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PROCEDE DE CHAUFFAGE PAR INDUCTION.
(ayant fait t'objet d'une demande de brevet déposée en France le 21 janvier 1953 - déclaration de la déposante @
La présente invention se réfère au chauffage par induction de matières magnétiques jusqu'à des températures supérieures au point de disparition du magnétisme, communément appelé "point de Curie".
L'invention consiste à utiliser successivement deux sources de courant ; la première à faible fréquence pour le chauffage jusqu'au voisinage du point de Curie de la matière chauffée par induction, et la seconde à fréquence plus élevée pour porter ensuite la dite matière aux températures supérieures au point de Curie.
Ce procédé permet d'obtenir des avantages importants, tant en ce qui concerne la réduction des frais de première installation que l'amélioration du rendement, par rapport au procédé connu suivant lequel on utilise uniquement une source à fréquence élevée pour l'alimentation de l'inducteur pendant toute la période de chauffage.
On rappellera que l'utilisation d'une fréquence élevée pour le chauffage d'une matière ferro-magnétique au-dessus du point de Curie est indispensable et cela pour les raisons suivantes-.-
Ainsi qu'il est connu, la pénétration des courants Induits dans une matière ferro-magnétique s'effectue dans une couche d'épaisseur équivalente à #, donnée par la formule :
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dans laquelle : # = résistivité de la matière croissant avec la
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température; = perméabilité magnétique de la matière, décroissant jusqu'à
1 (point de Curie) lorsque la température croit; f = fréquence d'alimentation de la bobine inductrice.
On sait également que l'obtention d'un bon rendement énergétique exige un rapport minimum entre les dimensions de la substance et la fréquence du courant à utiliser. Il est nécessaire par exemple, dans le cas d'une pièce circulaire, que son diamètre ait une valeur suffisamment grande par rapport à la valeur #, ainsi calculée.
Pour les substances ferro-magnétiques, lorsque la température atteinte en cours du traitement dépasse le point de Curie, la pénétration du courant prend la valeur :
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la perméabilité étant devenue égale à l'unité et ayant augmenté en fonction de l'élévation de température.
Etant donné les valeurs de perméabilité dans les alliages ferromagnétiques tels que fer, nickel, etc... il résulte immédiatement de l'examen des deux expressions ci-dessus que l'obtention d'un bon rendement nécessitant ainsi que déjà mentionné, un rapport minimum entre la dimension de la pièce et l'épaisseur de la couche de pénétration exigera des fréquences beaucoup plus élevées, si l'on désire chauffer la pièce à une température supérieure à celle du point de Curie que si on la chauffe à une température inférieure.
D'où la technique habituelle qui consiste à utiliser pour toute l'opération de chauffage une alimentation à fréquence élevée.
Conformément à l'invention, la première source d'alimentation, à fréquence réduite à l'inducteur jusqu'au voisinage du point de Curie de la matière traitée peut, dans la plupart des cas, correspondre à la fréquence normale des réseaux de distribution (50 ou 60 Hz). Au-delà du,point de Curie ou d'une température voisine de ce point, le chauffage est poursuivi avec une seconde source de courant électrique à fréquence plus élevée (par exemple 250 à 3. 000 Hz) jusqu'à l'obtention de la température limite voulue.
A titre d'exemple, si l'on considère que des billetttes d'acier cylindriques, d'un diamètre de 10 centimètres environ, doivent être chauffées pour des opérations de forgeage jusqu'à une température de l'ordre de 1200 C., une première phase du traitement est effectuée à la fréquence normale jusqu'à environ 650-700 C. et une seconde phase à une fréquence de l'ordre de 1.000 Hz jusqu'à 1200 G environ.
Avec le procédé habituel, pour porter en une heure une tonne de ces mêmes billettes à une température de forge d'environ 1200 C., il faudrait, tenant compte des pertes électriques et thermiques, employer un générateur de courant haute fréquence d'une puissance d'environ 400 kW à une périodicité de 1. 000 Hz environ. Par conséquent, pour chauffer une tonne d'acier à l'heure et à 1200 G., la consommation d'énergie électrique serait d'environ 400 kWh à la tonne.
Avec le procédé suivant l'invention mis en oeuvre pour la réalisation du même traitement, on utilise tout d'abord une source à 50 Hz jusqu'à une température de 650-7000C. environ, puis pour la zone de 650-700 à 1200 C. un générateur à une fréquence élevée de l'ordre, par exemple, de 1.000 Hz.
Les consommations respectives à partir de ces sources sont de l'ordre de 180- 200 kWh par tonne sur le réseau à la fréquence normale et 180 kWh par tonne sur l'alimentation à fréquece élevée.
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Cet exemple fait bien ressortir l'économie procurée par le procédé suivant l'invention puisque la puissance du groupe convertisseur servant à l'alimentation à fréquence élevée n'est plus que de 180 kW par tonne au lieu d'être de 400 kW par tonne si l'on utilise le procédé habituel. La puissance de ce groupe se trouve donc réduite dans de fortes proportions, ce qui entraine une réduction des frais de premier établissement ainsi que des frais d'entretien.
En outre le procédé suivant l'invention permet d'améliorer le rendement total en supprimant les pertes de transformation du courant entre la. fréquence normale et la fréquence élevée pour une forte partie de l'énergie consommée celle qui correspond au chauffage jusqu'au point de Curie.
Le procédé suivant l'invention peut être utilisé en marche continue ou discontinue. Il peut être mis en oeuvre au moyen de tout dispositif d'inductance et de transformateur tels que ceux déjà connus dans la technique et convenablement adapté aux puissances et tensions haute et basse fréquence employées. C'est donc seulement pour souligner les possibilités du procédé proposé qu'on indique ci-dessous, sans limitation, quelques exemples ; a) une même bobine cylindrique inductrice pour chauffage de billettes d'acier de section circulaire est reliée successivement à deux sources de courant, l'une à la fréquence du réseau, l'autre à la fréquence élevée; la bobine inductrice est établie en conséquence avec interposition de transformateurs et condensateurs appropriés de façon à assurer la résonance des circuits dans les deux cas d'alimentation.
Un dispositif automatique à contrôle thermique ou à temps provoque successivement le raccordement de la bobine inductrice à l'alimentation à fréquence normale jusqu'aux températures de 600 à 700 C., puis à l'alimentation à fréquence élevée pour un chauffage ultérieur à température plus élevée.
Avec ce dispositif, le groupe convertisseur n'est pas utilisé pendant tout le temps que la bobine inductrice est reliée à la source de courant à fréquence normale. b) pour utiliser le groupe convertisseur d'une manière pratiquement continue et, par conséquent, pour agumenter considérablement sa production horaire en billettes traitées, on peut employer soit une paire, soit plusieurs paires de bobines inductrices alimentées successivement avec du courant à fréquence normale, puis avec du courant à fréquence plus élevée;
l'une des bobines de chaque paire étant alimentée avec du courant de fréquence normale pour chauffer son chargement de billettes jusqu'aux températures de 600 à 700 G. pendant que l'autre bobine qui contient des billettes qui ont déjà été portées à ces températures par un chauffage à fréquence normale est reliée au groupe convertisseur à fréquence plus élevée,les billettes restant dans la même bobine pendant les deux phases successives du traitement auquel elles sont soumises suivant l'invention.
c) Dans une variante du mode d'exécution de ce traitement (b), les deux bobines sont disposées à la suite l'une de l'autre (en tandem), mais, dans ce cas, la première reçoit exclusivement du courant de fréquence normale tandis que la seconde est alimentée uniquement avec du courant de fréquence plus élevée et les billettes sont introduites dans la première, puis transférées dans la seconde et écartées de celle-ci au moyen d'un dispositif de commande hydraulique, mécanique ou électrique, ce dernier dispositif pouvant lui-même être commandé soit par un contrôle pyrométrique, soit simplement par un relais à temps.
Cette commande est habituellement discontinue de façon qu'après une durée de séjour suffisante dans le premier inducteur à fréquence normale, les pièces soient poussées automatiquement dans le second, puis remplacées par de nouvelles pièces froides dans le premier.
Les puissances appliquées et les longueurs des inducteurs correspondants peuvent être réparties en fonction de l'énergie à transmettre à partir de chacune des sources d'énergie. d) Au lieu du déplacement discontinu dans les deux séries d'inducteurs,on peut prévoir un mouvement continu des pièces à chauffer au moyen
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d'appareillages tels que table tournante, transporteur à chaîne. Les bobines inductrices pour chacune des fréquences sont alors constituées sous forme de tunnels permettant le défilement continu des pièces traitées.
Dans tous les cas, les bobines alimentées à partir du réseau général de;distribution à fréquence normale sont réparties en nombre suffisant soit sur un même appareil, soit sur plusieurs appareils similaires branchés en parallèle de façon à assurer un équilibrage convenable des phases.
On peut éventuellement utiliser une troisième source à fréquence plus élevée pour l'alimentation du système inducteur dans le cas de matières ayant un coefficient de variation de résistivité élevé.
REVENDICATIONS.
1. Un procédé de,chauffage par induction de matières magnétiques jusqu'à des températures supérieures au point de disparition du magnétisme (point de Curie), qui consiste à utiliser successivement deux sources de courant pour l'alimentation de l'inducteur la première à faible fréquence pour le chauffage de la matière jusqu'au voisinage du point de Curie, et la seconde à fréquence plus élevée pour porter ensuite la dite matière aux températures supérieures au point de Curie.
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INDUCTION HEATING PROCESS.
(having been the subject of a patent application filed in France on January 21, 1953 - declaration by the applicant @
The present invention relates to the induction heating of magnetic materials to temperatures above the point of disappearance of magnetism, commonly referred to as the "Curie point".
The invention consists in successively using two current sources; the first at low frequency for heating up to the vicinity of the Curie point of the material heated by induction, and the second at higher frequency to then bring the said material to temperatures above the Curie point.
This method makes it possible to obtain important advantages, both as regards the reduction of the costs of the first installation and the improvement of the efficiency, compared to the known method according to which only a high frequency source is used for the supply of the machine. 'inductor throughout the heating period.
It will be recalled that the use of a high frequency for heating a ferro-magnetic material above the Curie point is essential and that for the following reasons --.-
As is known, the penetration of the induced currents in a ferro-magnetic material takes place in a layer of thickness equivalent to #, given by the formula:
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in which: # = resistivity of matter increasing with the
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temperature; = magnetic permeability of matter, decreasing to
1 (Curie point) when the temperature increases; f = supply frequency of the induction coil.
It is also known that obtaining a good energy efficiency requires a minimum ratio between the dimensions of the substance and the frequency of the current to be used. It is necessary for example, in the case of a circular part, that its diameter has a sufficiently large value compared to the value #, thus calculated.
For ferro-magnetic substances, when the temperature reached during the treatment exceeds the Curie point, the current penetration takes the value:
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the permeability having become equal to the unit and having increased according to the rise in temperature.
Given the permeability values in ferromagnetic alloys such as iron, nickel, etc ... it follows immediately from the examination of the two expressions above that obtaining a good yield requiring, as already mentioned, a report minimum between the dimension of the part and the thickness of the penetrating layer will require much higher frequencies, if one wishes to heat the part to a temperature higher than that of the Curie point than if it is heated to a lower temperature .
Hence the usual technique which consists in using a high frequency power supply for the entire heating operation.
According to the invention, the first power source, at a reduced frequency at the inductor up to the vicinity of the Curie point of the material treated can, in most cases, correspond to the normal frequency of the distribution networks ( 50 or 60 Hz). Beyond the Curie point or a temperature close to this point, heating is continued with a second source of electric current at a higher frequency (for example 250 to 3,000 Hz) until reaching the desired limit temperature.
By way of example, if we consider that cylindrical steel billets, with a diameter of about 10 centimeters, must be heated for forging operations up to a temperature of the order of 1200 C., a first phase of the treatment is carried out at the normal frequency up to approximately 650-700 C. and a second phase at a frequency of the order of 1000 Hz up to approximately 1200 G.
With the usual process, to bring a ton of these same billets in one hour to a forging temperature of about 1200 C., it would be necessary, taking into account the electrical and thermal losses, to use a high-frequency current generator of a power of about 400 kW at a periodicity of about 1,000 Hz. Therefore, to heat a ton of steel per hour and at 1200 G., the electrical energy consumption would be around 400 kWh per ton.
With the method according to the invention implemented for carrying out the same treatment, first of all a source at 50 Hz is used up to a temperature of 650-7000C. approximately, then for the zone 650-700 to 1200 C. a generator at a high frequency of the order, for example, of 1000 Hz.
The respective consumption from these sources is of the order of 180-200 kWh per tonne on the network at normal frequency and 180 kWh per tonne on the high frequency supply.
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This example clearly shows the economy provided by the process according to the invention since the power of the converter unit used for the high frequency power supply is no longer than 180 kW per tonne instead of being 400 kW per tonne. if the usual method is used. The power of this group is therefore reduced in large proportions, which leads to a reduction in initial establishment costs as well as maintenance costs.
In addition, the method according to the invention makes it possible to improve the total efficiency by eliminating the transformation losses of the current between the. normal frequency and the high frequency for a large part of the energy consumed that which corresponds to the heating up to the Curie point.
The process according to the invention can be used in continuous or discontinuous operation. It can be implemented by means of any inductor and transformer device such as those already known in the art and suitably adapted to the high and low frequency powers and voltages employed. It is therefore only to underline the possibilities of the proposed process that a few examples are given below, without limitation; a) the same cylindrical inductor coil for heating steel billets of circular section is successively connected to two current sources, one at the network frequency, the other at the high frequency; the inductor coil is set up accordingly with the interposition of appropriate transformers and capacitors so as to ensure the resonance of the circuits in the two supply cases.
An automatic device with thermal or time control successively causes the induction coil to be connected to the power supply at normal frequency up to temperatures from 600 to 700 C., then to the power supply at high frequency for subsequent heating to a higher temperature. high.
With this device, the converter group is not used while the induction coil is connected to the current source at normal frequency. b) to use the converter group in a practically continuous manner and, consequently, to considerably increase its hourly production of treated billets, it is possible to use either a pair or several pairs of inductor coils supplied successively with current at normal frequency, then with current at higher frequency;
one of the coils of each pair being supplied with current of normal frequency to heat its load of billets up to temperatures of 600 to 700 G. while the other coil which contains billets which have already been brought to these temperatures by heating at normal frequency is connected to the converter unit at higher frequency, the billets remaining in the same coil during the two successive phases of the treatment to which they are subjected according to the invention.
c) In a variant of the mode of execution of this treatment (b), the two coils are arranged one after the other (in tandem), but, in this case, the first receives exclusively current from normal frequency while the second is supplied only with current of higher frequency and the billets are introduced into the first, then transferred to the second and separated from it by means of a hydraulic, mechanical or electrical control device, the latter device itself being able to be controlled either by a pyrometric control, or simply by a time relay.
This control is usually discontinuous so that after a sufficient residence time in the first inductor at normal frequency, the parts are automatically pushed into the second, and then replaced by new cold parts in the first.
The powers applied and the lengths of the corresponding inductors can be distributed according to the energy to be transmitted from each of the energy sources. d) Instead of the discontinuous movement in the two series of inductors, it is possible to provide a continuous movement of the parts to be heated by means of
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equipment such as turntable, chain conveyor. The induction coils for each of the frequencies are then formed in the form of tunnels allowing the continuous scrolling of the treated parts.
In all cases, the coils supplied from the general distribution network at normal frequency are distributed in sufficient number either on the same device, or on several similar devices connected in parallel so as to ensure a suitable balancing of the phases.
Optionally, a third higher frequency source can be used for supplying the inductor system in the case of materials having a high coefficient of variation of resistivity.
CLAIMS.
1. A method of induction heating of magnetic materials to temperatures above the point of disappearance of magnetism (Curie point), which consists in successively using two current sources for supplying the inductor the first to low frequency for heating the material to the vicinity of the Curie point, and the second at a higher frequency to then bring said material to temperatures above the Curie point.