Procédé pour le chauffage électrique d'une matière métallique et dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé Les fours pour chauffage à induction, sans circuit magnétique fermé, sont bien connus dans la technique. La fig. 1 du dessin annexé représente schématiquement un four de ce type.
La matière à chauffer 1 est disposée à l'in térieur d'une bobine inductrice 2. Cette der nière est habituellement constituée par des en roulements de tubes de cuivre refroidis par circulation d'eau. Celle-ci est effectuée au moyen de tubulures 3 et 4 ; elle a notamment pour but de maintenir la bobine 2 à basse tem pérature et par conséquent de réduire au mi nimum les pertes d'énergie par résistance du fait des courants qui la traversent.
Entre la matière chauffée et la bobine est placée une enveloppe calorifuge 5 destinée à éviter la propagation de la chaleur à partir de la matière vers la bobine et l'extérieur.
La source de courant électrique d'aUmen- tation est représentée en 6. La fréquence du courant alternatif nécessaire est fixée comme connu suivant les dimensions de la matière à chauffer, sa résistivité, etc.
Comme on le sait, le rendement en énergie d'un tel four dépend essentiellement du rap port de la résistance électrique de la bobine 2 à la résistance de la matière 1 rapportée à l'alimentation électrique primaire, l'énergie per due et cédée au fluide de refroidissement de la bobine étant d'autant plus grande que la charge secondaire est elle-même plus conduc trice de l'électricité.
En outre, le facteur de puissance de l'en semble vis-à-vis de la source 6 est d'autant plus faible que le rapport de la section intérieure de la bobine à la section extérieure de la matière chauffée est plus grand.
Bien entendu, dans le cas de fusion des métaux il est nécessaire de ménager un espace suffisant entre la bobine 2 et la matière 1 pour constituer une enceinte réfractaire à l'aide d'un creuset étanche, en un matériau dont le point de fusion est obligatoirement supérieur à celui de la matière traitée. Cette disposition qui tend à augmenter le rapport de la section intérieure de la bobine à la section extérieure de la matière provoque en même temps une diminution du facteur de puissance vis-à-vis de la source d'alimentation.
Le but de la présente invention est d'amé liorer le rendement d'ensemble de dispositifs de ce genre et de diminuer en outre le coût de l'installation des dispositifs de chauffage à in- duction établis pour le chauffage des métaux à des températures inférieures à leur point de fusion.
Linvention a pour objet un procédé pour le chauffage électrique d'une matière métalli que, dans lequel on utilise au moins une bobine alimentée en courant alternatif. Ce procédé est caractérisé en ce qu'on assure le chauffage de ladite matière par rayonnement, en utilisant ladite bobine comme résistor, et par induction, sous l'effet des courants induits dans la masse de la matière.
Les avantages obtenus grâce à ce procédé sont notamment les suivants On utilise, pour le chauffage de la matière, tout au moins de façon partielle, l'énergie dé veloppée par effet Joule dans la bobine, alors que dans les dispositifs connus, cette énergie est complètement évacuée à l'extérieur.
Le facteur de puissance est augmenté car à la résistance apparente correspondant aux courants induits développés dans la matière à traiter s'ajoute la résistance propre de la bo bine, laquelle peut être choisie de valeur assez élevée. Une autre cause d'amélioration du facteur de puissance provient du couplage étroit que l'on peut réaliser entre la bobine et la matière à traiter, l'espace prévu, dans les dispositifs connus, pour assurer le calorifugeage étant supprimé, ou tout au moins très réduit.
L'invention comprend également un dispo sitif pour la mise en oeuvre du procédé ci- dessus, caractérisé en ce que la bobine est constituée à partir d'une barre de section plei ne en un métal dont le point de fusion est supérieur à la température à atteindre pour le traitement de la matière susdite.
On a représenté sur la fig. .2 du dessin an nexé un schéma d'une forme d'exécution du dispositif faisant l'objet de l'invention.
Une bobine 7 ou enroulement primaire, reliée en 8 et 9 à une source d'énergie 10 est constituée en une section pleine d'un métal dont le point de fusion est supérieur à la tem pérature à atteindre pour le traitement d'une matière 11. Ce métal est choisi de façon que sa résistivité permette le développement d'une puissance notable pour la fréquence et l'inten sité fournies par la source 10 du courant alter natif d'alimentation.
Afin de permettre une bonne transmission par rayonnement de la chaleur produite par la bobine 7 vers la matière à chauffer 11, le couplage électrique entre cette dernière et la bobine est aussi étroit que possible, c'est-à-dire que l'espace ménagé entre la matière et la bo bine formant primaire du transformateur est aussi réduit que le permettent les conditions de l'isolement électrique à ménager entre primaire et secondaire. Dans le but de réduire les pertes calorifi ques de l'ensemble, on prévoit une enveloppe calorifuge 12 à l'extérieur de la bobine 7. Cette enveloppe peut éventuellement être munie d'un moyen de refroidissement externe (par eau, air, etc.), mais il ne s'agit plus alors d'une condition essentielle de bon fonctionnement du dispositif comme dans ceux qui sont connus et rappelés ci-dessus.
Il est possible de faire varier la réparti tion des énergies transmises par rayonnement ou par induction depuis la bobine primaire vers la matière en choisissant soit la résistivité du métal constituant le primaire, soit la forme de la bobine en variant sa section, soit encore en combinant les deux moyens.
Le dispositif étant, en général, constitué par plusieurs bobines de chauffage dans les quelles les pièces traitées viennent successive ment défiler, on peut donc, en faisant varier la forme et/ou la résistivité des conducteurs constituant le primaire, donner une influence prépondérante à l'un ou à l'autre des modes de transmission d'énergie considérés.
Par exemple, s'il s'agit de chauffage de billettes de cuivre, on peut, dans une première zone où en raison de sa température, ce métal n'a qu'une faible résistivité, donner la prépon dérance à la transmission d'énergie par rayon nement en utilisant un primaire de grande ré sistance électrique et, lors de la fin du traite- ment, vers 800 - 900 C, utiliser des bobines d'une meilleure conductibilité pour donner alors la prépondérance à la transmission d'éner gie par induction. Dans le même sens il est évidemment possible au cours du cycle d'uti liser d'abord, dans la zone de basse tempéra ture, un dispositif selon la fig. 2 puis de re venir au montage habituel (fig. 1) vers la fin du traitement.
Sans constituer une limitation, on peut sou ligner que le procédé décrit est d'autant plus intéressant que la matière à chauffer a une conductibilité électrique élevée (cuivre, alumi nium, etc.) aux températures ambiantes nor males des ateliers.
A titre d'exemple, on peut utiliser pour la constitution des bobines primaires des métaux tels que le nickel ou ses alliages, les alliages de fer-chrome et d'une façon générale des mé taux présentant à la fois une résistivité assez élevée et une bonne tenue à l'oxydation dans la zone de température considérée.
Dans le schéma de la fig. 2, l'alimentation est supposée obtenue au moyen d'une source 10 monophasée, mais il est évident que l'on pourrait utiliser un réseau polyphasé alimen tant une ou plusieurs bobines 7 sur chacune des phases de façon à assurer un bon équili brage de l'énergie absorbée sur l'ensemble du réseau d'alimentation.
Quant à la fréquence de courant utilisée, elle est en général déterminée par les dimen sions et la résistance propre de la matière à chauffer suivant les règles bien connues appli cables à tout chauffage électrique par induc tion. On peut remarquer, cependant, que le fait de transmettre une part plus ou moins grande d'énergie par rayonnement à partir de la bobine permet dans beaucoup de cas, d'ef fectuer directement les raccordements à la fré quence normale du réseau (50 Hz, par exem ple) même si la transmission par induction seule semblait requérir une périodicité plus élevée.
Entre la source d'énergie et le dispositif de chauffage, l'adaptation des tensions et l'équi- librage des phases peuvent être assurés par des transformateurs à tensions réglables sui vant les dispositions connues avec éventuelle ment adjonction de bobines de self et de con densateurs.
Eventuellement, la compensation d'énergie réactive des bobines peut, s'il y a lieu, être as surée par montage en parallèle d'une batterie de condensateurs ; il faut noter également que grâce au dispositif décrit, la batterie de con densateurs nécessaire se trouve considérable ment plus réduite que dans le cas d'équipe ments du type connu.
Method for electrically heating a metallic material and device for carrying out this method Furnaces for induction heating, without a closed magnetic circuit, are well known in the art. Fig. 1 of the accompanying drawing schematically shows an oven of this type.
The material to be heated 1 is placed inside an induction coil 2. The latter is usually formed by bearings of copper tubes cooled by circulating water. This is carried out by means of tubes 3 and 4; its particular purpose is to keep the coil 2 at low temperature and consequently to reduce to a minimum the energy losses by resistance due to the currents which pass through it.
Between the heated material and the coil is placed a heat insulating jacket 5 intended to prevent the propagation of heat from the material to the coil and outside.
The power source for boosting is shown at 6. The frequency of the alternating current required is fixed as known according to the dimensions of the material to be heated, its resistivity, etc.
As is known, the energy yield of such a furnace depends essentially on the ratio of the electrical resistance of the coil 2 to the resistance of the material 1 related to the primary electrical supply, the energy lost and transferred to the the cooling fluid of the coil being all the greater as the secondary load itself conducts more electricity.
In addition, the power factor of the whole vis-à-vis the source 6 is all the lower as the ratio of the inner section of the coil to the outer section of the heated material is greater.
Of course, in the case of melting metals, it is necessary to provide sufficient space between the coil 2 and the material 1 to constitute a refractory enclosure using a sealed crucible, in a material whose melting point is necessarily higher than that of the treated material. This arrangement which tends to increase the ratio of the internal section of the coil to the external section of the material causes at the same time a reduction in the power factor with respect to the power source.
The object of the present invention is to improve the overall efficiency of such devices and further decrease the cost of installing the induction heaters established for heating metals to lower temperatures. at their melting point.
The invention relates to a method for electrically heating a metallic material, in which at least one coil supplied with alternating current is used. This method is characterized in that heating of said material is ensured by radiation, using said coil as a resistor, and by induction, under the effect of the currents induced in the mass of the material.
The advantages obtained by virtue of this process are in particular the following: For heating the material, at least partially, the energy developed by the Joule effect in the coil is used, whereas in the known devices, this energy is completely evacuated to the outside.
The power factor is increased because to the apparent resistance corresponding to the induced currents developed in the material to be treated is added the own resistance of the coil, which can be chosen to be of fairly high value. Another cause of improvement in the power factor comes from the close coupling that can be achieved between the coil and the material to be treated, the space provided, in the known devices, for providing the thermal insulation being eliminated, or at least very reduced.
The invention also comprises a device for carrying out the above method, characterized in that the coil is formed from a bar of solid section made of a metal whose melting point is greater than the temperature. to be achieved for the treatment of the aforesaid material.
There is shown in FIG. .2 of the appended drawing a diagram of an embodiment of the device forming the subject of the invention.
A coil 7 or primary winding, connected at 8 and 9 to a source of energy 10 consists of a solid section of a metal whose melting point is higher than the temperature to be reached for the treatment of a material 11 This metal is chosen so that its resistivity allows the development of a significant power for the frequency and the intensity supplied by the source 10 of the native alternating current supply.
In order to allow good transmission by radiation of the heat produced by the coil 7 towards the material to be heated 11, the electrical coupling between the latter and the coil is as tight as possible, that is to say that the space provided between the material and the coil forming the primary of the transformer is as small as allow the conditions of the electrical insulation to be provided between primary and secondary. In order to reduce the heat losses of the assembly, a heat-insulating casing 12 is provided on the outside of the coil 7. This casing may optionally be provided with an external cooling means (by water, air, etc.). ), but it is then no longer an essential condition for the proper functioning of the device as in those which are known and recalled above.
It is possible to vary the distribution of the energies transmitted by radiation or by induction from the primary coil towards the material by choosing either the resistivity of the metal constituting the primary, or the shape of the coil by varying its section, or even by combining both ways.
The device being, in general, constituted by several heating coils in which the treated parts come successively scrolling, it is therefore possible, by varying the shape and / or the resistivity of the conductors constituting the primary, to give a predominant influence to the 'one or the other of the modes of energy transmission considered.
For example, if it is a question of heating copper billets, it is possible, in a first zone where due to its temperature, this metal has only a low resistivity, give the preponderance to the transmission of energy by radiation using a primary of high electrical resistance and, at the end of the treatment, at around 800 - 900 C, use coils of better conductivity in order to give then the preponderance to the transmission of energy by induction. In the same sense, it is obviously possible during the cycle to first use, in the low temperature zone, a device according to FIG. 2 then come back to the usual setup (fig. 1) towards the end of the treatment.
Without constituting a limitation, it can be emphasized that the method described is all the more advantageous as the material to be heated has a high electrical conductivity (copper, aluminum, etc.) at normal ambient temperatures in workshops.
By way of example, it is possible to use for the constitution of the primary coils metals such as nickel or its alloys, iron-chromium alloys and in general metals having both a fairly high resistivity and a good resistance to oxidation in the temperature zone considered.
In the diagram of fig. 2, the power supply is assumed to be obtained by means of a single-phase source 10, but it is obvious that one could use a polyphase network supplying one or more coils 7 on each of the phases so as to ensure a good balance of the energy absorbed over the entire supply network.
As for the current frequency used, it is generally determined by the dimensions and the inherent resistance of the material to be heated according to the well-known rules applicable to any electric heating by induction. We can notice, however, that the fact of transmitting a more or less large part of energy by radiation from the coil allows in many cases, to make the connections directly at the normal frequency of the network (50 Hz , for example) even though transmission by induction alone seemed to require a higher periodicity.
Between the energy source and the heating device, the adaptation of the voltages and the balancing of the phases can be ensured by transformers with adjustable voltages following the known arrangements with possible addition of choke coils and con. densators.
Optionally, the reactive energy compensation of the coils can, if necessary, be ensured by connecting a capacitor bank in parallel; it should also be noted that by virtue of the device described, the battery of capacitors required is considerably smaller than in the case of equipment of the known type.