CH616610A5 - - Google Patents

Description

La présente invention concerne une poche métallurgique à enceinte métallique fragmentée destinée aux traitements inductifs des métaux et alliages, notamment leur fusion, ou plus généralement leur maintien ou leur montée en température en phase liquide, sous l'action d'un champ magnétique alternatif.

L'évolution des pratiques d'élaborations des métaux, et de l'acier en particulier, vers une métallurgie «hors du four» ou «métallurgie en poche» se heurte pour une grande part au difficile problème du chauffage du métal en poche.

Parmi les solutions envisagées, dont la majorité fait appel à l'énergie électrique, seul le chauffage par induction présente l'avantage de transmettre l'énergie au sein du métal avec un excellent rendement thermique. On peut donc en principe concevoir une bobine d'induction, comparable à celle d'un four à induction de type usuel, dans laquelle vient se placer la poche. Toutefois un problème important demeure: la possibilité d'induire des courants électriques dans le contenu, c'est-à-dire la charge métallique à traiter, sans pour autant surchauffer le contenant, (l'enceinte métallique de la poche) par des courants de Foucault indésirables. On a déjà proposé d'alimenter la bobine d'induction avec un courant de basse fréquence (de 1 à 5 Hz). Cependent, le brassage intense du métal, d'autant plus important que la fréquence est basse, et l'élévation de la température de l'enceinte de la poche limitent les puissances installées, si bien que ce procédé n'est utilisé en fait que pour brasser le métal en poche et qu'il est souvent complété par un autre moyen de chauffage notamment par arc.

Une autre voie consiste, afin de conserver l'avantage d'une alimentation électrique à la fréquence industrielle de l'ordre de 50 Hz, à modifier la technologie de la poche pour la rendre perméable au champ magnétique. Pour ce faire, il est connu de découper l'enceinte métallique de la poche en suffisamment d'éléments, électriquement isolés les uns des autres pour empêcher la circulation de courants de Foucault indésirables tout en assurant à l'ensemble à la fois une tenue mécanique acceptable et une bonne étanchéité à l'égard des fuites éventuelles de métal liquide pouvant résulter par exemple d'une rupture du garnissage réfractaire intérieur.

A cet effet le brevet français 1 509 043 décrit une poche pour traitements inductifs dont l'enceinte métallique, de forme générale cylindrique, est constituée dans la zone de chauffage, par des plaquettes métalliques amagnétiques, assemblées les unes aux autres de manière à former une paroi mécaniquement continue, et isolées électriquement entre elles par un ciment réfractaire injecté dans les interstices continus ménagés entre les plaquettes assemblées.

On retrouve des dispositions sensiblement analogues dans la poche décrite dans le brevet français No. 1 534 905.

Cependant, il reste à craindre que les poches de ce type, de par leur structure métallique très compacte, deviennent à terme inutilisables en raison de leur échauffement dès que la fréquence du courant dépasse 60 Hz ou même, à fréquence industrielle, lors d'opérations de durée prolongée.

Un autre brevet français no. 2 100 553 décrit une poche susceptible de remédier aux inconvénients précités. L'enveloppe est constituée, dans la zone de chauffage, par des éléments métalliques isolés électriquement entre eux de manière à former un circuit électrique ouvert et présentant chacun une faible section par rapport à leur longueur. Plusieurs variantes sont décrites. Certaines ne semblent pas offrir les meilleures garanties de tenue mécanique. D'autres, basées sur l'utilisation, dans la zone de chauffage de tirants métalliques longitudinaux régulièrement distribués autour de la poche et maintenus en place par serrage entre deux brides annulaires, présentent une meilleure tenue mécanique. Mais leur technologie, souvent complexe et délicate, ne facilite guère le remplacement éventuel des pièces défectueuses ou usagées. De plus, la présence dans certains cas, d'éléments métalliques continus sur le pourtour de la poche, laisse craindre un échauffement par courants de Foucault lorsque, comme c'est généralement le cas, on fait usage d'une bobine d'induction dont l'axe se confond avec celui de la poche.

La présente invention a pour but de proposer une poche métallurgique du type précité présentant une technologie de réalisation aisée et donnant satisfaction à la fois sur le plan de l'étanchéité au métal liquide et sur celui de la tenue mécanique, tant lors d'opérations de longue durée à fréquence industrielle que l'opérations plus brèves à des fréquences plus élevées de l'ordre de plusieurs centaines d'Hertz.

A cet effet, la présente invention a pour objet une poche métallurgique, pour les traitements inductifs des métaux, comprenant une enceinte garnie intérieurement par un revêtement réfractaire; cette enceinte, composée d'un fond métallique, d'une virole métallique supérieure et d'une partie latérale intermédiaire reliant le fond à la virole et constituée, dans la zone de chauffage, par des tirants métalliques longitudinaux maintenus en position par serrage entre deux brides métalliques annulaires inférieure et supérieure, solidaires respectivement du fond de poche et de la virole supérieure, et isolée électriquement entre eux par des cales en matériau réfractaire disposées entre les espaces longitudinaux définis entre deux tirants successifs. Cette poche est caractérisée en ce que les tirants sont conformés de manière à ménager entre eux des espaces longitudinaux dont l'épaisseur se rétrécit en traversant l'enceinte de l'intérieur vers l'extérieur de la poche et en ce que lesdits espaces sont occupés par des cales en matériau réfractaire et isolant de l'électricité, et épousant étroitement la forme de leur logement.

Selon une variante préférée, les tirants présentent une section transversale de forme trapézoidale dont la petite base est disposée en regard de l'intérieur de la poche de manière à définir entre eux des espaces dont l'épaisseur se rétrécit progressivement en traversant l'enceinte de l'intérieur vers l'extérieur de la poche.

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Conformément à une variante de l'invention, les tirants sont tubulaires.

Comme on le comprend l'invention consiste dans ses éléments constitutifs essentiels:

— à fragmenter la partie latérale de l'enceinte de la poche en éléments métalliques longitudinaux de préférence régulièrement espacés, et en éléments isolants de l'électricité,

— à agencer les éléments métalliques entre eux de manière à conférer à l'enceinte une structure métallique en forme de cage assurant, dans l'application qui lui est donnée, à la fois une bonne tenue mécanique et une grande perméabilité magnétique puisqu'on n'y retrouve plus, comme c'était le cas dans l'art antérieur, des éléments métalliques orientés horizontalement dans la zone directement en regard de l'inducteur (ou zone de chauffage),

— à combler les «lacunes» de la structure métallique ainsi réalisée par des joints réfractaires isolants de l'électricité, insérés dans les espaces disponibles entre deux éléments métalliques consécutifs.

Enfin la conformation particulière des éléments métalliques longitudinaux, assure à l'enceinte selon l'invention, d'une part un auto-blocage des joints isolants tendant naturellement à être repoussés vers l'extérieur de la poche sous l'effet des fortes contraintes thermiques prévalentes dans la poche, et d'autre part, une étanchéité suffisante de l'enceinte, notamment dans la zone de contact joints-éléments métalliques, de sorte que les fuites de métal liquide hors de la poche ne sont plus à craindre malgré les ruptures éventuelles des briques formant le garnissage réfractaire intérieur. En outre le remplacement des pièces usagées est facilité, en particulier celui des joints isolants qui, après refroidissement de la poche, peuvent être délogés d'entre les éléments métalliques par simple pression vers l'intérieur de la poche.

Un tel avantage, notamment, ne se retrouve pas dans les appareils connus appartenant au même domaine technique ou à un domaine voisin, par exemple dans le four à induction décrit dans le brevet angleis no. 274 008. Dans ce four, en effet, c'est la bobine inductrice qui, disposée entre les tirants et le revêtement réfractaire, constitue l'enceinte assurant le support du réfractaire et l'étanchéité par rapport au métal en fusion. A cette fin, le conducteur de la bobine est resserrée dans sa partie médiane, de manière que deux spires consécutives définissent entre elles un espace annulaire dont la section est de forme lenticulaire bi-convexe, empêchant tout décollement ultérieur du joint isolant qui y est logé.

Même en l'absence de courants de Foucault, le flux calorifique qui se transmet, depuis la charge liquide, au travers du réfractaire, de l'intérieur vers l'extérieur de la poche, provoque un échauffement de l'enceinte. Aussi, afin d'éviter une élévation dangereuse de température lors du traitement in-ductif des métaux, une variante préférée de l'invention préconise de faire usage de tirants tubulaires. L'intérêt d'une telle disposition est triple:

— en premier lieu, elle permet de faire circuler un fluide refroidissant à l'intérieur des tirants, par exemple de l'air;

— en second lieu, elle contribue à diminuer l'intensité des courants de Foucault dans les tirants et ceci d'autant plus qu'il sera possible de réduire l'épaisseur de leur paroi sans nuire à la tenue mécanique de la poche;

— en troisième lieu, elle conduit à faire usage de tirants de meilleure qualité, puisque les tirants creux peuvent être obtenus par étirage, alors que les tirants pleins sont produits par laminage et qu'il faudrait ensuite les forger pour leur conférer une qualité équivalente aux premiers. En outre, ces tirants, qu'ils soient pleins ou creux, présentent, à sections égales, un même moment d'inertie, donc une résistante identique à la flexion comme au flambage.

Un intérêt supplémentaire de cette variante d'exécution est d'ordre économique: en effet les tirants creux, de section trapézoïdale par exemple, peuvent être formées à partir de tubes d'acier inoxydable que l'on trouve couramment dans le commerce. L'outillage nécessaire à la mise en forme est alors fort simple et son coût pourra être très rapidement amorti.

L'invention et les divers avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple en référance aux planches de dessins annexées sur lesquelles:

la figure 1 montre une vue en élévation de l'ensemble d'une poche conforme à l'invention, telle qu'elle se présente lorsqu'elle est placée dans l'entrefer d'une bobine à induction,

la figure 2 représente une coupe verticale partielle d'un tirant montant ses moyens de fixation à la bride de serrage supérieure.

la figure 3 représente une portion de section droite d'une poche ayant des tirants trapézoïdaux conformément à une réalisation préférée de l'invention.

Sur les figures, les mêmes éléments sont indiqués par des références identiques.

Comme on le voit sur la figure 1, la poche est constituée d'une enceinte 1, de forme générale cylindrique et garnie intérieurement d'un revêtement réfractaire non représenté. Cette enceinte se compose d'un fond métallique 2 en forme de cuvette, d'une virole supérieure 3 également métallique et, entre les deux, d'une pluralité de tirants métalliques longitudinaux distribués sur la périphérie. Ces tirants forment un rideau de colonnes régulièrement espacées encerclant le revêtement réfractaire interne. Des cales isolantes et réfractaires 5 occupent les espaces entre deux tirants successifs. En plus des propriétés précitées, ces cales doivent présenter des qualités d'isolant thermique et une bonne résistance aux efforts de compression en raison des phénomènes de dilatation de la structure métallique lors de la mise en service de la poche. On utilise avantageusement à cette fin un matériau commercialisé sous la dénomination «Syndanio» qui se présente sous forme d'aggloméré de pierre minérale et d'amiante en poudre.

Les tirants sont fixés à leurs extrémités à deux brides annulaires plates 6 et 7 respectivement solidaires de la virole supérieure 3 et du fond 2 dont elles constituent les bordures. Leur fixation est assurée par des moyens de serrage référencés en 8 et qui seront décrits plus en détail en référence à la figure 2.

La virole supérieure 3 est munie de deux tourillons latéraux 9 pour permettre les opérations de manutention habituelles. La virole 3 comporte en outre une couronne 18 qui dépasse les limites du volume défini par les tirants, de manière à constituer un organe de support de la poche lors de l'installation de celle-ci dans une cuve de chauffage, cette couronne prenant appui sur le bord de l'ouverture de la cuve, comme le montre par exemple la figure 9 du brevet français no. 2 100 553 déjà cite. Dans l'exemple décrit, on a prévu dans le fond de la poche une busette à tiroir 10 non représentée pour effectuer les opérations de coulée. On a représenté schématiquement, sur la partie gauche de la figure, des moyens de chauffage par induction constitués par un solenoide 11 entourant la poche inséré dans une culasse ferromagnétique annulaire 12. Comme on le voit, la hauteur du solénoïde ne dépasse pas celle des tirants, de sorte que la virole 3, le fond 2, ainsi que leurs brides respectives 6 et 7, se trouvent positionnés à l'extérieur de la zone de chauffage proprement dite, référencée a. L'ensemble de la structure métallique est de préférence en matériau amagnétique, par exemple de l'acier inoxydable amagnétique, de manière à ne pas canaliser les lignes de champ magnétique créées par le

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solénoïde 11 au détriment de la charge à traiter contenue dans la poche. La forme particulière des tirants, constituant l'un des objets de l'invention, ne peut bien entendu apparaître sur cette figure; une description en sera faite en référence à la figure 3.

Conformément à une autre caractéristique (également observable sur la figure 3), les tirants 4 sont tubulaires, de manière à présenter un conduit axial pour permettre la circulation d'un fluide refroidissant qui, pour des raisons de commodité, est généralement un gaz, notamment de l'air. La poche présente à cet effet une conduite annulaire 13 soutenue sous la poche par des attaches 14 solidaires de la bride 8 bordant le fond 2. Une tuyauterie 15 alimente cette conduite en air sous pression; celui-ci est alors distribué dans chaque tirant par autant de raccords 16 piqué sur la conduite 13 et reliant de façon étanche les extrémités inférieures des tirants. Afin de ne pas surcharger la figure, seul quelques raccords 16 ant été représentés. On comprend que la circulation dans les tirants se fait de façon ascendante et l'ar s'échappe à l'atmosphère par des ouvertures 17 ménagées à l'extrémité supérieure des tirants; le détail en sera décrit en rérérence à la figure 2.

L'exemple considéré concerne une poche expérimentale d'une capacité de 7 tonnes environ, présentant un diamètre voisin de 1,50 m.

Les tirants, au nombre de 60, présentent une section voisine de la moitié de celle des espaces longitudinaux 5. Les dimensions de leur section trapézoïdale, telle que décrite en référence à la figure 3 qui suit, sont les suivantes: 2,5 cm pour la petite base, 3,5 cm pour la grande base et 5,5 cm pour la hauteur du trapèze. Leur épaisseur est de 0,8 cm. Le nombre de tirants et leurs sections sont détérminés de manière à maintenir le garnissage réfractaire et supporter mécaniquement le poids de l'ensemble constitué par le fond de poche, le réfractaire et la charge à traiter. A titre indicatif, on rappelle que l'une des fonctions des tirants creux est d'assurer une réduction de l'intensité des courants de Foucault en application des lois bien connues sur les effets de pénétration des ondes électromagnétiques dans les milieux conducteurs, effets plus généralement désignés par les termes «effets de peau». On sait que la profondeur de pénétration dans l'acier inoxydable amagnétique, dont sont constitués les tirants, est de 6 cm environ pour les fréquences industrielles de 50 ou 60 Hz de l'onde incidente, fréquences qui sont celles couramment utilisées pour l'exploitation de la poche conforme à l'invention. On comprend donc que tout tirant tubulaire dont l'épaisseur de paroi est inférieure à 6 cm, et de préférence la plus faible possible, favorise une réduction de ces courants parasites, donc diminue réchauffement.

La figure 2 montre un mode de fixation isostatique des tirants sur la bride annulaire supérieure.

Comme on l'a vu en référence à la figure précédente, la partie supérieure de la poche, situé en dehors de la zone de chauffage a, est constituée par une vitole métallique 3 comportant, à son extrémité inférieure, une bride annulaire plate 6 perforée d'ouvertures 19 pour le passage des extrémités filetées des tirants 4. Ces derniers sont, dans l'exemple décrit, formés d'une seule pièce et leurs extrémités ont été usinées pour leur donner une forme appropriée de manière à pouvoir traverser les ouvertures précitées. La virole supérieure 3 comporte en outre une couronne annulaire 18 plocée au-dessus de la bride 6, et constitue, comme on l'a dit, un moyen de support de la poche, lorsque celle-ci est installée dans une cuve de chauffage à induction, en prenant appui sur les bords de l'ouverture de cette dernière. L'assemblage isostatique des tirants 4 avec la bride 6 est assuré par un écrou de serrage 20 par l'intermédiaire de rondelles d'appui 21 et de joints plats 22. Les orifices 19 de la bride 6 présentent un diamètre légèr-

ment supérieur à celui de l'extrémité des tirants, de manière à permettre l'installation d'un joint 23 du type «canon».

On comprend que la présence des joints 22 et 23 se justifie par les impératifs d'isolation électrique des tirants par rapport à la bride de serrage 6, qui est également métallique. Le choix du matériau constitutif de ces joints sera fait en tenant compte des caractéristiques qu'il doit présenter et qui, en substance, sont similaires à celles définies précédemment à propos des cales insérées entre les tirants (figure 1). En conséquence, un matériau tel que du «Syndanio» fera également très bien l'affaire.

Il est à noter que ces dispositions se retrouvent de façon identique au niveau de la bride inférieure 7 solidaire du fond de la poche 2 et, pour cette raison, n'ont pas été représentées sur cette figure.

Il est à noter également que les tirants 4 sont tubulaires et que leur conduit axial 24 débouche à l'extérieur par l'extrémité de sortie 17.

En se reportant à présent à la figure 3, on constate que, conformément à une réalisation de l'invention, les tirants 4 présentent une section de forme trapézoïdale, la petite base 25 étant du côté de l'intérieur de la poche.

Cette disposition particulière permet de ménager entre deux tirants consécutifs un passage longitudinal, également de forme trapézoïdale, mais dont la position des bases est inversée par rapport à celle des tirants. Il en résulte que la largeur de ces passages (mesurée sur le périmètre de la poche) va en diminuant depuis l'intérieur vers l'extérieur de la poche.

Ces passages, précédemment désignés par «espaces» (ou «lacunes») sont occupés par les cales 5 qui, comme on l'a vu en référence à la figure 1, sont avantageusement confectionnées à partir d'un matériau tel que du «Syndanio». Ces cales peuvent être insérées de force par l'intérieur de la poche ou être montées alternativement avec les tirants lors de la construction de la poche.

Comme on le comprend facilement au vu de la figure, ces cales sont bloquées dans leur logement et ne peuvent être éjectées vers l'extérieur de la poche sous l'effet des pressions internes lors de la mise en service de l'appareil. Par contre,

lors des opérations de réfection, ils peuvent être facilement délogés vers l'intérieur par simple pression contre leur petite base 26. L'enceinte ainsi réalisée présente une continuité mécanique sur tout le pourtour de la poche et sa paroi interne

27 constitue une base d'appui pour les plaquettes ou briques

28 du revêtement réfractaire interne. Une telle disposition améliore la tenue mécanique des briques réfractaires. Toutefois même en cas de rupture de celles-ci sous l'effet des contraintes thermiques et des dilatations qui en résultent, l'étan-chéité de l'enceinte ainsi constituée est suffisante pour que les fuites de métal liquide à l'extérieur de la poche ne soient pas à craindre.

Dans le mode de mise en oeuvre décrit, on a prévu une couche d'amiante 29 entre l'enceinte et les briques réfractaires. Il s'agit d'une protection thermique supplémentaire, souhaitable mais nullement indispensable.

D'autre part, il est clair que le fait que les tirants soient tubulaires, comme le montre la figure 3, n'est nullement limitatif de l'objet de l'invention décrit en référence à cette figure et que les tirants peuvent ici être indifféremment creux ou pleins.

Bien entendu, l'invention ne saurait se limiter aux modes de réalisation décrits. C'est ainsi que doit être considérée comme entrant dans le cadre de la présente invention l'utilisation de tirants métalliques qui, sans être parfaitement trapézoïdaux, présentent néanmoins une conformation telle que les espaces longitudinaux qu'ils définissent entre eux rétrécissent en largeur en traversant l'enceinte vers l'extérieur de la poche. De même, la forme cylindrique de la poche n'est pas

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limitative de l'invention, toute autre forme géométrique, même plus complexe, peut également convenir, dans la mesure où elle demeure tabulaire et où la rigidité mécanique de la structure métallique est assurée dans la zone de chauffage par des tirants longitudinaux.

De même encore, le sens remontant de la circulation du fluide refroidissant dans les tirants n'est nullement une caractéristique indispensable à l'invention. Il n'a été retenu, dans les exemples décrits, qu'en raisons des commodités de la mise en oeuvre. Et on peut fort bien envisager des variantes, certes moins avantageuses et plus encombrantes, mais permettant de réaliser, si on le désire, une circulation descendante du fluide de refroidissement en alimentant les tirants 5 par leur extrémité supérieure. Notamment on peut prévoir des conduits, tels que 16 (fig. 1) piqués sur le canal annulaire 13 et remontant extérieurement le long de la poche. On peut égalemente prévoir par exemple de transférer le canal annulaire 13 au-dessus da la bride de serrage supérieure.

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2 feuilles dessins

Claims (3)

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1. Poche métallurgique destinée à être soumise à l'action de moyens inductifs pour le traitement de métaux, et comprenant une enceinte garnie intérieurement d'un revêtement réfractaire, cette enceinte étant composée d'un fond métallique, d'une virole métallique supérieure et d'une partie latérale intermédiaire reliant le fond à la virole, cette partie latérale étant constituée, au moins dans la zone de chauffage, par des tirants métalliques longitudinaux maintenus à leurs extrémités par serrage sur deux brides annulaires métalliques solidaires respectivement du fond de la poche et de la virole supérieure, caractérisée en ce que les tirants sont conformés de manière à ménager entre eux des espaces longitudinaux dont la largeur se rétrécit en traversant l'enceinte de l'intérieur vers l'extérieur de la poche, et en ce que les dits espaces sont occupés par des cales, en matériau réfractaire et isolant de l'électricité, épousant étroitement la forme de leur logement.

2. Poche selon la revendication 1 caractérisée en ce que les tirants présentent une section transversale de forme trapézoïdale dont la petite base est disposée en regard de l'intérieur de la poche.

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REVENDICATIONS

3. Poche selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les tirants sont tubulaires, et en ce que des moyens sont prévus pour permettre une circulation de fluide refroidissant à l'intérieur des tirants.