EP1155596A1 - Brassage electromagnetique d'un metal en fusion - Google Patents

Brassage electromagnetique d'un metal en fusion

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EP1155596A1
EP1155596A1 EP00907728A EP00907728A EP1155596A1 EP 1155596 A1 EP1155596 A1 EP 1155596A1 EP 00907728 A EP00907728 A EP 00907728A EP 00907728 A EP00907728 A EP 00907728A EP 1155596 A1 EP1155596 A1 EP 1155596A1
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EP
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winding
crucible
container
turn
installation
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EP00907728A
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Roland Ernst
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/34—Arrangements for circulation of melts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/06—Induction heating, i.e. in which the material being heated, or its container or elements embodied therein, form the secondary of a transformer
    • H—ELECTRICITY
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27B14/08—Details peculiar to crucible or pot furnaces
    • F27B14/0806—Charging or discharging devices
    • F27B2014/0812—Continuously charging
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
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    • F27D2099/0015—Induction heating
    • F27D2099/0016—Different magnetic fields, e.g. two coils, different characteristics of the same coil along its length or different parts of the same coil used
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    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/02—Stirring of melted material in melting furnaces

Definitions

  • the present invention relates to installations for the induction treatment of molten metallic materials, such as for example brewing installations, organization of movements, and / or preparation of metallic materials.
  • the invention relates more particularly to such installations using an inductive crucible and among them, the installations in which the crucible is intended, not only to organize the induction mixing of a molten metal, but also to heat it. metal by induction.
  • the invention applies to such inductive crucible installations, whether or not continuous casting installations.
  • FIG. 1 schematically represents a conventional installation for producing a metallic material by induction from a cold inductive crucible.
  • Such an installation comprises a crucible 1 cooled, for example, by circulation of water inside its wall, and intended to contain the material to be melted.
  • a crucible 1 cooled, for example, by circulation of water inside its wall, and intended to contain the material to be melted.
  • FIG. 1 the constituent details of the walls of the crucible have not been shown for the sake of clarity.
  • the means for circulating the coolant in the thickness of the walls have not been illustrated.
  • An inductor generally a coil 2 surrounds the crucible 1 and is connected, by its two ends, to the terminals of a generator 3 of single-phase alternating voltage.
  • a capacitor C is connected in parallel to the generator 3, that is to say at the terminals of the coil 2.
  • the metallic material to be melted in the crucible is introduced into it, for example, in the form of chips m.
  • these chips m are introduced continuously, generally via a weir 4.
  • the magnetic field caused by the inductor 2 heats the material contained in the crucible 1.
  • the frequency of the alternating excitation current of the inductor 2 depends, in particular, on the diameter of the crucible 1 and on the magnetic resistivity of the material contained in this one.
  • the electrical resistivity of the material and the excitation frequency of the inductor 2 condition the thickness of the electromagnetic skin ( ⁇ ).
  • the desired skin thickness depends on the applications. For example, in the case of an ingot mold, the desired skin thickness is as small as possible while being sufficient not to harm the thermal efficiency due to the cold walls of the crucible.
  • a cold crucible is a sectored crucible, that is to say provided with vertical sectors isolated from each other to avoid looping of the currents induced on the around the crucible.
  • the free surface of the metal bath is in the form of a liquid dome whose profile results from the balance between hydrostatic pressure and electromagnetic pressure from the single-phase inductor 2.
  • a centripetal radial electromagnetic stirring force is thus obtained, which is conducive to the entrainment of the supply chips, on their arrival on the bath, no longer towards the periphery, but at opposite towards the center of the bath where they are immediately ingested and melted.
  • a first problem is linked to the need to have a polyphase induction generator, therefore two voltage generators out of phase with one another.
  • the problem is increased for medium frequency induction generators (of the order of ten kilohertz) for which it is necessary to have an electronic power circuit to make the generator (3, FIG. 1) so as to supply inductor 2 with a current of frequency different from the distribution frequency.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks of conventional installations with an inductive crucible.
  • the invention aims, in particular, to propose a new installation for organizing the stirring of the molten metal bath, at will, in a centripetal direction or in a centrifugal direction.
  • the invention aims to propose a new solution to the problems of induction mixing in containers of molten metal.
  • the present invention also aims to propose a new solution for carrying out a polyphase generation which is economically viable.
  • the invention aims, in particular, to propose a solution which does not require a multiplication of power switches for applications requiring medium frequency induction.
  • the present invention also aims to propose a solution which can be supplied from a single-phase electrical source.
  • the invention further aims to propose a solution which does not pose a problem of synchronization of the different phases with one another.
  • the present invention provides an installation for the induction treatment of a metallic material in a container, comprising: a first winding comprising, in series, at least a first winding of at least one turn and at least a second winding of at least one turn, wound in opposite directions around the container, the first winding having two end terminals intended to be connected to an alternative power source and to the terminals of a first capacitor; and at least a second winding comprising, in series, at least a first winding of at least one turn and at least a second winding of at least one turn, wound in opposite directions around the container being nested in the first winding, the ends of the second winding being intended to be connected to the terminals of a second capacitor.
  • the values of the capacitors are a function of the frequency of the generator and of the desired skin thickness inside the container.
  • the combined inductances of the two windings are a function of the desired heating intensity inside the crucible.
  • the installation further comprises at least a third winding whose terminals are connected to a third capacitor, the third winding being formed of at least two windings associated in opposite series.
  • FIG. 1 described above is intended to expose the state of the art and the problem posed;
  • 2 shows, schematically and in section, an embodiment of an induction stirring installation according to the present invention, -
  • Figure 3 schematically illustrates the electrical circuit of one installation of Figure 2;
  • FIG. 4 is a partial perspective view of a cold inductive crucible according to the present invention during operation.
  • the same elements have been designated by the same references in the different figures. For reasons of clarity, only the elements of an induction heating installation which are necessary for understanding the invention have been shown. the figures and will be described later.
  • the means for discharging the liquid metal for example, the means for drawing the ingot
  • the invention applies as well to a crucible (cold or refractory) of an ingot mold as to a crucible intended to be emptied by overturning. More generally, it will be noted that the invention can be implemented in any installation using an inductive means around a container of molten metal, for the purpose of organizing the movements of the metal.
  • electromagnetic stirrers in which the metal is heated by induction, by arc by means of a plasma torch, or others
  • electromagnetic pumps and more generally any installation in which pose problems related to the diameters of the container (crucible, pipe, etc.)
  • a characteristic of the present invention is to provide, around a container of molten metal, at least two windings each consisting of two windings in opposition series, only one of the windings being connected to the terminals of a single-phase generator.
  • the other winding (s) constitute induced or secondary windings by being closed by means of a capacitor.
  • FIG. 2 schematically represents an embodiment of an induction heating installation, for example of continuous casting, according to the present invention.
  • the container is a cold crucible.
  • the installation is based on the use of a sectored cold crucible 1, that is to say comprising several vertical sectors cooled, for example, by circulation of water and which are assembled to one another. others to form a tubular structure.
  • a sectored cold crucible that is to say comprising several vertical sectors cooled, for example, by circulation of water and which are assembled to one another. others to form a tubular structure.
  • the crucible has been shown in section and without showing the conventional cooling means for the sake of clarity.
  • a first winding 5 is surrounded around the crucible 1 and is connected, by its two ends, to the terminals of a gene. single-phase alternator 3 in parallel with a capacitor C.
  • the winding 5 consists of at least two coils 51 and 52 associated in series of opposition, that is to say wound in opposite directions around the crucible 1.
  • at least one second winding 6 is also wound around the crucible 1 and is connected, by its two ends, to the terminals of a capacitor C.
  • This second winding 6 comprises, like the first winding 5, at least two coils 61, 63 associated in opposition series.
  • the windings 5 and 6 are nested one in the other, that is to say that the coils are arranged successively in the height of the crucible so as to alternate a coil of the first winding with a coil of the second winding.
  • the first winding 61 of the winding 6 the first winding 51 of the winding 5, the second winding 62 of the winding 6 and the second winding 52 of the winding 5.
  • the second winding 6 plays the role of an induced circuit whose energy comes from the first winding 5.
  • FIG. 3 shows the electrical circuit of the installation of Figure 2.
  • This figure shows the elements described in connection with Figure 2 and illustrates in a perspective view, the direction of the coils of the windings 5 and 6 in series opposition.
  • the winding 5 forms, with the capacitor C, a first oscillating circuit connected to the generator 3 and constituting a first phase of excitation of the polyphase system.
  • the second winding 6, spatially offset from the first winding 5 forms, with the capacitor C, a second oscillating circuit.
  • This second oscillating circuit is in interaction magnetic by its mutual inductance with the first oscillating circuit. It is then possible, by dimensioning, to ensure that the magnetic field resulting from the superposition of the two phases in presence is a sliding field capable of generating an electromagnetic driving force for pumping on the induced metal contained in the crucible 1.
  • the respective dimensions of the windings and the capacitors depend on the application and, in particular, on the frequency of the generator 3, on the diameter of the crucible 1, and on the desired skin thickness in the metal. Preferably, the number of turns of the coils of the same winding is identical. Optimization of the system as a function of the application is within the reach of those skilled in the art by applying the rules of electrical and electromagnetic operation from the respective inductances, the respective resistors and the respective capacitors of the oscillating circuits, as well as the mutual inductance of these two circuits and the pulsation of the single-phase generator.
  • the products LC ⁇ 2 and L'C'ry 2 where L and L 'represent the inductances respective of the windings 5 and 6 and where ⁇ represents the pulsation of the single-phase generator 3, are as close as possible to the unit in order to optimize the operation of the oscillating circuits.
  • An advantage of the present invention is that it makes it possible to reverse the direction of stirring of the bath as illustrated by the arrows in FIG. 2, by means of a single-phase generator.
  • a single-phase generator in the case of a low frequency corresponding to the frequency of the AC supply network (50 or 60 hertz), it is no longer necessary to have a polyphase supply and an installation according to the invention can be connected directly to a single-phase connection to the distribution network.
  • the present invention has the advantage of require only one single-phase generator, which considerably reduces the cost of installation by reducing the number of power switches required.
  • Another advantage of the present invention is that the synchronization of the induced phase (phase obtained by the secondary winding), or of the induced phases in the case where several secondary windings are used, does not pose any particular problem.
  • Another advantage of the present invention is that the system is particularly stable once adapted to the application.
  • the elements (inductors and capacitors) used by the present invention to generate the additional phase (s) are not likely to be disturbed as it might be the case of active elements (high power switches).
  • FIG 4 illustrates, in a perspective view in section, the schematic structure of a cold inductive crucible according to the present invention. This figure shows the sectors s of the crucible 1 which are electrically isolated from each other. In the example of Figure 4, each coil 61, 51, 62, 52 has four turns.
  • FIG. 3 illustrates that the number of wheels for stirring the molten metal depends on the number of sectors of the crucible.
  • stirring is also favored by the sectorized structure of the crucible which improves the mixture.
  • the mixing speeds depend on the intensity of the currents i1 and i2, therefore on the intensity of the current delivered by the generator 3.
  • phase shift of 90 ° between the two oscillating circuits.
  • a phase shift of the order of 20 to 40 ° is sufficient health in terms of efficiency for the brewing operated by the system of the invention.
  • phase angle between the two oscillating circuits is adjustable by the respective values of the capacitors and of the inductances used. However, as indicated above, this phase angle is stable once fixed by the dimensions of these elements.
  • the application when the application relates to induction heating, it will preferably start by setting the values required for the respective inductances of the windings. These values condition the heating of the metal in the bath. However, according to the invention, account will be taken of the existence of the induced phase which also takes part in the heating.
  • the respective values of the capacitors C and C are then fixed as a function of the frequency of the single-phase generator and of the desired skin thickness, which depends on the diameter of the crucible 1. It will be noted that the respective relationships between the inductances of the windings and the capacitors C and C must be compatible with the output impedance of the single-phase generator 3.
  • capacitors having values of the order of 20 ⁇ F may be used with windings whose respective self-inductances are of the order of 2 ⁇ H and whose resistances are of the around thirty m ⁇ .
  • a phase shift of the order of 40 ° is obtained between the currents i1 and i2 of the respective windings, and a ratio of the amplitudes of the currents of the order of
  • the present invention is susceptible of various variants and modifications which will appear to those skilled in the art.
  • the invention has been described above in relation to a two-phase system, it can also be implemented with more than two phases.
  • the greater the number of phases the more the system is controllable, for example, for stirring the molten metal over a greater height.
  • the adaptation of the system described above to a larger number of phases is within the reach of those skilled in the art.
  • care must be taken to respect the nesting of the different windings in the height of the crucible as well as the associations in opposition series of the windings constituting the different windings.
  • the choice of the number of turns per coil, the number of coils per winding and the arrangement of the turns is within the reach of those skilled in the art from the indications given above.
  • the section of the turns will of course depend on the intensity of the currents, and the arrangement in the height of the crucible will depend on the height of the latter and on the number of coils.
  • the average level of the liquid metal will be chosen to correspond approximately to the middle of the height of the first coil 51 of the first winding 5.
  • the increase in number of coils of the same winding makes it possible to increase (by cumulative effect due to the increase in the interaction height) the pumping force, therefore the efficiency of the stirring.

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Description

BRASSAGE ELECTROMAGNETIQUE D'UN METAL EN FUSION
La présente invention concerne les installations de traitement par induction de matériaux métalliques en fusion, comme par exemple les installations de brassage, d'organisation des mouvements, et/ou d'élaboration de matériaux métalliques. L'invention concerne plus particulièrement de telles installations ayant recours à un creuset inductif et parmi celles-ci, les installations dans lesquelles le creuset est destiné, non seulement à organiser le brassage par induction d'un métal en fusion, mais également à chauffer ce métal par induction. L'invention s'applique à de telles installations à creuset inductif, qu'il s'agisse d'installations de coulée continue ou non.
La présente invention sera décrite par la suite en relation avec un creuset froid inductif, mais on notera qu'elle s ' applique plus généralement à tout autre installation dans laquelle du métal en fusion se trouve dans un champ magnétique. Parmi les installations à creuset inductif, le recours à un creuset froid est souvent préféré à un creuset en matériau réfrac- taire lorsque le matériau métallique à élaborer nécessite un degré de pureté élevé, dans la mesure où un creuset froid mini- mise la pollution du matériau traité. La figure 1 représente, de façon schématique, une installation classique d'élaboration d'un matériau métallique par induction à partir d'un creuset froid inductif.
Une telle installation comprend un creuset 1 refroidi, par exemple, par circulation d'eau à l'intérieur de sa paroi, et destiné à contenir le matériau à fondre. En figure 1, les détails constitutifs des parois du creuset n'ont pas été représentés par souci de clarté. En particulier, les moyens de circulation du liquide de refroidissement dans l'épaisseur des parois n'ont pas été illustrés.
Un inducteur, généralement une bobine 2, entoure le creuset 1 et est relié, par ses deux extrémités, aux bornes d'un générateur 3 de tension alternative monophasée. Un condensateur C est connecté en parallèle sur le générateur 3, c'est-à-dire aux bornes de la bobine 2.
Le matériau métallique à fondre dans le creuset est introduit dans celui-ci, par exemple, sous forme de copeaux m.
Dans le cas d'un creuset de coulée continue, ces copeaux m sont introduits en continu, généralement par l'intermédiaire d'un déversoir 4.
Le champ magnétique provoqué par 1 ' inducteur 2 chauffe le matériau contenu dans le creuset 1. La f équence du courant alternatif d'excitation de l'inducteur 2 dépend, notamment, du diamètre du creuset 1 et de la résistivité magnétique du matériau contenu dans celui-ci. Comme cela est parfaitement connu, la résistivité électrique du matériau et la fréquence d'excitation de l'inducteur 2 conditionnent l'épaisseur de peau électromagnétique (δ ) . L'épaisseur de peau souhaitée dépend des applications. Par exemple, dans le cas d'une lingotière, l'épaisseur de peau souhaitable est la plus faible possible tout en étant suffisante pour ne pas nuire au rendement thermique en raison des parois froides du creuset. A titre d'exemple particulier, pour un- creuset d'un diamètre de l'ordre de 10 centimètres, on souhaite généralement avoir une épaisseur de peau électromagnétique de l'ordre de 1 à 10 millimètres. On notera que, bien que cela n ' ait pas été représenté en figure 1, un creuset froid est un creuset sectorisé, c'est-à- dire pourvu de secteurs verticaux isolés les uns des autres pour éviter un bouclage des courants induits sur le pourtour du creu- set. Comme l'illustre la figure 1, dans un creuset alimenté par un générateur monophasé, la surface libre du bain de métal se présente sous la forme d'un dôme liquide dont le profil résulte de l'équilibre entre la pression hydrostatique et la pression électromagnétique issue de l'inducteur monophasé 2. De plus, sur cette surface libre, il existe une force de brassage électromagnétique qui est une force à composante radiale toujours centrifuge en surface du bain comme 1 ' illustre les flèches en figure 1. Ainsi, les copeaux m provenant du système d'alimentation 4 et tombant par gravité dans le bain sont systématiquement, à leur arrivée, entraînés du centre vers la périphérie, donc vers les parois froides du creuset 1.
Une telle circulation est défavorable au rendement thermique du système et à l'ingestion des copeaux m dans le bain. Cela peut même affecter 1 ' état de surface du lingot solidifié obtenu par tirage en continu dans la partie inférieure (non représentée) du creuset 1.
Il serait souhaitable d'inverser le sens du brassage en surface du bain afin que les copeaux du matériau à fondre soient entraînés vers le centre du bain, et améliorer ainsi le mélange. Pour ce faire, on peut penser mettre en oeuvre, autour du creuset, un système d'inducteurs polyphasés créant un champ magnétique glissant, donnant naissance à une force électromagnétique ascendante dans l'épaisseur de la peau électromagnétique, donc en périphérie du creuse . Cette force a alors pour conséquence de faire monter le métal liquide du bain en périphérie dans l'épaisseur de la peau électromagnétique, et par conservation du débit, de faire descendre le métal liquide au centre du bain. On obtient ainsi une force de brassage électromagnétique radiale centripète, ce qui est propice à l'entraînement des copeaux d'alimentation, à leur arrivée sur le bain, non plus vers la périphérie, mais au contraire vers le centre du bain où ils sont immédiatement ingérés et fondus .
Toutefois, la mise en oeuvre d'un tel principe pose plusieurs problèmes qui ont conduit, jusqu'à présent, à ce que cette solution n'est pas, en pratique, industriellement viable.
Un premier problème est lié au besoin de disposer d'un générateur à induction polyphasé, donc à deux générateurs de tension déphasés l'un par rapport à l'autre.
Pour une installation dont le creuset est d'un diamètre suffisamment élevé (de l'ordre d'une trentaine de centimètres) permettant son alimentation par un générateur fonctionnant sur la fréquence du réseau électrique alternatif (50 ou 60 Hertz) , il est nécessaire de disposer d'une alimentation polyphasée (di ou triphasée) pour mettre en oeuvre ce principe d'inversion de sens de brassage du bain. Ainsi, cela interdit le branchement simple de 1 ' installation sur une alimentation électrique monophasée .
Un problème similaire se pose pour d'autres contenants, par exemple, la conduite de diamètre relativement petit d'une pompe électromagnétique. Le problème est accru pour des générateurs à induction moyenne fréquence (de l'ordre d'une dizaine de kilohertz) pour lesquels il est nécessaire de disposer d'un circuit électronique de puissance pour réaliser le générateur (3, figure 1) de façon à alimenter 1 ' inducteur 2 par un courant de fréquence différente de la fréquence de distribution.
Dans de telles applications, qui concernent plus particulièrement les creusets ou contenants de faible diamètre, il serait alors nécessaire de disposer d'un circuit électronique de puissance pour chaque phase, ce qui augmente considérablement le coût de l'installation. En particulier, cela nécessite la multiplication du nombre de commutateurs de puissance en fonction du nombre de phases. De plus, la synchronisation des générateurs avec la phase de l'alimentation alternative fournie par le réseau de distribution est rendue d'autant plus difficile que la fré- quence du générateur à induction et que le nombre de phases sont élevés .
La présente invention vise à pallier aux inconvénients des installations classiques à creuset inductif. L'invention vise, en particulier, à proposer une nouvelle installation permettant d'organiser le brassage du bain de métal en fusion, à volonté, dans un sens centripète ou dans un sens centrifuge.
Plus généralement, l'invention vise à proposer une nouvelle solution aux problèmes de brassage par induction dans des contenants de métal en fusion.
La présente invention vise également à proposer une nouvelle solution pour effectuer une génération polyphasée qui soit économiquement viable. L'invention vise, en particulier, à proposer une solution qui ne nécessite pas une multiplication des commutateurs de puissance pour des applications nécessitant une induction moyenne fréquence.
La présente invention vise également à proposer une solution qui puisse être alimentée à partir d'une source électrique monophasée. L ' invention vise en outre à proposer une solution qui ne pose pas de problème de synchronisation des différentes phases entre elles.
Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit une installation de traitement par induction d'un matériau métallique dans un contenant, comportant : un premier enroulement comprenant, en série, au moins un premier bobinage d'au moins une spire et au moins un deuxième bobinage d'au moins une spire, enroulés dans des sens opposés autour du contenant, le premier enroulement ayant deux bornes d'extrémités destinées à être raccordées à une source d'alimentation alternative et aux bornes d'un premier condensateur ; et au moins un deuxième enroulement comprenant, en série, au moins un premier bobinage d'au moins une spire et au moins un deuxième bobinage d'au moins une spire, enroulés dans des sens opposés autour du contenant en étant imbriqués dans le premier enroulement, les extrémités du deuxième enroulement étant destinées à être reliées aux bornes d'un deuxième condensateur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les valeurs des condensateurs sont fonction de la fréquence du générateur et de 1 ' épaisseur de peau souhaitée à 1 ' intérieur du contenant .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, appliqué à une installation de chauffage par induction dans un creuset inductif formant ledit contenant, les inductances combi- nées des deux enroulements sont fonction de l'intensité de chauffage souhaitée à 1 ' intérieur du creuset .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, 1 ' installation comporte en outre au moins un troisième enroulement dont les bornes sont raccordées à un troisième condensateur, le troisième enroulement étant formé d'au moins deux bobinages associés en série opposition.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d' autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 décrite précédemment est destinée à exposer l'état de la technique et le problème posé ; la figure 2 représente, de façon schématique et en coupe, un mode de réalisation d'une installation de brassage par induction selon la présente invention ,- la figure 3 illustre schématiquement le circuit électrique de 1 ' installation de la figure 2 ; et la figure 4 est une vue partielle en perspective d'un creuset froid inductif selon la présente invention en cours de fonctionnement .
Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments d'une installation de chauffage par induction qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été repré- sentes aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, les moyens d'évacuation du métal liquide (par exemple, les moyens de tirage du lingot) n'ont pas été représentés et ne font pas l'objet de la présente invention. A cet égard, on notera que l'invention s'applique aussi bien à un creuset (froid ou réfractaire) d'une lingotière qu'à un creuset destiné à être vidé par renversement. Plus généralement, on notera que l'invention peut être mise en oeuvre dans toute installation utilisant un moyen inductif autour d'un contenant de métal en fusion, à des fins d'organisation des mouvements du métal. Il pourra s'agir, par exemple, de brasseurs électromagnétiques (dans lesquels le métal est chauffé par induction, par arc au moyen d'une torche à plasma, ou autres) , de pompes électromagnétiques, et plus généralement de toute installation dans laquelle se posent des problè- mes liés aux diamètres du contenant (creuset, conduite, etc.)
Une caractéristique de la présente invention est de prévoir, autour d'un contenant de métal en fusion, au moins deux enroulements constitués chacun de deux bobinages en série opposition, un seul des enroulements étant raccordé aux bornes d'un générateur monophasé. Le ou les autres enroulements constituent des enroulements induits ou secondaires en étant refermés au moyen d'un condensateur.
La figure 2 représente, de façon schématique, un mode de réalisation d'une installation de chauffage par induction, par exemple de coulée continue, selon la présente invention. Dans l'exemple de la figure 2, le contenant est un creuset froid.
Comme précédemment, l'installation est basée sur l'utilisation d'un creuset froid 1 sectorisé, c'est-à-dire comportant plusieurs secteurs verticaux refroidis, par exemple, par circula- tion d'eau et qui sont assemblés les uns aux autres pour former une structure tubulaire . A la figure 2, le creuset a été représenté en coupe et sans faire apparaître les moyens classiques de refroidissement par souci de clarté .
Un premier enroulement 5 est entouré autour du creuset 1 et est raccordé, par ses deux extrémités, aux bornes d'un gêné- rateur alternatif monophasé 3 en parallèle avec un condensateur C. Selon la présente invention, l'enroulement 5 est constitué d'au moins deux bobines 51 et 52 associées en série d'opposition, c'est-à-dire enroulées dans des sens opposés autour du creuset 1. Toujours selon l'invention, au moins un deuxième enroulement 6 est également bobiné autour du creuset 1 et est raccordé, par ses deux extrémités, aux bornes d'un condensateur C . Ce deuxième enroulement 6 comporte, comme le premier enroulement 5, au moins deux bobines 61, 63 associées en série opposition. De plus, les enroulements 5 et 6 sont imbriqués l'un dans l'autre, c'est-à-dire que les bobines sont disposées successivement dans la hauteur du creuset de façon à alterner une bobine du premier enroulement avec une bobine du deuxième enroulement. Ainsi, dans l'exemple d'un système diphasé tel que représenté à la figure 2, on trouve, depuis le haut du creuset 1, le premier bobinage 61 de l'enroulement 6, le premier bobinage 51 de l'enroulement 5, le deuxième bobinage 62 de l'enroulement 6 et le deuxième bobinage 52 de 1 ' enroulement 5. Selon la présente invention, le deuxième enroulement 6 joue le rôle d'un circuit induit dont l'énergie provient du premier enroulement 5.
La figure 3 représente le circuit électrique de l'installation de la figure 2. Cette figure reprend les éléments décrits en relation avec la figure 2 et illustre par une vue en perspective, le sens des bobines des enroulements 5 et 6 en série opposition. On notera que, à la figure 2, le sens de circulation du courant dans les bobines respectives a été indiqué par les notations habituelles (x, .) en électromagnétisme. L'enroulement 5 forme, avec le condensateur C, un premier circuit oscillant connecté au générateur 3 et constituant une première phase d'excitation du système polyphasé. Le deuxième enroulement 6, décalé spatialement par rapport au premier enroulement 5 forme, avec le condensateur C, un deuxième circuit oscillant. Ce deuxième circuit oscillant se trouve en interaction magnétique par sa mutuelle inductance avec le premier circuit oscillant. On peut alors, par dimensionnement, faire en sorte que le champ magnétique résultant de la superposition des deux phases en présence soit un champ glissant susceptible d'engendrer une force motrice électromagnétique de pompage sur le métal induit contenu dans le creuset 1.
Les dimensionnements respectifs des enroulements et des condensateurs dépendent de l'application et, en particulier, de la fréquence du générateur 3, du diamètre du creuset 1, et de l'épaisseur de peau souhaitée dans le métal. De préférence, le nombre de spires des bobines d'un même enroulement est identique. ' optimisation du système en fonction de 1 'application est à la portée de l'homme du métier en mettant en application les règles de fonctionnement électrique et électromagnétique à partir des inductances respectives, des résistances respectives et des condensateurs respectifs des circuits oscillants, ainsi que de la mutuelle inductance de ces deux circuits et de la pulsation du générateur monophasé.
Pour obtenir un effet de champ glissant linéaire per- mettant l'effet de pompage en périphérie du contenant, on cherchera, de préférence, à ce que les produits LCω2 et L'C'ry2, où L et L' représentent les inductances respectives des enroulements 5 et 6 et où ω représente la pulsation du générateur monophasé 3, soient le plus proche possible de l'unité afin d'optimiser le fonctionnement des circuits oscillants.
Un avantage de la présente invention est qu'elle permet d'inverser le sens de brassage du bain comme l'illustre les flèches de la figure 2, au moyen d'un générateur monophasé. Ainsi, dans le cas d'une basse fréquence correspondante à la fréquence du réseau alternatif d'alimentation (50 ou 60 hertz), il n'est désormais plus nécessaire de disposer d'une alimentation polyphasée et une installation selon 1 ' invention peut être branchée directement sur un raccordement monophasé au réseau de distribution. Dans le cas d'une installation qui requiert une génération moyenne fréquence, la présente invention présente l'avantage de ne nécessiter qu'un seul générateur monophasé, ce qui réduit considérablement le coût de 1 ' installation en réduisant le nombre de commutateurs de puissance nécessaires .
Un autre avantage de la présente invention est que la synchronisation de la phase induite (phase obtenue par l'enroulement secondaire) , ou des phases induites dans le cas où plusieurs enroulements secondaires sont utilisés, ne pose pas de problème particulier.
Un autre avantage de la présente invention est que le système est particulièrement stable une fois adaptée à l'application. En effet, contrairement au recours à plusieurs générateurs distincts pour obtenir un système de chauffage par induction polyphasé, les éléments (inducteurs et condensateurs) utilisés par la présente invention pour générer la ou les phases supplé- mentaires ne risquent pas de se dérégler comme cela pourrait être le cas d'éléments actifs (commutateurs haute puissance) .
La figure 4 illustre, par une vue en perspective et en coupe, la structure schématique d'un creuset froid inductif selon la présente invention. Cette figure fait apparaître les secteurs s du creuset 1 qui sont isolés électriquement les uns des autres . Dans l'exemple de la figure 4, chaque bobine 61, 51, 62, 52 comporte quatre spires.
La représentation de la figure 3 illustre que le nombre de roues de brassage du métal en fusion dépend du nombre de sec- teurs du creuset. Ainsi, non seulement l'inversion du sens de brassage au moyen d'un système polyphasé selon la présente invention favorise l'inclusion des particules au centre du bain, mais, dans cette application, le brassage est également favorisé par la structure sectorisée du creuset qui améliore le mélange . Les vitesses de brassage dépendent de l'intensité des courants il et i2, donc de l'intensité du courant délivré par le générateur 3.
On notera que, selon la présente invention, il n'est pas nécessaire d'avoir un déphasage de 90° entre les deux cir- cuits oscillants. Un déphasage de l'ordre de 20 à 40° est suffi- sant en terme d'efficacité pour le brassage opéré par le système de 1 ' invention.
On notera également que 1 ' angle de phase entre les deux circuits oscillants est réglable par les valeurs respectives des condensateurs et des inductances utilisés. Toutefois, comme cela a été indiqué précédemment, cet angle de phase est stable une fois fixée par les dimensionnements de ces éléments.
En pratique, lorsque l'application concerne un chauffage par induction, on commencera de préférence par fixer les valeurs requises pour les inductances respectives des enroulements . Ces valeurs conditionnent en effet le chauffage du métal du bain. On tiendra cependant compte, selon l'invention, de l'existence de la phase induite qui participe également au chauffage. On fixe ensuite les valeurs respectives des condensateurs C et C en fonction de la fréquence du générateur monophasé et de l'épaisseur de peau souhaitée, qui dépend du diamètre du creuset 1. On notera que les rapports respectifs entre les inductances des enroulements et les condensateurs C et C doivent être compatibles avec l'impédance de sortie du générateur monophasé 3. A titre d'exemple particulier de réalisation, pour un creuset ayant un diamètre de l'ordre d'une dizaine de centimètres et pour un générateur monophasé ayant une fréquence de fonctionnement de l'ordre d'une vingtaine de kHz, on pourra utiliser des condensateurs ayant des valeurs de l'ordre de 20μF avec des enroulements dont les inductances propres respectives sont de l'ordre de 2μH et dont les résistances sont de l'ordre d'une trentaine de mΩ . Dans un tel exemple, on obtient un déphasage de l'ordre de 40° entre les courants il et i2 des enroulements res- pectifs, et un rapport des amplitudes des courants de l'ordre de
1,1.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'invention ait été décrite ci- dessus en relation avec un système diphasé, elle peut également être mise en oeuvre avec plus de deux phases. A cet égard, on notera que plus le nombre de phases est important, plus le système est contrôlable, par exemple, pour brasser le métal en fusion sur une hauteur plus importante. L'adaptation du système décrit ci-dessus à un nombre plus important de phases est à la portée de l'homme du métier. On veillera toutefois à respecter 1 ' imbrication des différents enroulements dans la hauteur du creuset ainsi que les associations en série opposition des bobinages constituant les différents enroulements . De plus, le choix du nombre de spires par bobine, du nombre de bobines par enroulement et de la disposition des spires est à la portée de l'homme du métier à partir des indications données ci-dessus. En particulier, la section des spires dépendra bien entendu de l'intensité des courants, et la disposition dans la hauteur du creuset dépendra de la hauteur de ce dernier et du nombre de bobines. Par exemple, en se référant au mode de réalisation décrit ci-dessus en relation avec la figure 4, le niveau moyen du métal liquide sera choisi pour correspondre approximativement au milieu de la hauteur du premier bobinage 51 du premier enroulement 5. L'augmentation du nombre de bobines d'un même enroulement permet d'augmenter (par effet de cumul dû à l'augmentation de la hauteur d'interaction) la force de pompage, donc l'efficacité du brassage.

Claims

E-VENDICATIONS
1. Installation de traitement par induction d'un matériau métallique dans un contenant, caractérisée en ce qu'elle comporte : un premier enroulement (5) comprenant, en série, au moins un premier bobinage (51) d'au moins une spire et au moins un deuxième bobinage (52) d'au moins une spire, enroulés dans des sens opposés autour du contenant (1) , le premier enroulement ayant deux bornes d'extrémités destinées à être raccordées à une source d'alimentation alternative (3) et aux bornes d'un premier condensateur (C) ; et au moins un deuxième enroulement (6) comprenant, en série, au moins un premier bobinage (61) d'au moins une spire et au moins un deuxième bobinage (62) d'au moins une spire, enroulés dans des sens opposés autour du contenant en étant imbriqués dans le premier enroulement (5) , les extrémités du deuxième enroulement (6) étant destinées à être reliées aux bornes d'un deuxième condensateur (C).
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les valeurs des condensateurs (C, C) sont fonction de la fréquence du générateur (3) et de l'épaisseur de peau souhaitée à l'intérieur du contenant (1) .
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, de chauffage par induction dans un creuset inductif formant ledit contenant, caractérisée en ce que les inductances combinées des deux enroulements (5, 6) sont fonction de l'intensité de chauffage souhaitée à l'intérieur du creuset (1) .
4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un troisième enroulement dont les bornes sont raccordées à un troisième condensateur, le troisième enroulement étant formé d'au moins deux bobinages associés en série opposition.
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