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.