FR2780846A1 - Procede et dispositif de chauffage de bande d'acier par flux d'induction transverse - Google Patents

Abstract

Afin d'obtenir un chauffage sensiblement homogène sur toute la largeur de la bande à chauffer, l'invention propose de renforcer le flux inducteur dans une zone élémentaire située au centre de courbure des lignes de courant induit dans la bande par chaque pôle. Un exemple d'inducteur à flux transverse selon l'invention comporte deux culasses (A, A') formées de feuilles de tôle de circuit magnétique et disposées symétriquement par rapport à la bande à chauffer (1) présentant un axe longitudinale, des couples de bobines inductrices (Bm, B'm) ayant chacune deux parties linéaires et deux parties courbes. Les bobines de chaque couple étant disposées symétriquement par rapport à la bande (1) pour former un pôle inducteur (P1, P2) dans l'espace les séparant, chaque culasse (A, A') présente une découpe en forme de peigne formant des cavités longitudinales transverses et des pieds transverses par rapport à l'axe de la bande. Les parties linéaires des bobines sont accueillies dans les cavités, chaque bobine étant disposée dans deux cavités successives. L'inducteur présente un entrefer (E) réduit localement autour du centre de courbure des lignes de courant induit par la création de balises magnétiques (B1, B2, B'1, B'2).

Description

L'invention se rapporte au domaine du chauffage de bande d'acier

magnétique ou amagnétique. Pour atteindre les températures utilisées en sidérurgie, de l'ordre de 100 à 1100 C, de telles bandes défilent dans un champ d'induction. Le champ créé doit permettre le chauffage de bandes de largeur et d'épaisseur pouvant varier dans une large gamme de valeurs,

allant de 0,50 m à 2 m, et de 0,08 mm à 3 mm.

Lorsqu'il s'agit de chauffer des bandes magnétiques, la technique la plus couramment utilisée est le chauffage dit à flux longitudinal. Cette technique consiste à entourer la bande à chauffer par un bobinage inducteur parcouru par un courant alternatif. Un tel courant provoque l'apparition de courants induits dans une épaisseur variable de la bande,

l'intensité de ces courants décroissant rapidement en pénétrant dans celle-

ci. Le chauffage ainsi obtenu est sensiblement homogène sur toute la

largeur de la bande.

Dans le cas de bande en acier magnétique, c'est-à-dire d'acier ferrique en dessous du point de curie, le rendement électrique du chauffage par induction en flux longitudinal est excellent. Lorsque l'épaisseur de la bande à chauffer est inférieure à environ 0,20 mm, il convient d'augmenter la fréquence de l'inducteur afin de conserver un rendement au-dessus de 80%. Ainsi, pour les bandes de 0,06 mm, l'inducteur devrait fonctionner à 400 kHz pour conserver un rendement de

l'ordre de 80%.

Cependant, dans le cas de bande d'acier amagnétique, c'est-à-dire d'acier inoxydable ou d'acier au carbone au-dessus du point de curie, la technique du chauffage par flux longitudinal ne permet pas d'obtenir de bons rendements pour les bandes d'épaisseur inférieure à 1 mm, même avec un inducteur à haute fréquence. Par exemple, à 400 kHz, le rendement électrique est de 60% pour une bande amagnétique de 1 mm

d'épaisseur et de 35% pour une bande de 0,7 mm d'épaisseur.

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Pour les matériaux amagnétiques d'épaisseur relativement faible, une autre technique à flux transverse pourrait être mieux adaptée. Elle utilise deux plateaux inducteurs placés de part et d'autre de la bande à chauffer, créant un champ magnétique perpendiculaire à la surface de la bande et des lignes de courant induit qui se rebouclent dans le plan surfacique de la bande. Cette technique permet de s'affranchir de la nécessité d'utiliser des hautes fréquences lorsque l'épaisseur des bandes

diminue ou lorsque le métal à chauffer perd ses propriétés magnétiques.

Elle permet ainsi d'envisager le traitement de bandes minces d'acier

amagnétique, c'est-à-dire d'acier inoxydable ou d'acier au carbone au-

dessus du point de la température de curie, avec des rendements supérieurs à 80%. De plus, des densités de puissance surfacique supérieures à celles obtenues avec un flux longitudinal peuvent être

injectées avec cette technique à flux transverse.

Cependant, la technique du flux transverse présente l'inconvénient majeur de ne pas garantir un chauffage homogène sur toute la largeur de bande. En effet, il apparaît des variations de température non négligeables, généralement supérieures à 20%, entre la moitié centrale et les bords de la bande, du fait de la forme des bobines d'induction qui présentent des variations de courbure en bordure afin de pouvoir se boucler, alors que leur

partie centrale est linéaire.

Afin de pallier ce problème, il a déjà été proposé diverses solutions sophistiquées, à partir de bobines de forme particulière ou entraînées dans des mouvements particuliers. Ces solutions présentent un coût prohibitif

sans obtenir une homogénéité thermique suffisante.

Par exemple, la société Ajax Magnéthermique décrit, dans son brevet US 4751360, des inducteurs ayant chacun la forme de deux "J" pour permettre de réaliser une boucle ajustable sur la largeur de la bande. Outre le coût élevé de l'installation, les rendements obtenus (entre 70 et 80%) ainsi qu'une homogénéité thermique insuffisante ne permettent pas de

retenir valablement la solution proposée dans ce brevet.

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Dans le brevet DE 3928629, il est décrit des conducteurs formant des " zigzags " disposés dans les cavités du noyau métallique. Rien n'est décrit pour montrer en quoi et si cette conformation favorise le chauffage homogène. Le brevet GB 2144609 décrit un inducteur de flux transverse composé de couples de bobines disposés symétriquement par rapport à la bande à chauffer, chaque couple formant un espace polaire dit pôle inducteur. Sur cette figure, l'inducteur est composé de deux plateaux PlI et P12, placés de part et d'autre de la surface de la bande à chauffer 1, entraînée en translation selon la flèche F. Chaque plateau est formé de feuilles de tôle présentant une découpe en forme de peigne, formant des cavités longitudinales successives 2. Chaque bobine Bm, B'm présente deux parties linéaires disposées dans deux cavités successives et deux parties courbes. Le courant circule dans le même sens pour les parties longitudinales de deux bobines successives situées dans la même cavité, le courant circulant dans deux sens opposés pour deux cavités successives. Les flux magnétiques transverses successivement créés, tels que F1 et F2, sont de sens opposés, et les courants, tels que il et i2, successivement induits dans la bande 1 par les bobines d'induction du pôle situé en regard, sont de sens opposé aux courants circulant dans ces bobines. Les lignes de courant induit ont une forme correspondant à celle

des bobines du pôle en regard.

Les résultats obtenus, tant au niveau de l'intensité des courants induits dans la bande qu'au niveau de la densité de puissance injectée dans celle-ci, montrent des zones hétérogènes de chauffage, en particulier dans les parties courbes des lignes de courant induit. Il se produit en effet dans cette zone un évasement des lignes de courant et des densités de puissance sensiblement plus faibles: un puits de densité apparaît dans le diagramme du profil de densité de puissance en fonction de la largeur de la bande mesurée à partir de sa ligne médiane. Quelque soit la largeur de la bande, ce puits paraît à l'approche de la rive, c'est-à-dire dans une zone

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située vers les bords longitudinaux de la bande, alors qu'une remontée

importante de densité de puissance se produit au niveau des bords eux-

mêmes, une telle remontée apparaissant en particulier pour des largeurs de bande inférieures à 500 mm. Finalement, le chauffage ne reste homogène que sur la zone médiane de la bande couvrant

approximativement la moitié de la surface de celle-ci.

Afin d'obtenir un chauffage sensiblement homogène sur toute la largeur de la bande à chauffer, I'invention propose de renforcer le flux inducteur dans une zone élémentaire située au centre de courbure des lignes de courant induit dans la bande par chaque pôle. Il a en effet été remarqué que pour obtenir une homogénéisation de chauffe, il convient de

créer une augmentation "discontinue" du champ.

Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de chauffage par induction à flux transverse, apte à créer un flux d'induction magnétique à partir de pôles inducteurs, chaque pôle créant des courants induits selon des lignes de courant en forme de boucles concentriques, et dans lequel le flux d'induction est renforcé dans une zone élémentaire située au centre de courbure des lignes de courant induit dans la bande

par chaque pôle.

L'invention concerne également un inducteur à flux transverse l'inducteur comportant deux culasses symétriques par rapport à la bande à chauffer d'axe longitudinale, formés de feuilles de tôle de circuit magnétique et des bobines inductrices formée chacune de deux parties linéaires et deux parties courbes. Chaque couple formé de deux bobines symétriques par rapport à la bande constitue un pôle inducteur, chaque culasse, présentant une découpe en forme de peigne formant des cavités longitudinales transverses par rapport à l'axe de la bande autour de pieds, accueille les parties linéaires des bobines dans les cavités, et chaque bobine est disposée dans deux cavités successives autour d'un pied du peigne. Les lignes de courant induit ont une forme correspondant à celle des bobines du pôle en regard. L'entrefer défini entre les culasses est

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réduit localement, dans une zone élémentaire située autour du centre de courbure des lignes de courant induit dans la bande, par prolongement local des pieds des tôles de circuit magnétique du culasse pour former des

balises magnétiques.

Selon une forme de réalisation particulière, chaque balise magnétique présente des bords chanfreinés formés par un dégradé de longueurs parallèlement à la largeur de la bande, afin de réduire les pertes

de l'entrefer.

Le terme "balise magnétique" utilisé renvoie au balise de guidage mise en oeuvre lorsqu'une circulation d'éléments physiques n'est pas

matérialisée, comme c'est le cas pour les bateaux ou les avions.

Cependant les balises magnétiques de la présente invention servent non seulement de guidage mais également de source énergétique pour fournir la force magnétomotrice suffisante pour faire tourner les courants tout en fournissant la densité de puissance supplémentaire apte à fournir un

chauffage uniforme.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à

la lecture de la description détaillée d'un exemple de réalisation, en

référence aux figures annexées qui représentent respectivement: - la figure 1, une vue perspective partiellement arrachée d'un exemple d'inducteur à flux transverse selon l'état de la technique; - la figure 2, une vue de dessus schématisée d'un inducteur selon l'invention composé de six pôles; - la figure 3, une coupe transversale selon la ligne 3-3 de la figure 2 et passant par les balises magnétiques selon l'invention; - la figure 4, une coupe transversale selon la ligne 4-4 de la figure 2, passant par un jeu de balises; - la figure 5, un chanfreinage des faces transversales d'une tôle de

circuit magnétique faisant partie d'une balise magnétique selon l'invention.

- la figure 6, un diagramme des densités de puissance obtenues

avec et sans bornes magnétiques selon l'invention.

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L'installation selon l'invention illustrée à la figure 2, qui représente une vue de dessus schématisée de l'inducteur, est destinée à chauffer dans un exemple d'application une tôle possédant une conductivité électrique de 3,56 107 &-l.m-1, une perméabilité magnétique relative égale à 1, une épaisseur de 0,5 mm et une largeur de 500 mm. L'inducteur est constitué de six pôles P1 à P6, comportant chacun une paire de bobines superposées, référencées Bml à Bm6 sur la figure, et l'espace compris

entre chaque paire.

Chaque bobine présente deux parties courbes Cl et C2, sensiblement circulaires, et deux parties linéaires L1 et L2, les parties linéaires de deux bobines successives étant disposées dans une même cavité transversale d'une des culasses magnétiques A symétriques (représentées en lignes pointillées sur la figure), de perméabilité magnétique relative égale à 1000, et positionnées au-dessus et en dessous de la bande à chauffer 1. Chaque bobine entourant ainsi un pied, Pdl à Pd6, formé entre deux cavités, comme également montré sur la

figure 1 précédemment décrite.

La densité de courant dans les bobines de l'inducteur ainsi formé est de 106 A par m2, fournie par une alimentation (non représentée) à la fréquence de 1500 Hz. Les pôles sont disposés de part et d'autre de la bande à chauffer qui défile à la vitesse nominale de 15 m/min, la bande ayant une largeur supérieure aux parties linéaires L1, L2 des bobines,

longues de 555 mm, de façon à atténuer les effet de bord.

Les bornes magnétiques B1 et B2 de chaque pôle inducteur émergent de la culasse A à partir du centre de courbure des parties Cl et C2 des bobines. La coupe longitudinale de l'inducteur selon la ligne 111-111 de la figure 2 illustrée à la figure 3, montre la position des balises magnétiques B1, ainsi que celles des balises B'1, symétriques par rapport à la bande 1 correspondant à la culasse inférieure A', I'espace entre les balises constituant des pôles magnétiques P1, P2. Les bobines Bm et B'm

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sont également représentées en coupe dans les cavités 2 correspondantes. Les moyens de défilement de la bande à chauffer, dont

l'adaptation est à la portée de l'homme du métier, ne sont pas représentés.

L'espace de renforcement du flux sous les balises est matérialisé par la boucle 3, les flèches F3 et F4 indiquant le sens dans lequel ce flux transverse la bande à chauffer 1. Les balises B1 et B'1 sont de forme parallélépipédique de hauteur H égale à 30 mm dans BAL 7, de largeur et de longueur égales à 25 mm dans BAL 7. Elles définissent un entrefer Eb égal à 40 mm, alors que l'entrefer E défini par les culasses A et A' est de

70 mm.

La coupe transversale de la figure 4, selon la ligne IV-IV de la figure 2, montre plus précisément la position des bornes B1 et B2 de la culasse A, respectivement B'1 et B'2 de la culasse A'. La distance de l'entrefer Eb, défini par les bornes par rapport à la bande à chauffer 1, est optimisée comme étant la plus courte possible en fonction des contraintes

technologiques du défilement, compte tenu notamment des vibrations.

La hauteur H des bornes est calculée pour que l'entrefer défini par la culasse soit optimisé en fonction du chauffage visé. La distance de garde G entre le bord des culasses et celui de la bande à chauffer 1, est ajustée pour que l'échauffement de la rive de la bande en dehors de la projection des culasses sur cette bande subisse un chauffage équivalent à celui du reste de la bande. Dans l'exemple de réalisation illustré, G est égal à 35 mm dans l'exemple BAL 7. Les distance H et G tiennent compte du fait que le renforcement du flux s'annule au niveau des rives et des limites

de l'espace de chaque pôle intercepté par la bande.

Dans l'exemple de réalisation illustré, les balises sont à 55 mm en retrait du bord des culasses, la distance de garde G est de 112 mm et une excitation bipolaire entre deux pôles des deux culasses se faisant face est de 21780 AT. Dans ces conditions, la puissance injectée est de 585 kW pour une bande de 1456 mm, d'épaisseur 0,3 mm défilant à 15 m par minute. L'échauffement moyen obtenu est de 905 C avec un minimum à

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884 C et un maximum à 9270C, soit une taux d'homogénéité de 4,5%. Le courant induit obtenu pour intensité 8736 ampères avec un déphasage de , 8 pour une tension totale de l'ensemble des bobines disposées en

série de 3562 volts et des pertes d'entrefer de 14 watts par kilo.

Afin de minimiser les pertes d'entrefer, les bornes magnétiques présentent, conformément à la figure 5, un chanfreinage des faces transversales fl et f2, chaque feuille de tôle de la culasse étant ainsi prolongée par un profil de borne ayant une forme trapézoïdale. D'autres formes sont possibles, par exemple avec un profil en escalier ou des courbures convexes. L'ensemble des tôles de la culasse peuvent également présenter des profils de borne magnétique présentant des

largeurs et/ou des hauteurs de valeurs dégradées.

La figure 6 représente un diagramme des densités de puissance obtenues pour un même inducteur respectivement sans borne magnétique (courbe 1) et avec des bornes magnétiques (courbe 11) selon l'invention, en fonction de la distance d à l'axe de la bande à chauffer. Ce diagramme montre que la courbe Il présente un puits de puissance H2 atténué par rapport au puits rhi de la courbe 1, obtenu en absence de bornes magnétiques, ce qui fournit une valeur de puissance nettement plus

homogène.

L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, selon l'invention, les culasses peuvent avoir une largeur supérieure à celle de la bande à chauffer. Les bornes peuvent avoir tout type de profil effilé, la bordure de la culasse peut elle- même présenter un profil dégradé ou en escalier. La présence de bornes magnétiques peut être complétée par des shunts magnétiques feuilletés disposés le long des bords de la bande à chauffer, à distance des rives de la bande à chauffer, pour permettre une absorption latérale progressive du flux traversant les rives de la bande. En ce qui concerne le procédé, I'intensité du renforcement du flux d'induction autour du centre de courbure peut décroître de manière isotrope autour du centre de courbure et s'annule sur

la rive de la tôle ainsi qu'aux limites du pôle correspondant.

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Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de chauffage de bande d'acier par flux d'induction transverse, apte à créer un flux d'induction magnétique à partir de pôles inducteurs, chaque pôle créant des courants induits selon des lignes de courant en forme de boucles concentriques, caractérisé en ce que le flux d'induction est renforcé dans une zone élémentaire située au centre de

courbure des lignes de courant induit dans la bande par chaque pôle.

2. Procédé de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensité du renforcement du flux d'induction autour du centre de courbure décroît de manière isotrope autour du centre de courbure et

s'annule sur la rive de la tôle ainsi qu'aux limites du pôle correspondant.

3. Inducteur à flux transverse pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, comportant deux culasses (A, A') formées de feuilles de tôle de circuit magnétique et disposées symétriquement par rapport à la bande à chauffer (1) présentant un axe longitudinale, des couples de bobines inductrices (Bm, B'm) ayant chacune deux parties linéaires (L1, L2) et deux parties courbes (C1, C2), les bobines de chaque couple étant disposées symétriquement par rapport à la bande (1) pour former un pôle inducteur (P1, P2) dans l'espace les séparant, chaque culasse (A, A') présentant une découpe en forme de peigne formant des cavités longitudinales transverses (2) et des pieds transverses (Pdl à Pd6) par rapport à l'axe de la bande, les parties linéaires des bobines (L1, L2) étant accueillies dans les cavités (2), chaque bobine étant disposée dans deux cavités successives autour d'un pied du peigne et les lignes de courant induit (il, i2) ayant une forme correspondant à celle des bobines du pôle en regard, I'inducteur étant caractérisé en ce qu'il présente un entrefer (E), défini par la distance entre les culasses, qui est réduit localement dans une zone élémentaire située autour du centre de courbure des lignes de courant induit formées dans la bande par chaque pôle

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inducteur, cette réduction correspondant à la création de balises

magnétiques (B1, B2, B'1, B'2).

4. Inducteur à flux transverse selon la revendication 3, caractérisé en ce que les balises magnétiques sont formées par prolongement local des pieds des tôles de circuit magnétique du culasse.

5. Inducteur à flux transverse selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque balise magnétique présente des bords chanfreinés (fl, f2) donnant une forme trapézoïdale à chaque feuille de tôle prolongée de la

balise concernée pour réduire les pertes de l'entrefer.

6. Inducteur à flux transverse selon l'une quelconque des

revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les culasses ont une largeur

supérieure à celle de la bande à chauffer.

7. Inducteur à flux transverse selon l'une quelconque des

revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'entrefer réduit (Eb), défini par

la distance de chaque borne à la bande à chauffer (1), est minimisée en

tenant compte des contraintes technologiques du défilement.

8. Inducteur à flux transverse selon l'une quelconque des

revendications 3 à 7 pour mettre en oeuvre le procédé selon la

revendication 2, caractérisé en ce que les bornes présentent une hauteur (H) et une distance de garde (G) entre le bord des culasses et celui de la bande à chauffer (1) ajustées pour que l'échauffement de la rive de la bande subisse un chauffage équivalent à celui du reste de la bande. en tenant compte de l'annulation du renforcement du flux opéré par les bornes au niveau des rives et des limites de l'espace de chaque pôle intercepté

par la bande.

9. Inducteur à flux transverse selon l'une quelconque des

revendications 3 à 8, caractérisé en ce que les culasses présentent un

profil dégradé ou en escalier.

10. Inducteur à flux transverse selon l'une quelconque des

revendications 3 à 9, caractérisé en ce que des shunts magnétiques

feuilletés sont disposés à distance des rives de la bande à chauffer, pour il 2780846 permettre une absorption latérale progressive du flux traversant les rives

de la bande.