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Metallwerke A.G., à Dornach (Suisse) . pour l'invention intitulée : Four à induction sans fer pour la fusion et le recuit de métaux et d'alliages, formant l'objet d'une demande de brevet déposée en Suisse le 25 mars 1944.
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La présente invention concerne un four électrique de fusion et de recuit pour métaux et alliages de tous genres, .dans lequel le courant électrique est transformé en chaleur par induction dans la masse à chauffer. Jusqu'à présent, on connait plusieurs fours électriques à induction fonctionnant d'après le même principe mais servant essentiellement à la fusion. Ces fours ont des inconvénients.
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Dans le four à induction à anneau vertical employé aujourd'hui presque universellement dans les usines pour la fusion des métaux, le foyer de fusion du four est formée par un canal de grande longueur et de section très réduite. Ce canal de fusion représente l'enroulement secondaire d'un transformateur court-circuité. La transmission de l'énergie du réseau primaire à la masse à faire fondre est effectuée par un enroulement primaire usuel comportant un noyau de fer et faisant office de transformateur. Le four convient à la fusion d'alliages mélangés et d'alliages de métaux légers, à condition que ceux-ci soient demandés en grandes quantités.
Mais il est nécessaire que la cheminée verticale, dont le contenu est appelé le bain, soit toujours nomplie de métal en fusion, et que ce métal soit toujours maintenu en état de fusion dans la cheminée de fusion. Cette condition doit également être remplie pendant les interruptions du servise, donc même le dimanche et durant les pauses de travail, sans quoi le four devient défectueux et doit recevoir un nouveau revêtement intérieur. Pour le démarrage, on doit disposer de métal en fusion, afin que celui-ci puisse être coulé dans la cheminée pour former le bain de fusion car, autrement, le four ne peut être mis en marche.
On voit immédiatement qu'un four de ce genre ne convient qu'au fonctionnement sur une grande échelle, où il est possible de prévoir des dispositions spéciales de surveillance,
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et où on est quelque peu assuré contre toute panne de courant. Comme inconvénient particulier, on peut indiquer les dimensions du bain de fusion nécessaire au four et qui pour des fours de puissance moyenne, atteignent jusqu'à 50 % du poids du métal évacué.
Dans le four à induction sans fer suivant la présente invention, le foyer de fusion a la forme d'un corps creux formé par le revêtement réfractaire de l'enroulement primaire et par le corps cylindrique d'un noyauo Lorsque l'installation doit faire office de four de fusion, le foyer est de préférence surmonté d'un compartiment collecteur pour la matière en fusion. L'enroulement primaire entourant le foyer de fusion peut être connecté à un réseau de fréquence normale ou plus élevée.
Par rapport aux fours à induction connus, comportant un anneau vertical, cette disposition offre des avantages considérables, le foyer de fusion n'ayant plus la forme compliquée d'une cheminée longue et étroite, mais la forme simple d'un cylindre creux. Il est manifeste que la nouvelle forme du foyer de fusion permet des modes de fonctionnement très différents, de sorte que le four peut largement servir à des applications qui étaient jusqu'à présent interdites au four à induction, par exemple le traitement métallurgique de métaux et de résidus métalliques. Dans ce cas il est possible d'effectuer la fusion du métal en partant de l'état solide sans
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qu'il soit nécessaire d'introduire préalablement un bain de fusion liquide.
Le contenu du cylindre creux, qu'on peut également appeler "bain", n'atteint environ que 34 % du poids évacué pour le cas des métaux légers, de sorte que la capacité calorifique du bain est également très réduite. De plus, et grâce à la forme du cylindre creux, on évite l'inconvénient du four à induction à anneau vertical dans lequel la cheminée de fusion longue et étroite est très rapidement obstruée par des oxydes métalliques, des impuretés et des scories, étant donné que la nouvelle forme du foyer de fusion n'a pas tendance à permettre les obstructions et que ce foyer peut être facilement nettoyé dans le cas où des impuretés se déposent sur les parois du foyer de fusion.
Cet avantage est d'autant plus grand que le four peut être entièrement vidé pour le nettoyage ce qui, dans le cas de fours verticaux en fonctionnement, n'est possible qu'avec des difficultés. Le nouveau four à induction sans fer convient donc également à la fusion de métaux ayant une forte tendance à l'oxydation, tels que l'aluminium et ses alliages, que l'on ne peut faire fondre qu'avec des difficultés dans le four à induction à anneau vertical, la cheminée de fusion étant déjà obstruée par les oxydes après quelques heures de fonctionnement.
Dans le four à anneau vertical ces difficultés sont 'tellement grandes qu'on a crée pour le nettoyage de la cheminée de fusion plusieurs dispositifs qui, malgré cela,
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n'assurent pas un fonctionnement irréprochable.
Le foyer de chauffage du four en forme de corps creux, convenablement construit, peut également servir au recuit et au réchauffage de métaux pour les opérations consécutives de conformation à chaud. On sait qué, dans le mode de chauffage par induction décrit, le courant ne pénètre que dans les parties superficielles de la masse à chauffer et qu'y convertit en chaleur. La profondeur de pénétration du courant dans la masse à chauffer est fonction de ses propriétés physiques et de la fréquence de fonctionnement de l'installation. Le foyer de fusion en forme de corps creux permet donc de concentrer pleinement la chaleur sur la masse à chauffer et d'avenir ainsi un chauffage rapide.
La matière située à l'intérieur de la profondeur de pénétration ne pourrait être chauffée que par la transmission de la chaleur par les parties situées dans la zone de pénétration. Mais il en résulterait un ralentissement considérable du chauffage et on pourrait courir le risque du surchauffage des zones périphériques.
Le dessin montre deux exemples d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 représente en coupe verticale un premier mode d'exécution d'un four de fusion.
La fig. 2 en est une vue en plan.
La fig. 3 montre en coupe verticale un deuxième
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mode d'exécution sous la forme d'un four de recuit.
La fig. 4 en est une vue en plan.
Le four à induction sans fer pour la fusion, d'après les figs. 1 et 2, comporte un foyer de fusion 1 ayant la forme d'un cylindre creux. Celui-ci est formé par le revêtement réfractaire 5 de l'enroulement primaire 3 et par un cylindre plein 4, monté à l'intérieur du foyer de fusion et centrés aur l'axe de celui-ci.
La hauteur de ce cylindre plein est égale à celle de l'enroulement primaire. La cavité du cylindre creux constitue la chambre destinée à recevoir le bain.
Grâce au mode de construction simple du foyer de fusion, les autres parties du four sont également largement simplifiées. La partie supérieure du foyer de fusion 1 se raccorde au compartiment collecteur superposé 2, destiné à recevoir le métal en fusion. L'enroulement primaire 3 se trouve en dehors du foyer de fusion 1 et peut être connecté à un réseau de fréquence normale ou plus élevée ce qui est rendu possible par un choix: convenable des dimensions et, dans ce cas, on peut renoncer au noyau de fer du transformateur. Le foyer de fusion 1, avec son équipement électriaue, constitue donc un four à induction sans fer.
Grâce au fait que le nouveau four fonctionne comme four à induction, sans fer, les mouvements à l'intérieur du bain de fusion, produits par l'effet réciproque entre le courant de l'enroulement et le courant
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dans le noyau, sont tellement puissants qu'il est nécessaire de les amortir partiellement. Ces mouvements du metal dans le bain de fusion ne sont pas nuisibles mais, au contraire, souhaitables pour le brassage de la matière en fusion et pour la mise en oeuvre de réactions métallurgiques. La forme du nouveau four tient compte de ce fait, état donné que le foyer de fusion se raccorde vers le haut au compartiment collecteur pour le métal en fusion.
Grâce à la pression hydrostatique du bain de métal, les forces électriques libérées peuvent être maintenues en équilibre, de sorte que la surface du bain métallique reste presque calme.
Les figs. 3 et 4montrent le même four pour l'application comme four de recuit ou de réchauffage.
Le foyer de réchauffage 1 a encore la forme d'un corps creux constitué par le revêtement réfractaire 5 de l'enroulement primaire 3 et le noyau 4.
La section du foyer de fusion ou de recuit peut être choisie circulaire, comme décrit, mais elle peut également être de forme ovale ou rectangulaire.
D'autre part, au lieu d'être disposé verticalement, ce foyer peut également être disposé obliquement ou horizontalement. Enfin, on peut assembler plusieurs foyers de fusion ou de recuit.
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Metallwerke A.G., in Dornach (Switzerland). for the invention entitled: Induction furnace without iron for melting and annealing of metals and alloys, forming the subject of a patent application filed in Switzerland on March 25, 1944.
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The present invention relates to an electric melting and annealing furnace for metals and alloys of all kinds, in which the electric current is converted into heat by induction in the mass to be heated. Until now, several electric induction furnaces have been known operating on the same principle but mainly used for melting. These ovens have drawbacks.
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In the vertical ring induction furnace used today almost universally in factories for melting metals, the furnace melting point is formed by a channel of great length and very small section. This fusion channel represents the secondary winding of a shorted transformer. The transmission of energy from the primary network to the mass to be melted is effected by a usual primary winding comprising an iron core and acting as a transformer. The furnace is suitable for melting mixed alloys and alloys of light metals, provided these are requested in large quantities.
But it is necessary that the vertical chimney, the contents of which are called the bath, is always full of molten metal, and that this metal is always maintained in a state of fusion in the fusion chimney. This condition must also be fulfilled during service interruptions, therefore even on Sundays and during work breaks, otherwise the oven will become defective and must receive a new interior lining. For start-up, molten metal must be available so that it can be poured into the chimney to form the molten bath, otherwise the furnace cannot be started.
It is immediately seen that a furnace of this kind is only suitable for operation on a large scale, where it is possible to provide special monitoring arrangements,
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and where one is somewhat insured against any power failure. As a particular drawback, one can indicate the dimensions of the molten bath necessary for the furnace and which, for furnaces of average power, reach up to 50% of the weight of the metal discharged.
In the ironless induction furnace according to the present invention, the melting area has the shape of a hollow body formed by the refractory lining of the primary winding and by the cylindrical body of a core. melting furnace, the hearth is preferably surmounted by a collecting compartment for the molten material. The primary winding surrounding the fusion focus can be connected to a normal or higher frequency network.
Compared to known induction furnaces, comprising a vertical ring, this arrangement offers considerable advantages, the melting hearth no longer having the complicated shape of a long and narrow chimney, but the simple shape of a hollow cylinder. It is evident that the new shape of the melting furnace allows very different modes of operation, so that the furnace can be widely used for applications which were heretofore prohibited in the induction furnace, for example the metallurgical treatment of metals and metal residue. In this case it is possible to perform the melting of the metal starting from the solid state without
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that it is necessary to introduce a liquid molten bath beforehand.
The content of the hollow cylinder, which can also be called a "bath", reaches only about 34% of the weight discharged for the case of light metals, so that the heat capacity of the bath is also very low. In addition, and thanks to the shape of the hollow cylinder, the drawback of the vertical ring induction furnace is avoided in which the long and narrow smelting chimney is very quickly clogged with metal oxides, impurities and slag, given that the new shape of the melting chamber does not tend to allow obstructions and that this chamber can be easily cleaned in the event that impurities are deposited on the walls of the melting chamber.
This advantage is all the greater as the oven can be completely emptied for cleaning which, in the case of vertical ovens in operation, is only possible with difficulty. The new iron-free induction furnace is therefore also suitable for melting metals with a strong tendency to oxidize, such as aluminum and its alloys, which can only be melted with difficulty in the furnace. vertical ring induction, the fusion chimney being already blocked by oxides after a few hours of operation.
In the vertical ring furnace these difficulties are so great that several devices have been created for cleaning the smelting chimney which, despite this,
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do not ensure flawless operation.
The properly constructed hollow body furnace heating hearth can also be used for annealing and reheating metals for subsequent hot forming operations. It is known that, in the induction heating mode described, the current penetrates only into the surface parts of the mass to be heated and that is converted there into heat. The depth of penetration of the current into the mass to be heated depends on its physical properties and the operating frequency of the installation. The hotplate in the form of a hollow body therefore makes it possible to fully concentrate the heat on the mass to be heated and thus to provide rapid heating in the future.
The material inside the penetration depth could only be heated by the transmission of heat from the parts located in the penetration zone. But this would result in a considerable slowing down of the heating and one could run the risk of overheating of the peripheral zones.
The drawing shows two exemplary embodiments of the object of the invention.
Fig. 1 shows in vertical section a first embodiment of a melting furnace.
Fig. 2 is a plan view.
Fig. 3 shows in vertical section a second
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embodiment in the form of an annealing furnace.
Fig. 4 is a plan view.
The induction furnace without iron for melting, according to figs. 1 and 2, comprises a melting point 1 having the shape of a hollow cylinder. This is formed by the refractory lining 5 of the primary winding 3 and by a solid cylinder 4, mounted inside the melting point and centered on the axis thereof.
The height of this solid cylinder is equal to that of the primary winding. The cavity of the hollow cylinder constitutes the chamber intended to receive the bath.
Thanks to the simple construction of the melting furnace, the other parts of the furnace are also greatly simplified. The upper part of the melting chamber 1 connects to the superimposed collector compartment 2, intended to receive the molten metal. The primary winding 3 is located outside the melting point 1 and can be connected to a network of normal or higher frequency which is made possible by a choice: suitable of dimensions and, in this case, the core can be dispensed with transformer iron. The melting chamber 1, with its electrical equipment, therefore constitutes an induction furnace without iron.
Thanks to the fact that the new furnace works as an induction furnace, without iron, the movements inside the molten bath, produced by the reciprocal effect between the winding current and the current
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in the nucleus, are so powerful that it is necessary to partially dampen them. These movements of the metal in the molten pool are not harmful but, on the contrary, desirable for the stirring of the molten material and for the implementation of metallurgical reactions. The shape of the new furnace takes this into account, as the melting furnace connects upwards to the collecting compartment for the molten metal.
Thanks to the hydrostatic pressure of the metal bath, the released electrical forces can be kept in balance, so that the surface of the metal bath remains almost calm.
Figs. 3 and 4 show the same furnace for application as an annealing or reheating furnace.
The heating hearth 1 also has the shape of a hollow body formed by the refractory lining 5 of the primary winding 3 and the core 4.
The section of the melting or annealing hearth can be chosen to be circular, as described, but it can also be oval or rectangular in shape.
On the other hand, instead of being arranged vertically, this fireplace can also be arranged obliquely or horizontally. Finally, several melting or annealing centers can be assembled.