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RÉSUMÉ
Le chauffage par induction électromagnétique est une des principales applications de l’électricité en fonderie. Le four à induction à creuset permet la fusion de la plupart des alliages métalliques avec un rendement supérieur à 70 %. Après les convertisseurs électriques de courant, ce sont les diodes de puissance et les thyristors qui permettent d’obtenir une densité de courant élevée et une vitesse de fusion supérieure. Puissant et moins polluant que les autres moyens de fusion, le four à induction à moyenne fréquence équipe aujourd’hui la plupart des fonderies modernes. Après quelques rappels sur les effets électromagnétiques du courant électrique, cet article a pour objectif d’exposer le principe fondamental des courants induits et son application aux fours à induction à creuset.
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Jean-Pierre GAUCHÉ : Ingénieur physico-chimiste (EOA de Paris) - Professeur à l’École Supérieure de Fonderie et de Forge, Sèvres - Expert auprès du Centre Technique des Industries de la Fonderie, Sèvres, France
INTRODUCTION
L’apparition des fours électriques offre l’avantage d’un rendement d’utilisation de l’énergie thermique beaucoup plus élevé que celui des fours à combustible. Cela tient presque essentiellement à la réduction des pertes par les fumées.
Pour comparer les possibilités de l’électrothermie au chauffage des fours industriels par combustible, il est commode de considérer le coefficient de substitution qui est de l’ordre de deux à trois fois plus pour le rendement de l’électricité.
La maturité du développement des diodes et des thyristors de puissance autorise la construction de générateurs électriques basés sur l’utilisation de champ magnétique variable. En effet, les courants induits, ou courants de Foucault, produits par ces équipements permettent d’obtenir, par effet Joule, des puissances thermiques suffisamment importantes pour qu’elles puissent assurer industriellement la fusion des métaux.
Ce type de générateur thermoélectrique de fusion, pour la fonderie, est le four électrique à induction. À partir de ce modèle d’équipement, les constructeurs de four ont décliné plusieurs types de capacité et de puissance électrique destinés à l’industrie, notamment celle de la fonderie.
Après une introduction sur les champs magnétiques, le rappel des principes de l’application des champs électromagnétiques, le présent article expose ce procédé moderne de fusion des métaux et la conception des fours à induction à creuset. Y sont également décrits le revêtement réfractaire du creuset, les conditions d’exploitation de ce type de four et son usage en fonderie.
L’électricité gagne la sidérurgie avec le four à arc (1815) et ensuite la fonderie avec les fours à induction (1899).
Parmi les pionniers de cette technologie, citons Kjellin, Rodenhauser, Wyatt et Russ. À partir de 1920, les progrès apportés aux condensateurs statiques et aux convertisseurs permettent la poursuite du développement des fours à induction.
Néanmoins, il faut attendre 1930 pour voir apparaître en fonderie des fours jusqu’à 4 tonnes de capacité . À partir de 1955, la progression est rapide, notamment en fonderie de fonte et d’alliages cuivreux.
Dès la crise pétrolière de 1973, il faut économiser l’énergie en améliorant le rendement de la fusion électrique. La maturité du développement des diodes et des thyristors de puissance autorise le développement de la moyenne fréquence, notamment en fonderie d’acier et de fonte.
Ces nouvelles possibilités, la stabilité du coût de l’électricité et le renforcement des contraintes environnementales des années 1990 orientent définitivement les investissements, en fonderie, vers la fusion électrique à induction.
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Principes fondamentaux de l’induction
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1. Effets des champs électromagnétiques
Les mécanismes de transformation de l’énergie magnétique en énergie thermique ne sont pas encore totalement vulgarisés, ils ont pourtant été établis dès le début de l’année 1830 à partir des travaux d’Oersted.
Ce sont Maxwell, Faraday et Lenz qui ont plus précisément défini les principales lois de l’électromagnétisme. Les équations de Maxwell permettent de calculer tous les phénomènes électromagnétiques. Les lois de Faraday et Lenz permettent de les expliquer et de les démontrer.
Ces phénomènes sont respectivement appelés : champ électrique, champ magnétique, induction électrique et induction magnétique.
1.1 Champs électromagnétiques appliqués aux matériaux conducteurs
Le lecteur est invité à consulter l'ouvrage pour une approche plus complète.
HAUT DE PAGE
D’après Maxwell, la puissance électromagnétique peut s’écrire :
avec :
- H :
- champ magnétique,
- B :
- induction magnétique,
- E :
- champ électrique,
- J :
- densité...
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Effets des champs électromagnétiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HALLOT (L.) - Les fours électriques de fusion et de maintien des métaux - Cinelli (1994).
-
(2) - EDF - Induction électrique dans l’industrie - DOPEE 85, p. 780 (1996).
-
(3) - GAUCHÉ (J.-P.) - Pratique de l’induction en fonderie - ETIF, 166 p. ISBN : 978-2-71-190243-9 (2010).
-
(4) - BRIAND (M.), ORFEUIL (M.), THOMASSIN (M.-R.) - Cahiers des industries métallurgiques mécaniques et électriques - Spécial induction, EDF, N° 1 (octobre 1979).
-
(5) - GABIS (V.), GAUCHÉ (J.-P.) - Les réfractaires en fonderie - ETIF, 230 p. ISBN : 978-2-71-190227-9 (2008).
-
(6) - PASTOURIAUX (L.), VAROQUAUX (A.), BELLIER (M.), GALICHON (A.) - Électricité Industrielle - Librairie...
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ABP Induction :
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