Procédé de chauffage d'une billette par induction La présente invention a pour objet un procédé de chauffage d'une billette par induction, permet tant d'obtenir une température qui soit uniforme sur toute la section de la billette, de manière à permettre par exemple le forgeage ou l'extrusion de celle-ci.
Dans le chauffage par induction d'une billette, il est connu que l'effet thermique est produit très rapidement dans une pellicule extérieure relativement mince de la couche superficielle de la billette et que la chaleur produite dans cette pellicule doit s'écouler par conduction vers le centre de la masse qui, dans les billettes cylindriques utilisées ordinaire ment pour l'extrusion, est l'axe longitudinal de la billette.
Cet écoulement de chaleur par conduction est, par nature, plus lent que la production de chaleur dans. la couche superficielle et, en conséquence, la chaleur tend à se concentrer dans la couche exté rieure. Cette concentration entraîne une augmenta tion de la température superficielle qui atteint une valeur telle que la surface de la billette est sur chauffée et rendue semi-plastique et trop tendre, à moins de prendre des mesures considérables pour permettre à la chaleur de s'écouler de la surface au centre à une vitesse en rapport avec la production.
En outre, des températures trop élevées de la cou che superficielle peuvent entraîner une oxydation excessive, un écaillement, une modification de la structure du grain ou même un changement de com position chimique dans le cas de billettes en alliages métalliques. Pour des alliages d'aluminium à haute résistance, par exemple, la surchauffe de la surface détruit complètement la billette métallique, de sorte que les billettes doivent être éliminées. Ces billettes pèsent souvent deux tonnes ou plus, de sorte que la perte d'une seule billette présente une grande impor tance économique.
On rencontre un certain nombre de problèmes annexes quand on essaie de chauffer une billette par induction pendant un temps limité et à une tempéra ture de forgeage ou d'extrusion qui soit uniforme sur toute la section de la bille.
Un des buts de l'invention est de fournir un pro cédé pour chauffer une billette par induction à une température uniforme dans un minimum de temps, qui assure à la fois la protection de la surface vis- à-vis d'un chauffage excessif et une vitesse maximum d'échauffement du centre de la billette.
Le procédé faisant l'objet de l'invention, dans lequel on chauffe la zone superficielle de manière à amener cette zone et la zone centrale de la billette à une même température moyenne finale, compre nant un chauffage initial continu produisant entre les deux zones une différence de température qui dispa- rait par la suite, est caractérisé en ce qu'on porte d'abord la zone superficielle à une température supé rieure à ladite température moyenne, et on produit ensuite, par réglage du courant d'excitation de la bobine d'induction, une succession de périodes de chauffage alternant avec des périodes pendant les quelles le chauffage est interrompu,
cela pendant au moins deux intervalles de temps successifs distincts, la température maximum périodiquement atteinte pendant le deuxième intervalle de temps étant infé rieure à la température maximum atteinte pendant le premier intervalle de temps, le passage du premier intervalle au second se faisant au moment où la tem- pérature <I>de la</I> zone centrale atteint une valeur dé- terminée.
En pratique, on mesure la température superfi cielle en engageant l'extrémité de la billette avec un thermocouple, mais il n'est pas pratique d'engager la surface de l'extrémité de la billette exactement avec le thermocouple. Par ailleurs, bien qu'on puisse le faire, il n'est pas désirable d'engager la surface cir- conférentielle extérieure avec le thermocouple. En conséquence, la température superficielle est mesu rée à une légère distance de la surface.
C'est la température ainsi mesurée à une faible distance de la surface qu'on appelle ici la température super ficielle . Un facteur de correction peut être utilisé dans le réglage de l'appareil pour tenir compte de toute légère différence entre la température super ficielle réelle et la température superficielle mesurée par le thermocouple extérieur, mais ce n'est généra lement pas nécessaire. Ordinairement, la température superficielle est mesurée à moins de 25 mm de la surface périphérique.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un diagramme explicatif et un appareil pour la mise en azuvre du procédé selon l'invention.
La fig. 1 représente le diagramme.
La fig. 2 est une vue schématique de cet appareil. Le diagramme représenté à la fig. 1 donne en ordonnées les températures exprimées en degrés C, en fonction du temps indiqué en minutes et porté en abscisses. On suppose que la billette envisagée doit présenter une température moyenne de 4570 C, comme indiqué par la ligne 1 du graphique, et que la température atteinte par la surface de la billette est d'environ 4820 C.
La température de la couche superficielle de la billette est indiquée par la ligne 2, et la température du centre de la masse de la billette par la ligne 3.
On voit que la température de la couche super ficielle s'élève rapidement et pratiquement linéaire- ment en fonction du temps de chauffage pendant le chauffage initial de la billette et que, en un temps court, cette température s'élèverait à une valeur très supérieure à la valeur requise si la quantité de cha leur engendrée à la surface de la billette n'était pas diminuée. En quelques minutes, la différence de tem pérature entre la couche superficielle et le centre de la billette est d'environ 112 C,
après quoi cette dif férence reste pratiquement constante jusqu'à ce que la température de la surface atteigne environ 4821, C et celle du centre environ 3700 C.
A ce moment commence une succession de pé riodes de chauffage alternant avec des périodes pen dant lesquelles le chauffage est interrompu, obtenue par enclenchement et déclenchement de l'enroule ment d'induction, le courant fourni à l'enroulement étant coupé et restant coupé jusqu'à ce que la tem pérature à la surface tombe à environ 8o C au-des sous de 4820 C. Le courant est alors à nouveau ap- pliqué jusqu'à ce que la température superficielle s'élève à 4820 C.
Puis le courant est coupé et on laisse de nouveau tomber la température superficielle de 80 C. Cette succession de périodes de chauffage indiquée par la ligne 2, se poursuit jusqu'à ce que la différence initiale de 112o C entre la surface et le centre de la billette ait diminué, par exemple suffi samment pour qu'une différence de température d'environ 280 C existe entre la surface et le centre. On laisse ensuite tomber la température à la surface jusqu'à un nouveau maximum inférieur à 4820 C, par exemple de 4650 C environ.
On continuera la succes sion des périodes de chauffage, la coupure se pro duisant à cette nouvelle température superficielle maximum et le courant étant enclenché à environ 4600 C jusqu'à ce que la différence entre la tempé rature moyenne désirée et la température du centre de la billette approche étroitement de zéro.
Il faut noter que pendant cette dernière succession de pé riodes de chauffage, la température à la surface de la billette tombe à une valeur plus proche de la tem pérature moyenne désirée et que la température du centre s'élève à une valeur plus proche de cette tem pérature moyenne, de sorte que lorsque la tempé rature du centre atteint la température moyenne dési rée, il n'y a pas d'excès de chaleur à la surface ten dant à élever la température de la billette au-dessus de la température moyenne.
De cette manière, la section transversale de la billette est amenée à une température pratiquement de 457 C sur toute son étendue, avec une tolérance d'un léger excès de tem pérature près de la surface pour compenser les pertes par radiation pendant le transfert de la billette du four à la presse.
Une fois la billette amenée à cette température uniforme, la succession de périodes de chauffage peut être continuée pour fournir juste assez de cha leur à la surface pour compenser la perte par radia tion et maintenir la billette à la température uniforme pratiquement constante désirée jusqu'à ce que la bil- lette soit prête à l'emploi.
Une telle succession de périodes de chauffage permet le maintien de la billette à la température moyenne désirée, assure une commande beaucoup plus précise et permet un chauffage sûr dans un temps beaucoup plus court qu'avec un procédé connu.
Les temps de chauffage utilisés dans l'exemple envisagé et indiqués à la fig. 1 correspondent à une billette en alliage d'aluminium d'un diamètre de 50 cm environ.
Pour des billettes d'un plus grand diamètre, la durée du chauffage intermittent, de la manière décrite, est encore plus importante par suite du temps beaucoup plus considérable nécessité pour le chauffage des grandes billettes. Le temps de chauf fage augmente approximativement comme le carré du diamètre. Les avantages du présent procédé sur les procédés connus augmentent quand le diamètre de la billette augmente.
Les billettes ont fréquemment une longueur de 50 à 200 cm, mais à part le fait que la perte par radiation aux extrémités est la même pour les billettes longues et courtes, ce qui réduit par con séquent la perte par radiation proportionnelle à la surface totale pour une billette longue comparati vement à une billette courte, la longueur de la bil- lette ne joue pas de rôle et n'est limitée que par la longueur des enroulements utilisables.
La fig. 2 montre schématiquement une vue d'un appareil utilisé pour la mise en oeuvre de ce procédé. On peut utiliser un four d'induction de type connu.
La température de la zone centrale de la billette peut être mesurée à l'extrémité de la billette au moyen d'un thermocouple disposé sur un arrêt pour la billette situé à l'extrémité de l'enroulement, de manière que lorsque l'enroulement est excité, la bil- lette soit poussée contre le thermocouple. Comme les billettes sont coupées aux longueurs désirées à la scie et que les extrémités sciées sont brillantes et exemptes d'oxydes, un bon contact est assuré avec le thermocouple.
On utilise deux dispositifs de détection de tem pérature. Ils peuvent être constitués par des thermo- couples, l'un étant susceptible d'être engagé avec l'extrémité avant de la billette, au niveau de l'axe de celle-ci ou à proximité, et l'autre étant susceptible d'être engagé avec la billette à sa surface circonfé- rentielle ou à proximité, et de préférence à l'extrémité avant de la billette qui est l'extrémité la plus faci lement accessible. Les deux thermocouples peuvent être montés, par exemple, sur l'arrêt pour la billette. L'appareil comprend un enroulement d'induction 5 dans lequel est supportée la billette 6.
Un organe d'arrêt amovible 7 supporte deux dispositifs détec teurs représentés sous forme de thermocouples 8 et 9. Le thermocouple 8 est agencé pour coopérer avec l'extrémité de la billette au centre ou près du centre de celle-ci, et le thermocouple 9 est agencé pour coopérer avec l'extrémité de la billette près de sa surface circonférentielle. Le thermocouple 8 est con necté par des conducteurs 14 à des bornes 16 d'un amplificateur 17 constituant une partie d'un organe de commande de différence de température qui sera décrit plus loin. Le thermocouple 9 est connecté par des conducteurs 18 à des bornes 20 de l'amplifica teur 17.
Il est également connecté par des conduc teurs 22 à des bornes 24 d'un amplificateur 25 cons tituant une partie d'un organe de commande de tem pérature qui est ainsi sensible à la température à la surface extérieure de la billette 6.
L'organe de commande de différence de tem pérature comprend, outre l'amplificateur 17, deux relais électromagnétiques 28 et 29 présentant des enroulements d'excitation 28w et 29w et des con tacts 28a et 29a respectivement. Les relais 28 et 29 son alimentés à partir de l'amplificateur 17 comme indiqué, la sortie de l'amplificateur 17 étant sensible à la différence de température entre les thermo- couples 8 et 9.
L'organe de commande de température com prend, outre l'amplificateur 25, des relais électro- magnétiques 31, 32, 33 et 34 présentant des enrou lements. d'excitation 31w, 32w, 33w, 34:w et des contacts 31a, 32a, 33a et 34a respectivement. Le relais 34 comprend aussi un contact 34b. Les relais 31, 32, 33, 34 sont alimentés à partir de l'ampli ficateur 25 comme représenté, la sortie de l'ampli ficateur 25 étant sensible à la température du thermo couple 9 de surface.
Le contact 28a est fermé quand la différence de température entre les thermocouples 8 et 9 est infé rieure à une valeur basse- déterminée et ouvert quand la différence de température est supérieure à cette valeur. Le contact 29a est ouvert quand la différence de température entre les thermocouples est inférieure à une valeur basse déterminée et fermé quand cette différence de température est supérieure à cette valeur.
Les contacts 31a, 32a, 33a et 34a sont fermés pour une basse température à la surface de la billette 6 mesurée par le thermocouple 9 et ouverts sélec tivement à des températures supérieures. Par exem ple, le contact 31a est ouvert au-dessus de 4820 C, le contact 32a au-dessus de 474o C, le contact 33a au-dessus de 4650 C et le contact<I>34a</I> au-dessus: de 460() C. Quand le contact 34a s'ouvre, le contact 34b se ferme et vice versa.
L'organe de commande de température est sen sible à la température à la surface de la billette 6 mesurée par le thermocouple 9 et l'organe de com mande de différence de température est sensible à la différence entre la température à la surface et au centre de la billette mesurée par les thermo- couples 8 et 9. Ces organes de commande des deux types sont bien connus, de sorte que les amplifica- teurs. 17 et 25 et les organes associés n'ont pas besoin d'être décrits en détail.
Les deux organes de commande sont agencés de manière à maintenir des domaines de température déterminés différents à la surface de la billette 6, sélectivement et successivement, et pour empêcher le dépassement d'une température de sécurité maximum à la surface de la billette. Les limites des domaines de température s'abaissent successivement pour as surer une différence de température finale minimum entre la surface et le centre de la billette 6.
Dans ce but, les relais 29 à 34 sont agencés pour com mander un contacteur électromagnétique 35 présen tant un enroulement d'excitation 35w, un contact principal 35a normalement ouvert, et des contacts auxiliaires 35b et 35e normalement ouverts. Le con tact 35a est disposé d'un côté d'un circuit d'alimen tation 36 conduisant d'une source de puissance 38 à l'enroulement 5. Un relais électromagnétique 39, présentant un enroulement d'excitation 39w, un con tact normalement ouvert 39a et un contact norma lement fermé 39b, commande aussi le contacteur 35 et est commandé lui-même par le relais 29.
Les temps de fonctionnement des contacts 39a et 39b sont destinés à se chevaucher lors du fonctionnement du relais, de la manière connue, le contact 39a se fermant toujours avant que le contact 39b s'ouvre et vice versa.
Envisageons maintenant le fonctionnement du dispositif de commande. Les thermocouples sont dans la position indiquée, la billette 6 est froide, et un interrupteur de commande 40 est ouvert. Tous les contacts sont dans les positions respectives repré sentées à la fig. 2. La fermeture de l'interrupteur 40 établit un circuit à partir d'une source, qui peut être la source 38 comme représenté si celle-ci est à basse fréquence ou qui peut être une source séparée à courant alternatif ou continu, à travers un conduc teur 41, les contacts 34a, 33a et 39b, l'enroulement 35w et un conducteur 42 conduisant à l'autre pâle de la source.
En fonctionnant, le contacteur 35 ferme le contact 35a pour établir le circuit d'alimentation 36 à l'enroulement 5, et ferme les contacts 35b et 35c pour établir des circuits de dérivation respectifs autour des contacts 32a et 34a.
La billette 6, lors de l'excitation de l'enroule ment 5, commence à chauffer et il s'établit un gra dient de température entre le centre et la surface de la billette. Quand la différence de température entre les thermocouples 8 et 9 atteint une valeur basse déterminée, le contact 28a s'ouvre, mais il ne se passe rien puisque le contact 34b est ouvert. Quand la différence de température atteint une valeur plus élevée, le relais 29 ferme son contact 29a, établis sant un circuit d'excitation à partir du conducteur 41 et à travers l'enroulement 39w et le conducteur 42. Le contact 39a se ferme alors, et sa fermeture est suivie par l'ouverture du contact 39b.
L'ouverture du contact 39b n'entraîne pas la désexcitation de l'enroulement 35w parce que la fermeture antérieure du contact 39a établit un second circuit d'excita tion pour l'enroulement 35w à travers le contact 32a, en parallèle avec le contact 35b, et à travers le contact 31a.
Quand la température à la surface de la billette 6, mesurée par le thermocouple 9, atteint une tem pérature élevée déterminée, par exemple 4740 C dans l'exemple envisagé, le contact 32a s'ouvre. Cet ins tant est indiqué par le point 44 à la fig. 1. L'ou verture du contact 32a est sans effet à ce moment parce que le contact 35b est fermé. Quand la tem pérature superficielle atteint une température de sé curité maximum, 4820 C dans l'exemple choisi, le contact 31a s'ouvre et produit la désexcitation de l'enroulement 35w.
Le contact 35a s'ouvre par con séquent pour interrompre le circuit de l'enroulement 5, et le chauffage cesse. Ce fonctionnement du relais 31 est indiqué par le point 45 à la fig. 1.
La température à la surface de la billette 6 com mence maintenant à décroître, mais la température au centre de la billette continue à s'élever, comme on le voit à la fig. 1. En un court instant, le con tact 31a se ferme à nouveau, mais le contacteur 35 ne fonctionne pas parce que les contacts 35b et 32a sont ouverts.
Quand la température superficielle est réduite à 4740 C, le contact 32a se referme. Comme le contact 31a est maintenant fermé, l'enroulement 35w est à nouveau excité et le contacteur 35 ferme son contact 35a, de sorte que le chauffage est à nouveau appliqué à la billette 6. Cette opération est indiquée par le point 46 à la fig. 1. Le contacteur 35 s'excite et se désexcite ensuite de la même ma nière par le fonctionnement périodique des relais 31 et 32 jusqu'à ce que la différence de température entre la surface et le centre de la billette soit réduite à environ<B>280</B> C.
Quand la différence de température atteint ap proximativement<B>280</B> C, le relais 29 ouvre son con tact 29a, après quoi le relais 39 ouvre son contact 39a et ferme son contact 39b. L'ouverture du contact 39a empêche une nouvelle commande du contacteur 35 par les relais 31 et 32 et transfère sa commande aux relais 33 et 34. Ce changement de condition est indiqué par une partie 48 de la courbe 2 de la fig. 1.
Comme les relais 34 et 33 ouvrent leur contact respectif 34a ou 33a quand la température superfi cielle atteint 460 et 4650 C respectivement, aucun circuit n'est établi pour l'enroulement 35w, l'enrou lement 5 est désexcité et la température superficielle continue à tomber comme le montre la partie 48 de la courbe 2. Si le relais 39 fonctionne quand le con tact 32a est fermé, le contacteur 35 est désexcité et le chauffage cesse, tandis que si le relais 39 fonc tionne quand le contact 32a est ouvert, le contacteur 3 5 reste ouvert.
Quand la température superficielle atteint 465,1 C, le contact 33a se ferme, et quand cette température atteint 4600 C, le contact 34a se ferme. Dès que le contact 34a est fermé, avec le contact 33a fermé, le circuit pour l'enroulement 35w à travers le contact 39b est établi et le contacteur 35 fonctionne à nou veau pour produire l'excitation de l'enroulement 5. Cette fermeture du contact 34a est indiquée par le point 49 de la fig. 1.
La température superficielle de la billette 6 s'élève maintenant jusqu'à atteindre 465p C, après quoi le contact 33a s'ouvre pour produire l'ouverture du contacteur 35. Le cycle atteint maintenant le point' 50 de la fig. 1. La température superficielle com mence à tomber à nouveau. Le contacteur 35 con tinue à s'exciter et à se désexciter pour maintenir la température superficielle entre 460 et 465p C.
La température au centre de la billette continue à s'élever cependant, pour réduire encore la diffé rence de température. Quand une différence de tem pérature minimum déterminée est atteinte, le relais 28 fonctionne pour fermer son contact 28a. Si le contact 34b est fermé à ce moment, un circuit est établi à partir du conducteur 41 vers le conducteur 42 à travers les contacts 28a et 34b pour alimenter un mécanisme d'éjection 51 qui expulse la billette 6 hors de l'enroulement 5 de la manière connue. Si le contact 34b était ouvert quand le contact 28a se ferme, le fonctionnement du mécanisme 51 serait retardé jusqu'à ce que le contact 34b se ferme.
S'il existe un retard quelconque dans la prépara tion de la presse destinée à recevoir la billette après chauffage, le circuit pour le mécanisme d'éjection peut être ouvert manuellement de manière à éviter son fonctionnement jusqu'au moment désiré. Quel que soit ce retard, la billette peut être maintenue à la température voulue sur toute sa section trans versale pendant le temps nécessaire, ce maintien de la billette à la température requise étant accompli par des périodes de chauffage successives à faible diffé rence de température.
Comme précaution supplémentaire, on utilise des moyens de commande de la différence de tempéra ture maximum sensibles aux deux thermocouples. Ces moyens comprennent un relais 52 présentant un enroulement d'excitation 52w et un contact 52a nor malement fermé en série avec l'enroulement 35w du contacteur principal 35. L'enroulement 52w est connecté par l'intermédiaire de l'amplificateur 17 aux thermocouples et fonctionne pour une diffé rence de température maximum déterminée qui, lors qu'elle est atteinte, entraîne l'ouverture du contact <I>52a, ce</I> qui désexcite l'enroulement 35w et assure l'ouverture du contact 35a pour déconnecter l'en roulement 5 de la source de courant.
L'appareil décrit peut être réglé pour différentes valeurs des sommets et des creux du graphique de température afin de permettre un grand nombre de chauffages différents, selon le type, la dimension, la forme de la section droite et la composition de la billette.
Le procédé et l'appareil décrits permettent de chauffer non seulement des billettes d'aluminium ou d'alliages d'aluminium, mais aussi des billettes de métaux et d'alliages ferreux, de titane, de cupro- nickel, de laiton et, en fait, des billettes pratique ment de n'importe quelle composition métallique. Les avantages du procédé et de l'appareil sont particu lièrement nets dans le cas de billettes métalliques d'une faible conductibilité thermique.
En outre, le procédé et l'appareil décrits con viennent pour chauffer des billettes de sections trans versales non circulaires, par exemple elliptiques, hexagonales, rectangulaires ou carrées. Dans le cas d'une billette de section non circulaire, le thermo- couple extérieur, quand il est engagé avec la billette, est placé en contact avec l'extrémité de la billette près de la surface extérieure dans une position, à la périphérie de la billette, qui est proche de l'extré mité du plus grand axe de la section transversale.
Par exemple, s'il s'agit d'une billette de section rec tangulaire, le thermocouple extérieur 9 est placé près de la face de la billette la plus éloignée de l'axe lon gitudinal de la billette, c'est-à-dire près du petit côté du rectangle.
Avec le procédé et l'appareil décrits, le temps nécessaire pour amener une billette à une tempéra ture pratiquement uniforme sur toute sa section trans versale est très inférieur au temps requis par les pro cédés et les appareils connus, un gain de temps de 25% étant courant. Plus, le diamètre de la billette ou plus le grand axe de sa section est grand, plus le gain de temps est considérable. En conséquence, le procédé et l'appareil décrits permettent d'augmenter la production.
Die plus, une fois. la billette amenée à la tempé rature voulue par le procédé et l'appareil décrits, elle peut être maintenue à cette température pendant une période indéfinie, sans surchauffe et sans refroi dissement. Il en résulte qu'une billette une fois chauf fée reste disponible pour une opération à la presse quel que soit le retard dans cette opération. Ainsi, un tel retard n'a pas grande importance.
Le procédé et l'appareil décrits permettent un chauffage initial rapide, la succession de périodes de chauffage entre deux températures sensiblement dif férentes jusqu'à ce que la billette soit approximati vement à la température désirée, puis une succession de périodes de chauffage entre deux températures très voisines jusqu'à l'emploi de la billette.
Le procédé et l'appareil décrits conviennent par ticulièrement pour un chauffage par induction de billettes de grand diamètre, avec un courant à basse fréquence, de 60 cycles/sec par exemple.
Method for heating a billet by induction The present invention relates to a method for heating a billet by induction, so that a temperature is obtained which is uniform over the entire section of the billet, so as to allow for example forging or extrusion thereof.
In the induction heating of a billet, it is known that the thermal effect is produced very rapidly in a relatively thin outer film of the surface layer of the billet and that the heat produced in this film must flow by conduction towards the center of mass which, in cylindrical billets ordinarily used for extrusion, is the longitudinal axis of the billet.
This conduction heat flow is inherently slower than the heat generation in. the surface layer and, therefore, heat tends to concentrate in the outer layer. This concentration results in an increase in the surface temperature which reaches a value such that the surface of the billet is overheated and made semi-plastic and too soft, unless considerable measures are taken to allow the heat to drain away. the surface in the center at a speed commensurate with production.
In addition, excessively high surface layer temperatures can lead to excessive oxidation, spalling, change in grain structure or even change in chemical composition in the case of metal alloy billets. For high strength aluminum alloys, for example, overheating the surface completely destroys the metal billet, so the billets have to be removed. These billets often weigh two tons or more, so the loss of a single billet is of great economic importance.
A number of related problems are encountered when attempting to heat a billet by induction for a limited time and at a forging or extrusion temperature which is uniform over the entire section of the ball.
One of the objects of the invention is to provide a process for heating a billet by induction to a uniform temperature in a minimum of time, which provides both protection of the surface against excessive heating and a maximum heating rate of the center of the billet.
The method forming the subject of the invention, in which the surface zone is heated so as to bring this zone and the central zone of the billet to the same final average temperature, comprising a continuous initial heating producing between the two zones a difference in temperature which subsequently disappears is characterized in that first the surface zone is brought to a temperature above said average temperature, and then produced, by adjusting the excitation current of the coil induction, a succession of heating periods alternating with periods during which the heating is interrupted,
this for at least two distinct successive time intervals, the maximum temperature periodically reached during the second time interval being lower than the maximum temperature reached during the first time interval, the passage from the first interval to the second taking place at the moment when the The temperature <I> of the </I> central zone reaches a defined value.
In practice, the surface temperature is measured by engaging the end of the billet with a thermocouple, but it is impractical to engage the surface of the end of the billet exactly with the thermocouple. On the other hand, although it can be done, it is not desirable to engage the outer circumferential surface with the thermocouple. Accordingly, the surface temperature is measured at a slight distance from the surface.
It is the temperature thus measured at a small distance from the surface that is called here the surface temperature. A correction factor can be used in setting the device to take into account any slight difference between the actual surface temperature and the surface temperature measured by the outside thermocouple, but this is usually not necessary. Usually, the surface temperature is measured within 25mm of the peripheral surface.
The appended drawing represents, by way of example, an explanatory diagram and an apparatus for carrying out the process according to the invention.
Fig. 1 represents the diagram.
Fig. 2 is a schematic view of this device. The diagram shown in fig. 1 gives the temperatures expressed in degrees C on the ordinate, as a function of the time indicated in minutes and plotted on the abscissa. It is assumed that the intended billet should have an average temperature of 4570 C, as indicated by line 1 of the graph, and that the temperature reached by the surface of the billet is approximately 4820 C.
The temperature of the surface layer of the billet is indicated by line 2, and the temperature of the center of mass of the billet is indicated by line 3.
It can be seen that the temperature of the surface layer rises rapidly and practically linearly as a function of the heating time during the initial heating of the billet and that, in a short time, this temperature would rise to a much higher value. to the required value if the quantity of heat generated on the surface of the billet was not reduced. In a few minutes, the temperature difference between the surface layer and the center of the billet is about 112 C,
after which this dif ference remains practically constant until the temperature of the surface reaches about 4821 ° C and that of the center reaches about 3700 ° C.
At this moment begins a succession of heating periods alternating with periods during which the heating is interrupted, obtained by switching on and off the induction winding, the current supplied to the winding being cut and remaining cut until 'until the temperature at the surface drops to about 8 ° C below 4820 C. The current is then applied again until the surface temperature rises to 4820 C.
Then the current is cut off and the surface temperature of 80 C. is again allowed to drop. This succession of heating periods indicated by line 2 continues until the initial difference of 112o C between the surface and the center of the billet has decreased, for example enough so that a temperature difference of about 280 ° C. exists between the surface and the center. The temperature at the surface is then allowed to drop to a new maximum below 4820 C, for example approximately 4650 C.
The succession of heating periods will continue, the cut-off occurring at this new maximum surface temperature and the current being switched on at about 4600 C until the difference between the desired average temperature and the temperature of the center of the billet is closely approaching zero.
It should be noted that during this last succession of heating periods, the temperature at the surface of the billet falls to a value closer to the desired average temperature and that the temperature of the center rises to a value closer to this value. average temperature, so that when the core temperature reaches the desired average temperature, there is no excess heat at the surface tending to raise the temperature of the billet above the average temperature .
In this way, the cross section of the billet is brought to a temperature of substantially 457 ° C over its entire extent, with a tolerance for a slight excess of temperature near the surface to compensate for radiation losses during transfer of the material. billet from the oven to the press.
Once the billet has been brought to this uniform temperature, the succession of heating periods can be continued to provide just enough heat to the surface to compensate for the radiation loss and maintain the billet at the desired nearly constant uniform temperature until that the bil- lette is ready for use.
Such a succession of heating periods allows the billet to be maintained at the desired average temperature, provides much more precise control and allows safe heating in a much shorter time than with a known method.
The heating times used in the example considered and shown in fig. 1 correspond to an aluminum alloy billet with a diameter of about 50 cm.
For billets of a larger diameter, the duration of the intermittent heating, as described, is even longer due to the much longer time required for heating the large billets. The heating time increases approximately as the square of the diameter. The advantages of the present process over the known processes increase as the diameter of the billet increases.
The billets are frequently 50-200 cm long, but apart from the fact that the radiation loss at the ends is the same for long and short billets, which consequently reduces the radiation loss proportional to the total area for a long billet Compared to a short billet, the length of the billet is irrelevant and is limited only by the length of the windings that can be used.
Fig. 2 schematically shows a view of an apparatus used for the implementation of this method. It is possible to use an induction furnace of known type.
The temperature of the central zone of the billet can be measured at the end of the billet by means of a thermocouple disposed on a stop for the billet located at the end of the winding, so that when the winding is when energized, the ball is pushed against the thermocouple. As the billets are saw cut to desired lengths and the sawn ends are shiny and free of oxides, good contact is ensured with the thermocouple.
Two temperature detection devices are used. They can be formed by thermocouples, one being capable of being engaged with the front end of the billet, at or near the axis of the latter, and the other being capable of be engaged with the billet at or near its circumferential surface, and preferably at the leading end of the billet which is the most easily accessible end. Both thermocouples can be mounted, for example, on the stop for the billet. The apparatus comprises an induction coil 5 in which the billet 6 is supported.
A removable stopper 7 supports two detector devices shown in the form of thermocouples 8 and 9. The thermocouple 8 is arranged to cooperate with the end of the billet at or near the center thereof, and the thermocouple 9 is arranged to cooperate with the end of the billet near its circumferential surface. The thermocouple 8 is connected by conductors 14 to terminals 16 of an amplifier 17 constituting a part of a temperature difference controller which will be described later. Thermocouple 9 is connected by conductors 18 to terminals 20 of amplifier 17.
It is also connected by conductors 22 to terminals 24 of an amplifier 25 constituting a part of a temperature control member which is thus sensitive to the temperature at the outer surface of the billet 6.
The temperature difference controller comprises, besides the amplifier 17, two electromagnetic relays 28 and 29 having excitation windings 28w and 29w and contacts 28a and 29a respectively. Relays 28 and 29 are powered from amplifier 17 as indicated, the output of amplifier 17 being sensitive to the temperature difference between thermocouples 8 and 9.
The temperature controller comprises, in addition to the amplifier 25, electromagnetic relays 31, 32, 33 and 34 having windings. excitation 31w, 32w, 33w, 34: w and contacts 31a, 32a, 33a and 34a respectively. The relay 34 also includes a contact 34b. The relays 31, 32, 33, 34 are supplied from the amplifier 25 as shown, the output of the amplifier 25 being sensitive to the temperature of the thermocouple 9 of the surface.
Contact 28a is closed when the temperature difference between thermocouples 8 and 9 is less than a determined low value and open when the temperature difference is greater than this value. Contact 29a is open when the temperature difference between the thermocouples is less than a determined low value and closed when this temperature difference is greater than this value.
The contacts 31a, 32a, 33a and 34a are closed at a low temperature at the surface of the billet 6 measured by the thermocouple 9 and selectively opened at higher temperatures. For example, contact 31a is open above 4820 C, contact 32a above 474o C, contact 33a above 4650 C and contact <I> 34a </I> above: of 460 () C. When contact 34a opens, contact 34b closes and vice versa.
The temperature controller is sensitive to the temperature at the surface of the billet 6 measured by the thermocouple 9 and the temperature difference controller is sensitive to the difference between the surface temperature and the center temperature. of the billet measured by thermocouples 8 and 9. These two types of actuators are well known, so that amplifiers. 17 and 25 and the associated members do not need to be described in detail.
The two control members are arranged so as to maintain different determined temperature ranges on the surface of the billet 6, selectively and successively, and to prevent the exceeding of a maximum safety temperature at the surface of the billet. The limits of the temperature domains are successively lowered to ensure a minimum final temperature difference between the surface and the center of the billet 6.
For this purpose, the relays 29 to 34 are arranged to control an electromagnetic contactor 35 having an excitation winding 35w, a main contact 35a normally open, and auxiliary contacts 35b and 35e normally open. The contact 35a is disposed on one side of a power supply circuit 36 leading from a power source 38 to the winding 5. An electromagnetic relay 39, having an excitation winding 39w, a contact normally open 39a and a normally closed contact 39b, also controls contactor 35 and is itself controlled by relay 29.
The operating times of the contacts 39a and 39b are intended to overlap during the operation of the relay, in the known manner, the contact 39a always closing before the contact 39b opens and vice versa.
Let us now consider the operation of the control device. The thermocouples are in the position shown, billet 6 is cold, and a control switch 40 is open. All the contacts are in the respective positions shown in fig. 2. Closing switch 40 establishes a circuit from a source, which may be source 38 as shown if this is low frequency or which may be a separate AC or DC source, through a conductor 41, the contacts 34a, 33a and 39b, the winding 35w and a conductor 42 leading to the other pale of the source.
In operation, contactor 35 closes contact 35a to establish supply circuit 36 to winding 5, and closes contacts 35b and 35c to establish respective branch circuits around contacts 32a and 34a.
The billet 6, when energizing the coil 5, begins to heat up and a temperature gradient is established between the center and the surface of the billet. When the temperature difference between thermocouples 8 and 9 reaches a determined low value, contact 28a opens, but nothing happens since contact 34b is open. When the temperature difference reaches a higher value, the relay 29 closes its contact 29a, establishing an excitation circuit from the conductor 41 and through the winding 39w and the conductor 42. The contact 39a then closes, and its closing is followed by the opening of contact 39b.
The opening of the contact 39b does not cause the de-energization of the winding 35w because the previous closing of the contact 39a establishes a second energizing circuit for the winding 35w through the contact 32a, in parallel with the contact 35b , and through contact 31a.
When the temperature at the surface of the billet 6, measured by the thermocouple 9, reaches a determined high temperature, for example 4740 ° C. in the example considered, the contact 32a opens. This insert is indicated by point 44 in fig. 1. Opening contact 32a has no effect at this time because contact 35b is closed. When the surface temperature reaches a maximum safety temperature, 4820 C in the example chosen, the contact 31a opens and produces the de-energization of the winding 35w.
The contact 35a opens consequently to interrupt the circuit of the winding 5, and the heating ceases. This operation of relay 31 is indicated by point 45 in fig. 1.
The temperature at the surface of the billet 6 now begins to decrease, but the temperature at the center of the billet continues to rise, as seen in FIG. 1. In a short time, the contact 31a closes again, but the contactor 35 does not work because the contacts 35b and 32a are open.
When the surface temperature is reduced to 4740 C, contact 32a closes. As contact 31a is now closed, winding 35w is energized again and contactor 35 closes its contact 35a, so that heating is again applied to billet 6. This operation is indicated by point 46 in fig. . 1. Contactor 35 then energizes and de-energizes in the same manner by periodically operating relays 31 and 32 until the temperature difference between the surface and the center of the billet is reduced to approximately <B > 280 </B> C.
When the temperature difference reaches approximately <B> 280 </B> C, relay 29 opens its contact 29a, after which relay 39 opens its contact 39a and closes its contact 39b. The opening of the contact 39a prevents a new control of the contactor 35 by the relays 31 and 32 and transfers its control to the relays 33 and 34. This change of condition is indicated by part 48 of the curve 2 of FIG. 1.
As the relays 34 and 33 open their respective contacts 34a or 33a when the surface temperature reaches 460 and 4650 C respectively, no circuit is established for the 35w winding, the winding 5 is de-energized and the surface temperature continues at fall as shown in part 48 of curve 2. If relay 39 operates when contact 32a is closed, contactor 35 is de-energized and heating ceases, while if relay 39 operates when contact 32a is open, contactor 3 5 remains open.
When the surface temperature reaches 465.1 C, the contact 33a closes, and when this temperature reaches 4600 C, the contact 34a closes. As soon as the contact 34a is closed, with the contact 33a closed, the circuit for the winding 35w through the contact 39b is established and the contactor 35 operates again to produce the energization of the winding 5. This closing of the contact 34a is indicated by point 49 in fig. 1.
The surface temperature of the billet 6 now rises until reaching 465p C, after which the contact 33a opens to produce the opening of the contactor 35. The cycle now reaches point '50 of FIG. 1. The surface temperature begins to drop again. Contactor 35 continues to energize and de-energize to maintain the surface temperature between 460 and 465p C.
The temperature in the center of the billet continues to rise, however, to further reduce the temperature difference. When a determined minimum temperature difference is reached, relay 28 operates to close its contact 28a. If contact 34b is closed at this time, a circuit is made from conductor 41 to conductor 42 through contacts 28a and 34b to power an ejection mechanism 51 which expels billet 6 out of coil 5 of the known way. If contact 34b were open when contact 28a closes, operation of mechanism 51 would be delayed until contact 34b closes.
If there is any delay in the preparation of the press for receiving the billet after heating, the circuit for the ejection mechanism can be opened manually so as to prevent its operation until the desired time. Whatever the delay, the billet can be maintained at the desired temperature over its entire cross section for the time required, this maintenance of the billet at the required temperature being accomplished by successive heating periods at a small temperature difference.
As an additional precaution, means for controlling the maximum temperature difference sensitive to the two thermocouples are used. These means comprise a relay 52 having an excitation winding 52w and a contact 52a normally closed in series with the winding 35w of the main contactor 35. The winding 52w is connected via the amplifier 17 to the thermocouples and operates for a determined maximum temperature difference which, when reached, causes the opening of the contact <I> 52a, this </I> which de-energizes the winding 35w and ensures the opening of the contact 35a to disconnect the bearing 5 of the current source.
The apparatus described can be set for different values of the peaks and valleys of the temperature graph to allow for a large number of different heaters, depending on the type, size, shape of the cross section and the composition of the billet.
The disclosed method and apparatus enables not only billets of aluminum or aluminum alloys to be heated, but also billets of ferrous metals and alloys, titanium, copper-nickel, brass and, in addition, of ferrous metals and alloys. in fact, billets of practically any metallic composition. The advantages of the method and of the apparatus are particularly clear in the case of metal billets of low thermal conductivity.
Further, the disclosed method and apparatus are suitable for heating billets of non-circular cross sections, for example elliptical, hexagonal, rectangular or square. In the case of a billet of non-circular section, the outer thermocouple, when engaged with the billet, is placed in contact with the end of the billet near the outer surface in a position at the periphery of the billet, which is near the end of the longest axis of the cross section.
For example, if it is a billet of tangular rec section, the outer thermocouple 9 is placed near the face of the billet furthest from the longitudinal longitudinal axis of the billet, that is to say say near the short side of the rectangle.
With the method and apparatus described, the time required to bring a billet to a substantially uniform temperature over its entire cross section is much less than the time required by known methods and apparatus, a time saving of 25%. being current. The larger the diameter of the billet or the greater the major axis of its section, the greater the time saving. Accordingly, the disclosed method and apparatus enables production to be increased.
Die more, once. the billet brought to the desired temperature by the method and apparatus described, it can be maintained at this temperature for an indefinite period, without overheating and without cooling. As a result, a billet once heated remains available for a press operation regardless of the delay in this operation. Thus, such a delay does not matter much.
The disclosed method and apparatus allow rapid initial heating, the succession of heating periods between two substantially different temperatures until the billet is approximately at the desired temperature, then a succession of heating periods between two temperatures. very similar until the use of the billet.
The method and apparatus described are particularly suitable for induction heating of large diameter billets, with a low frequency current, of 60 cycles / sec for example.