur ou non oxydant à travers le sup port 20 dans le manchon 7 et de maintenir une atmosphère réductrice ou non oxydante dans le manchon 7 pendant tout le chauffage. Le gaz est introduit dans le support 20 par une lu mière 30 percée dans le couvercle 29.
Pour maintenir le manchon 7 coaxialement à l'enroulement, tout en permettant à l'extrémité supérieure .de ce dernier de se déplacer en di rection longitudinale relativement au plateau de serrage 4 de manière à ne pas gêner le serrage, un manchon annulaire 31 est monté sur le disque 16 et s'étend axialement sur une courte distance dans le manchon 7 à l'extré mité 9 de l'enroulement. Le manchon 31 s'étend autour du noyau et s'assemble dans le manchon 7 télescopiquement avec un certain jeu.
L'extrémité 9 de l'enroulement et le man chon 7 sont ainsi agencés pour empêcher l'échappement du gaz qu'ils contiennent et l'entrée de l'air extérieur dans le manchon 7. Si l'appareil fonctionne dans la position verti cale représentée et si le gaz est de l'hélium ou un autre gaz plus léger que l'air, le fond du manchon peut être laissé ouvert. Si l'appareil est utilisé dans une autre position ou avec un gaz plus lourd que l'air, il est nécessaire de monter un joint d'amiante ou d'une autre matière à l'extrémité 8 de l'enroulement, comme on le verra plus loin. Le noyau 22 peut donc être déplacé selon l'axe de l'enroulement dans différentes posi tions le long du manchon 7.
Dans toutes ces positions, par l'intermédiaire du chariot 14 et des ressorts 19, il peut résister élastiquement à toutes les forces qui lui sont appliquées en direction axiale dans le sens allant de l'ex trémité de charge 8 à l'extrémité 9. Il peut résister à ces forces sans chocs dangereux et revenir de lui-même avec la billette dans sa position initiale. En conséquence, à la suite d'une propul sion magnétique de la billette dans le man chon, en direction longitudinale vers le noyau, le mouvement de la billette est arrêté par choc élastique sur le noyau 22, de sorte que les chocs sont absorbés et que la billette est ra menée vers l'intérieur dans la position choisie.
Il s'agit là d'une précaution de sûreté qui est particulièrement avantageuse quand l'appa reil fonctionne :avec l'axe de l'enroulement disposé horizontalement. Si l'opérateur néglige de changer la position du noyau 22 pour une billette plus longue que celle pour laquelle le noyau a été mis en place, le noyau peut être déplacé par cette billette plus longue intro duite dans le manchon 7, ce qui protège à la fois l'enroulement et le mécanisme d'amenée de la billette contre des chocs et des efforts dangereux.
La pression des ressorts 19 sur le chariot 14 assure un joint efficace contre l'échappe ment du gaz du manchon 7. Pour amener les billettes dans l'enroule ment, un piston 32 présentant une tête réglable 33 est agencé de manière à s'étendre sur une distance déterminée dans l'extrémité de charge 8 de l'enroulement.
Des tampons isolants de la chaleur 34- et 35 sont disposés entre la tête de piston 33 et une extrémité de la billette et entre le noyau 22 et l'autre extrémité de la billette, de manière à réduire les pertes thermiques aux extrémités de cette billette. La chaleur induite dans le noyau peut être éliminée par le refroidissement à eau, si nécessaire, pour que le noyau fonctionne à une température suffisamment basse. Les tampons 34 et 35 sont fixés respectivement à la tête de piston 33 et au noyau 22.
Le tampon 23 (fig. 4) comprend un disque 36 d'une matière thermiquement isolante dans une enveloppe 37 en acier inoxydable présen tant une paroi supérieure 38, une paroi infé- rieure et une paroi latérale 39. L'enveloppe 37 présente de petites fentes radiales 41 diamétra- lement opposées qui s'étendent à travers les parois supérieure et inférieure environ depuis le centre de l'isolant jusqu'à sa périphérie. Ces fentes suppriment pratiquement tous courants induits de l'enveloppe 37.
La tête de piston 33 présente également des fentes radiales 42. Un joint d'amiante 43 est disposé entre la tête 33 et le tampon 34, ce joint étant fait d'une matière thermiquement iso lante et présentant un diamètre suffisant pour fermer l'extrémité inférieure du manchon 7. Le tampon 34 présente des oreilles 43a agencées pour être fixées à la tête de piston 33.
Le tampon 35 (fig. 5) est d'une construction semblable et présente des fentes 44 et des oreilles 45 qui sont utilisées pour fixer ensemble les lamelles du noyau 22.
Bien que l'appareil décrit fonctionne de manière particulièrement avantageuse avec des courants alternatifs de 25 à 60 cycles/sec. en viron et sous des tensions de 50 à 460 volts environ, il fonctionne de manière satisfaisante à toutes les tensions et faibles fréquences ha bituelles.
Les spires de l'enroulement présentent une dimension croissante dans la direction longi tudinale de l'enroulement à partir de l'extrémité de charge 8 vers l'extrémité 9 de l'enroule ment. En effet, à l'extrémité 8, l'enroulement débute par quelques spires d'un conducteur d'une section transversale uniforme, chacune des premières spires présentant la même di mension que les autres en direction longitudi nale. Une variation considérable dans la dimen sion radiale de la section transversale du con ducteur est admissible. Un peu plus loin le long de l'enroulement, on utilise un conducteur de plus grande section, mais présentant la même dimension radiale que celui formant la première partie de l'enroulement.
Des groupes successifs de spires sont disposés de manière qu'en direction longitudinale, la dimension de chaque spire d'un groupe soit progressivement supérieure à la dimension de chaque spire du groupe adjacent disposé du côté de l'extrémité de charge. Cette augmentation de dimension se continue jusqu'à l'extrémité 9 de l'enroulement. Les parties extrêmes des groupes successifs de spires peuvent être connectées électriquement aux extrémités des groupes adjacents par bra sage ou tout autre moyen semblable. Le conduc teur peut être sous forme d'un tube refroidi par eau.
Dans certains cas, on peut utiliser une va riante (non représentée) de l'enroulement qui produit certains des effets décrits ci-dessus, mais qui n'est pas aussi satisfaisante à plusieurs égards. Dans cette variante, le conducteur est de section transversale uniforme et, depuis l'extrémité de charge où les spires sont relati vement serrées et en direction de l'autre extré mité de l'enroulement, les spires sont progres sivement de plus en plus espacées les unes des autres, une matière isolante de compressibilité limitée étant disposée dans l'espace compris entre les spires. Ces dernières, avec l'isolant in terposé entre elles, sont étroitement serrées de manière à rester immobiles longitudinalement à l'enroulement.
Comme on l'a vu, l'appareil représenté et décrit est particulièrement avantageux dans le cas de billettes de différentes longueurs, le pro blème du chauffage de ces billettes introdui sant des difficultés que ne soulève pas néces sairement le chauffage de billettes de longueur uniforme.
C'est ainsi par exemple que si l'on voulait produire une répartition uniforme du flux, sur toute la longueur et la section transversale de la billette, seulement par l'emploi de quelques spires et de dérivations disposées longitudina lement à l'enroulement au-delà de l'extré mité supérieure de la billette, l'enroulement serait trop long pour réaliser la concentra tion voulue du flux dans la billette, car on ne pourrait concentrer les spires en des places différentes appropriées aux diverses longueurs des billettes. En conséquence, le noyau 22 est utilisé pour obtenir la répartition convenable du flux. Mais le noyau 22 conduit la chaleur depuis l'extrémité de la billette. En outre, le noyau lui-même peut être endommagé par le chauffage et par le refroidissement.
En consé quence, il faut introduire le tampon 35 pour permettre la concentration du flux avec le noyau tout en éliminant les fortes pertes ther miques qui se produisent par suite de la pré sence du noyau 22.
Lors du fonctionnement, en supposant que l'appareil est utilisé dans la position verticale représentée, la billette est placée sur le tampon 34 thermiquement isolant sur la tête de piston 33, et le piston 32 est actionné pour soulever la billette dans la position choisie. Ensuite, le dispositif de serrage 21 est libéré et le sup port de noyau 20 est abaissé dans le chariot 14 jusqu'à ce que la face inférieure du tam pon isolant 35 repose sur l'extrémité supé rieure de la billette ou ne soit qu'à faible distance de cette extrémité. Le dispositif de serrage 21 est alors serré pour bloquer le cha riot 14 et le support de noyau 20 l'un par rapport à l'autre. Une borne d'une source d'ali mentation est connectée à une borne de l'en roulement.
Selon la longueur de la billette et la position choisie, l'autre borne de la source est connectée à l'une ou l'autre des dériva tions 2. La dérivation choisie est ordinaire ment telle que la longueur effective de l'enrou lement s'étende de 7,5 à 10 cm au-delà de l'extrémité supérieure de la billette en direc tion de l'extrémité supérieure 9 de l'enroule ment. Un gaz est introduit par la lumière 30, un fluide de refroidissement est envoyé dans le tuyau 26 et l'enroulement est excité.
Si la billette tend à se déplacer axialement par action magnétique, un réglage peut être fait au niveau de la tête de piston 33 et entre le chariot 14 et le support 20, de sorte que la billette peut être facilement retenue dans la position désirée exacte sur l'axe de l'enrou lement.
Après que la billette a été chauffée et éli minée, une nouvelle billette est placée sur le tampon isolant 34 à la partie supérieure de la tête de piston 33. Le piston est soulevé dans la position voulue et l'enroulement est excité. Toute force due au déplacement axial de la billette sous l'action du flux magnétique et au choc qu'elle produit contre le noyau est absor bée par les ressorts 19, par l'intermédiaire du support 20 et du chariot 14, et la billette re tourne dans la position de chauffage choisie. De même, si l'on introduit une billette plus longue sans réajuster la position du noyau, le choc produit par la billette sur le noyau est absorbé.
Des billettes successives de même longueur peuvent être chauffées facilement sans nouveau réglage.
Si l'on désire obtenir une pénétration uni forme du flux sur toute la longueur -de la bil- lette, le nombre de spires du groupe adjacent à l'extrémité de charge 8 est supérieur au nombre de spires de chacun des groupes se succédant depuis l'extrémité 8 jusqu'à l'extré mité 9 de l'enroulement. La dimension de chaque spire d'un groupe la plus proche de l'extrémité 8 en direction longitudinale est de préférence de la moitié environ de la dimen sion de la spire la plus proche de l'extrémité 9. La densité de flux à l'extrémité de charge 8 serait autrement égale à environ la moitié de la densité de flux au centre de l'enroulement, par suite des trajets de fuite.
Les lamelles refroidies par eau à l'extrémité 9 concentrent le flux d'une partie considérable de l'enroulement qui est au-delà de l'extrémité supérieure de la billette et élèvent ainsi la densité de flux à l'extrémité supérieure de la billette pour compenser les pertes qui se pro duiraient autrement. Elles rendent ainsi la den sité de flux à l'extrémité supérieure plus proche de la densité au centre de l'enroulement. En même temps, on peut obtenir une répartition plus uniforme du flux et du chauffage sur toute la longueur de la billette.
On peut voir qu'il est possible d'obtenir des effets thermiques spéciaux dans lesquels la température des billettes peut être modifiée dans différentes positions sur la longueur de la billette pour remplir des buts précis. L'appareil décrit présente l'avantage d'un faible prix de revient, de fonctionnement et d'entretien. Il n'occupe ,qu'un faible espace. En outre, il est adapté pour le fonctionnement automatique et présente une souplesse dans la commande de la température permettant d'obtenir un produit de qualité supérieure. Il permet des conditions de travail favorables pour l'opérateur et d'augmenter la production.