Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02343677 2001-04-11
Dispositif de chauffage par induction à flux transverse
à circuit magnétique de largeur variable
La présente invention est relative à un dispositif de
chauffage au défilé, par induction électromagnétique, de
bandes magnétiques ou amagnétiques de faible et moyenne
épaisseurs (de l'ordre de 0,05 à 50 millimètres) . Elle vise
plus particulièrement un dispositif de chauffage par
induction à flux transverse.
De façon connue, le chauffage au défilé par induction
électromagnétique d'une bande métallique est réalisé à l'aide
de bobinages qui sont disposés de manière à entourer la bande
à chauffer en créant un champ magnétique parallèle à la
surface extérieure de cette bande selon la direction de
défilement (flux longitudinal, cf. figure la). On obtient
ainsi une distribution en anneau des courants induits qui
parcourent la bande en déplacement continu au niveau de sa
surface périphérique, ce qui se traduit par un échauffement
dont l'homogénéité de température transversale est
généralement considérée comme satisfaisante.
Lorsqu'il s'agit de chauffer des bandes magnétiques de faible
épaisseur, le rendement de ce type de chauffage à flux
longitudinal est élevé. Cependant, il chute fortement, pour
ces matériaux, dès que l'on dépasse la température du point
CA 02343677 2001-04-11
2
de Curie (environ 750 C). Ceci est notamment dû au fait que
la perméabilité relative du matériau à chauffer décroît
rapidement au cours du, procédé de chauffage jusqu'à atteindre
la valeur de 1 à cette même température. Le rendement est
également limité pour les matériaux amagnétiques (acier
inoxydable, aluminium ...), quelle que soit la température du
produit.
Selon une autre solution connue pour le chauffage au défilé
par induction de produits métalliques plats, on dispose deux
bobinages de part et d'autre du produit à réchauffer, en
regard de chacune des grandes faces de ce dernier de façon à
créer un champ magnétique perpendiculaire aux grandes faces
du produit selon la technique dite du flux transverse (cf.
figure 1b).
L'inconvénient principal de ce type d'installation réside
dans le fait que la distribution en boucle des courants
induits par le flux magnétique traversant ne permet
généralement pas d'atteindre une homogénéité en température
satisfaisante, notamment les extrémités dans le sens de la
largeur de la bande (les rives) sont trop ou pas assez
chauffées suivant les dimensions relatives des bobinages et
du circuit magnétique utilisés par rapport à la largeur de
bande.
Pour résoudre ce problème, on a déjà proposé d'utiliser un
chauffage par induction électromagnétique à flux transverse
dans lequel les :inducteurs comportent des circuits
magnétiques. Ces derniers ont pour but de guider le flux
magnétique générés par les bobinages afin d'agir sur la
distribution des courants induits.
Cependant, de tels dispositifs ont pour désavantage de ne pas
être facilement modifiables afin de s'adapter aux largeurs de
CA 02343677 2001-04-11
3
bande à chauffer. Pour pallier un tel inconvénient, on
connaît par exemple un dispositif de chauffage par induction
électromagnétique décrit dans le brevet américain n 4, 678,
883 dans lequel les inducteurs sont constitués d'une
pluralité de barrettes magnétiques couplées entre elles (par
"couplées", on entend des barrettes qui coopèrent entre elles
de façon à ce que le flux magnétique engendré par les
inducteurs puisse passer d'une barrette à l'autre barrette),
disposées parallèlement à la direction de déplacement de la
bande à chauffer et pouvant être individuellement déplacées
perpendiculairement à la surface de ladite bande de manière à
adapter la distribution de flux à la largeur de la bande,
suivant les dimensions de cette dernière.
Or, même ce type de chauffage par induction électromagnétique
ne permet pas de correctement contrôler les fluctuations de
température au niveau des rives de la bande à chauffer. En
effet, les barrettes magnétiques en retrait par rapport à
ladite bande continuent d'exercer une influence, certes plus
faible, sur la distribution de flux magnétique et donc sur la
température et il en résulte que la courbe de distribution de
température montre une concentration des courants induits sur
les rives.
Par ailleurs, on connaît également EP-A-O 667 731 qui
divulgue un dispositif de chauffage par induction
électromagnétique à flux transverse dans lequel on fait
varier la longueur des bobinages afin d'adapter la
distribution de flux aux largeurs de bande. Pour ce faire, ce
document propose de réaliser ces bobinages en assemblant deux
inducteurs opposés en forme de J qui peuvent translater
librement dans une direction parallèle à la largeur de bande.
Comme pour le brevet américain mentionné ci-dessus, ce
dispositif ne permet pas d'obtenir une homogénéité
transversale en température très satisfaisante.
CA 02343677 2001-04-11
4
Compte-tenu des inconvénients des solutions de l'état
antérieur de la technique rappelée ci-dessus, la présente
invention se propose d'apporter une solution originale en
réalisant un dispositif de chauffage par induction
électromagnétique à flux transverse dont le circuit
magnétique, réalisé par une pluralité de barrettes
magnétiques indépendantes, s'adapte à la largeur de la bande
à chauffer. Ce dispositif permet ainsi d'améliorer
l'homogénéité thermique dans le sens de la largeur de la
bande à chauffer.
A cet effet, l'invention apporte un dispositif de chauffage
par induction électromagnétique d'une bande métallique
défilant dans une direction déterminée comprenant au moins un
bobinage électrique disposé en regard d'au moins une des
grandes faces de ladite bande afin de chauffer cette dernière
par induction à flux magnétique transverse, chaque bobinage
étant associé à au moins un circuit magnétique, chaque
circuit étant divisé en une pluralité de barrettes
magnétiques non couplées entre elles et disposées
parallèlement à la direction de défilement de la bande, ledit
dispositif étant caractérisé en ce que ledit circuit
magnétique, constitué de ladite pluralité de barrettes,
indépendantes les unes des autres, s'adapte à la largeur de
la bande à chauffer en écartant ou en rapprochant lesdites
barrettes les unes clés autres, de manière à adapter en
continu la distribution dudit flux magnétique aux dimensions
caractéristiques de ladite bande.
Ainsi, grâce à la présente invention, quelle que soit la
largeur de la bande à. chauffer, le volume donc le poids du
circuit magnétique reste invariable.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le
dispositif de chauffage par induction électromagnétique
CA 02343677 2001-04-11
comporte également des écrans en matériaux de bonne
conductibilité électrique placés dans l'entrefer de part et
d'autre de la bande et. au niveau des rives de cette dernière,
de manière à optimiser l'homogénéité de la température
5 transversale.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention,
on donne à la surface du circuit magnétique qui est en regard
de l'une des grandes faces de la bande à chauffer un profil
"polaire" adapté (bisi.riusoïdal par exemple) par découpage des
tôles magnétiques constituant ce circuit de façon à obtenir
une meilleure distribution du flux magnétique, et plus
particulièrement au niveau des rives de ladite bande. Par
profil "polaire", on entend une surface du circuit magnétique
qui est courbe dans les trois directions de l'espace.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente
invention ressortiront de la description faite ci-après, en
référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples
de réalisation et d'application dépourvus de tout caractère
limitatif. Sur les dessins :
- les figures la et lb illustrent des dispositifs de
chauffage par induction électromagnétique connus de l'art
antérieur, respectivement à flux longitudinal et flux
transverse ;
- les figures 2a et 2b sont des vues partielles, en
perspective du dispositif de chauffage par induction selon
l'invention dans deux positions ;
- les figures 3a et 3b sont des vues partielles, en
perspective du dispositif de la figure 1 muni d'écrans en
matériaux de bonne conductibilité électrique couplés à des
plots magnétiques ;
CA 02343677 2001-04-11
6
la figure 4 est une vue schématique et partielle d'un
exemple de profil polaire (surface du circuit magnétique en
regard de la bande à chauffer) ;
- la figure 5 est une vue schématique et partielle d'une
installation classique de recuit brillant d'acier inoxydable.
Si on se réfère aux dessins, et plus particulièrement aux
figures 2a et 2b, on voit que le dispositif de chauffage par
induction électromagnétique à flux transverse selon la
présente invention comprend notamment deux armatures
magnétiques respectivement 1 et 1' pourvues d'au moins un
bobinage électrique 2 et disposées face-à-face de part et
d'autre d'une bande 4 à chauffer. Cette dernière peut être
par exemple guidée dans l'entrefer défini entre les circuits
magnétiques à l'aide de rouleaux (non représentés) et ainsi
être transférée dans la zone de chauffage. Son déplacement
est généralement continu lors du procédé de chauffage selon
l'invention.
En variante, et selon l'application désirée de ce dispositif
de chauffage, on peut disposer au moins une armature
magnétique 1 pourvue d'au moins un bobinage électrique 2 en
regard de seulement l'une des grandes faces de la bande 4 à
chauffer.
Selon la technique connue dite du flux transverse, le flux
magnétique engendré par les bobinages électriques 2 traverse
la bande à chauffer 4 et induit dans celle-ci un courant qui
circule dans le plan de ladite bande et qui se ferme en
boucle au niveau des rives. Pour ce faire, le ou les
bobinages 2 sont alimentées à l'aide d'un courant alternatif
à fréquence moyenne (par exemple, de l'ordre de 50 à 20000 Hz
environ).
CA 02343677 2001-04-11
7
Pour assurer le guidage du flux magnétique engendré par les
bobinages 2 notamment au niveau des rives de ladite bande, on
dispose un circuit magnétique 6 sur toute ou une partie de la
longueur desdits bobinages. Ce circuit est constitué d'une
pluralité de barrettes magnétiques 8 disposées parallèlement
à la direction de défilement de la bande 4 à chauffer.
Selon l'invention, les barrettes 8 composant le circuit
magnétique 6 ne sont pas couplées entre elles et sont
disposées parallèles les unes par rapport aux autres. Ces
barrettes sont donc indépendantes les unes des autres et
elles sont aussi indépendantes des bobinages électriques. En
outre, elles peuvent coulisser à l'aide de moyens 10 au
niveau des bobinages électriques 2 de manière à s'écarter ou
se rapprocher les unes des autres, les bobinages électriques
restant fixes. Ainsi, l'espacement entre deux barrettes
adjacentes peut être agrandi ou rétréci, en continu, sous
l'action desdits moyens 10. Il en résulte que la distribution
de flux magnétique peut être adaptée aux dimensions de la
bande 4, et notamment à sa largeur (cf. figure 2b).
Cette caractéristique essentielle de la présente invention
permet d'obtenir, non seulement un dispositif de chauffage à
induction adaptable ài différentes largeurs de la bande à
chauffer, mais surtout l'homogénéité thermique obtenue dans
le sens de la largeur de ladite bande reste optimale quelque
soit la largeur de celle-ci.
En effet, le positionnement spatial des barrettes magnétiques
associé à un profil polaire adapté, permettent d'agir sur la
circulation des courants induits et donc de maîtriser la
distribution de température transversale.
Les moyens 10 permettant de faire coulisser, en continu, les
barrettes magnétiques 8 au niveau des bobinages électriques
CA 02343677 2001-04-11
8
2, mais sans déplacer ces derniers, sont constitués notamment
par au moins deux rails 11 et 11' parallèles disposés de
chaque côté de la surface de la bande 4 et
perpendiculairement à la direction de déplacement de celle-
ci. Ces rails supportent une pluralité d'armatures 12,
chacune de ces armatures étant fixée à au moins une barrette
8. De préférence, on alterne le support des armatures de deux
barrettes adjacentes sur les deux rails 11 et 11' de manière
à réduire l'encombrement lorsque la largeur du circuit
magnétique 6 est minimale (cas où l'espacement entre les
barrettes est minimal). Les armatures viennent coulisser sur
les rails à l'aide de galets 13 ou analogues de façon
indépendante entre elles ce qui permet un ajustement très
précis, optimal et en continu de la largeur du circuit
magnétique et donc de la distribution de flux. Ainsi, on peut
réaliser par exemple une largeur du circuit magnétique
variant de 800 à 1500 millimètres.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention,
l'espacement entre deux barrettes magnétiques 8 adjacentes
peut être ajusté manuellement ou automatiquement afin
d'obtenir la distribution magnétique souhaitée.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention
(cf. figures 3a et 3b'), afin d'optimiser l'homogénéité de la
température transversale de la bande à chauffer, on dispose
des écrans 14 dans l'entrefer de part et d'autre de ladite
bande et au niveau des rives de cette dernière. De tels
écrans sont réalisés en matériau possédant une bonne
conductibilité électrique par exemple du type cuivre,
aluminium ou argent. Ils ont pour fonction d'ajuster le flux
magnétique au niveau des rives de la bande afin de maîtriser
la température des rives de ladite bande.
CA 02343677 2001-04-11
9
De plus, ces écrans sont également fixés sur des armatures 15
supportées par des rails par l'intermédiaire de galets ou
analogues de manière à pouvoir être animés d'un mouvement de
translation suivant la largeur de la bande utilisée. En
variante, on peut également fixer ces écrans directement sur
les barrettes magnétiques d'extrémité qui sont en regard des
rives de la bande à chauffer.
Selon encore une autre caractéristique avantageuse de
l'invention, on peut également disposer des plots magnétiques
16 sur les armatures 15 supportant les écrans 14 de manière à
affiner la distribution du flux magnétique sur la largeur de
la bande, notamment de tels plots permettent de combler
d'éventuelles hétérogénéités de température. Ces plots
magnétiques 16 peuvent: être couplés aux écrans 15 de bonne
conductibilité électrique et/ou aux barrettes magnétiques 8
ou bien être disposés sans écrans.
Selon encore une autre caractéristique avantageuse de
l'invention (cf. figure 4), on donne à la surface du circuit
magnétique 6 de chaque armature (1, 1') qui est en regard de
l'une des grandes faces de la bande 4 un profil "polaire",
adapté de façon à obtenir une distribution maîtrisée du flux
magnétique généré par les bobinages électriques 2, en
particulier au niveau des rives de ladite bande.
Selon encore une autre caractéristique avantageuse de
l'invention, on ajoute une spire en court-circuit (non
représentée) de part et d'autre du dispositif de chauffage,
perpendiculairement aux barrettes du circuit magnétique et
enlaçant la bande en déplacement afin de réduire les champs
magnétiques de fuite aux extrémités de l'inducteur.
CA 02343677 2001-04-11
On décrira maintenant un exemple d'application avantageuse du
dispositif de chauffage à induction électromagnétique selon
l'invention.
5 La figure 5 représente une vue schématique et partielle d'une
installation de recuit brillant, par exemple d'acier
inoxydable. Une telle ligne de recuit est disposée sur un
seul brin vertical dont la hauteur totale ne doit pas excéder
50 mètres environ. La bande à chauffer 18 qui est guidée par
10 des rouleaux 19, traverse sur cette hauteur, d'abord une zone
de chauffage 20 puis une zone de refroidissement 21. De façon
connue pou r une bande d'acier non magnétique, celle-ci entre
dans la zone de chauffage à température ambiante (20 C
environ), doit en ressortir à une température de 1150 C et
être ensuite refroidie pour atteindre une température de
100 C en fin de ligne.
On connaît des dispositifs de chauffage à gaz ou à
résistances électriques dont la hauteur sur une telle ligne
est de 30 mètres environ ce qui laisse peu de place pour le
refroidissement de la bande. En conséquence, de tels
dispositifs fonctionnent avec une vitesse de déplacement de
la bande à chauffer typiquement de l'ordre de 60 mètres par
minute.
Le dispositif de chauffage par induction électromagnétique
selon l'invention appliqué à une telle installation a pour
avantage de pouvoir réduire la hauteur d'encombrement de la
zone de chauffage jusqu'à 10 mètres environ, ce qui ménage
beaucoup plus de place pour le refroidissement et permet
ainsi d'atteindre une vitesse de ligne de 120 mètres par
minute pour de l'acier inoxydable ayant une épaisseur de 0,5
millimètre environ.
CA 02343677 2001-04-11
11
La présente invention telle que décrite précédemment offre
donc de multiples avantages. Elle permet à partir d'un
dispositif de chauffage par induction électromagnétique
utilisant des circuits magnétiques à largeur variable de
créer un flux magnétique de forte intensité pour des
fréquences moyennes. Cette densité de flux magnétique permet
d'atteindre une densité de puissance transmise à la bande à
chauffer, supérieure à celle des moyens de chauffage connus.
Grâce aux caractéristiques de l'invention, il n'existe pas de
matière magnétique dans les espaces inter-barrettes,
contrairement aux systèmes selon l'état antérieur de la
technique. De plus, le rendement électrique de ce dispositif
est supérieur à celui des technologies connues. En outre, un
tel dispositif permet d'obtenir une homogénéité thermique
satisfaisante dans le sens de la largeur de la bande.
