L'induction au service de l'industrie - Claude Oberlin.pdf

20/12/2013
Auteurs : Claude Oberlin
Publication 3EI 3EI 2003- Journées
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2003-:5527
DOI :

Résumé

L'induction au service de l'industrie - Claude Oberlin.pdf

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Article_Oberlin Page 1/19 L’INDUCTION AU SERVICE DE L’INDUSTRIE : PANORAMA DES APPLICATIONS INDUSTRIELLES C. Oberlin, Responsable du Traité « Génie électrique » des Techniques de l’Ingénieur Article_Oberlin Page 2/19 Sommaire Sommaire ................................................................................................................................... 2 I. Avant-propos........................................................................................................................... 3 II. Généralités sur l’induction..................................................................................................... 3 II.1. Principes de base de l’induction ..................................................................................... 3 II.2. L’applicateur en induction.............................................................................................. 5 II.2.1. Source de puissance................................................................................................ 6 II.2.2. L’ inducteur ............................................................................................................ 7 II.2.3. Les composants électrotechniques........................................................................... 7 III. Les applications de l’induction ............................................................................................ 7 III.1 Les applications thermiques en métallurgie................................................................... 7 III.1.1. La fusion des métaux ou de leurs alliages.............................................................. 8 III.1.2. Le réchauffage avant formage................................................................................ 8 III.1.3. Traitements thermiques de finition......................................................................... 9 III.1.4.Traitements de surface .......................................................................................... 12 III.1.5. Les procédés d’assemblage.................................................................................. 13 III.2. Les applications en chimie .......................................................................................... 16 III.3. Les applications en agro-alimentaire........................................................................... 16 III.4. Les applications dans l’élaboration des matériaux...................................................... 17 III.5. Les applications non thermiques en métallurgie......................................................... 18 IV. Conclusion ......................................................................................................................... 19 Article_Oberlin Page 3/19 I. Avant-propos Une des propriétés les plus remarquables de l’électricité comme source d’énergie thermique est son caractère protéiforme ; elle est, en effet, mobilisable sous des formes très diverses en fonction du mode de transmission de l’énergie électrique. Les procédés électrothermiques peuvent être divisés en deux grandes catégories : • le chauffage indirect, où la transmission d’énergie de la source vers le récepteur (corps à chauffer) obéit aux lois usuelles de la thermique ; • le chauffage direct, où le récepteur, parcouru par un courant électrique, est donc lui- même le siège du dégagement de chaleur, les échanges ultérieurs de chaleur s’effectuant selon les lois de la thermique classique. Le tableau 1 donne la liste des différentes technologies électrothermiques se répartissant entre ces deux familles. Chauffage direct Chauffage indirect Chauffage direct par résistances : conduction, chauffage ohmique Chauffage par induction Chauffage diélectrique : - haute fréquence ; - hyperfréquence (micro-onde) Chauffage par bombardement électronique Chauffage par laser Chauffage direct par arc Chauffage indirect par résistances Chauffage par rayonnement infrarouge Chauffage indirect par arc Chauffage par plasma Tableau 1 : Répartition des procédés électrothermiques II. Généralités sur l’induction 1873 : James MAXWELL publie son traité d’électricité et de magnétisme. C’est uniquement par un raisonnement purement mathématique qu’il imagine que toute perturbation d’ordre électrique donne naissance à des oscillations dites électromagnétiques de fréquences diverses, non perceptibles par nos sens et qui se propagent à travers tout l’espace. 1887 : Heinrich HERTZ démontre par l’expérience la réalité de la théorie de MAXWELL. Ces deux chercheurs sont à la base de l’électromagnétisme moderne et leur théorie fait encore de nos jours ‘la joie des étudiants’ du secteur scientifique. II.1. Principes de base de l’induction Le matériau conducteur électrique est placé dans un champ magnétique variable qui peut être créé, par exemple, par un applicateur souvent en forme de solénoïde ( ou inducteur ) aux bornes duquel on applique une différence de potentiel U, alternative, de fréquence f. Article_Oberlin Page 4/19 Le courant alternatif produit par cette tension crée à l’intérieur et à l’extérieur de la bobine un champ magnétique variable. Un corps conducteur introduit dans l’applicateur est traversé par un flux magnétique variable (figure 1). Figure 1 : Schéma de principe du chauffage par induction La densité des courants induits j responsables de l’effet thermique (en opposition retard de phase avec les courants inducteurs, et perpendiculaire au champ magnétique créé par l’inducteur), interagit avec l’induction magnétique B qui lui a donné naissance. La densité volumique de force de Laplace dF/dτ = j ΛΛΛΛ B (perpendiculaire à la fois à la densité de courants induits et à l’induction magnétique, elle est toujours dirigée vers l’intérieur de la charge : c’est une force de compression pulsante à deux fois la fréquence du courant inducteur) qui en résulte est à l’origine d’effets mécaniques. Dans le cas des matériaux liquides, deux types d’effet apparaissent : • l’effet de la pression mécanique sur la périphérie de la charge qui se trouve comprimée. La résultante de ces forces de pression peut équilibrer le poids d’un volume liquide qui peut être ainsi maintenu en lévitation ; • si la pression électromagnétique n’est pas distribuée uniformément à la périphérie de la charge, les différences de pression engendrent des écoulements de recirculation à l’origine d’un brassage turbulent intense dans le liquide. La fréquence f (en Hz) joue un rôle essentiel sur la genèse des courants induits par son influence sur l’épaisseur de "peau" δ (en m) définie par la relation: δ= ( ρ / π.f.µ )1/2 , avec ρ en Ω.m et µ en H/m (µ = µ0.µ r ; µ0 : perméabilité magnétique du vide : 4π.10-7 H/m ; Article_Oberlin Page 5/19 µr : perméabilité relative du matériau) étant respectivement la résistivité et la perméabilité de la charge. Il existe donc un rapport δ / L (L : dimension caractéristique de la charge) optimum pour produire un effet induit déterminé. L’optimum est obtenu pour les applications suivantes : - chauffage : δ / L ~ 1/3 à 1/5 - fusion des métaux : δ / L ~ 1/3 à 1/5 - fusion des oxydes : δ / L ~1 - brassage: δ / L ~ 1/5 - lévitation: δ / L ~ 1/4 La puissance transférée à la pièce est donnée par la relation suivante : Pc # ρ . H2 . S . F / δ (1) avec Pc : puissance injectée dans la pièce ρ : résistivité électrique de la pièce δ : profondeur de peau H : champ magnétique efficace créé par l'inducteur solénoïde S : surface de la pièce F : facteur de transfert de puissance fonction de D/δ (D : épaisseur ou diamètre de la pièce). II.2. L’applicateur en induction Au cœur du chauffage par induction, l’applicateur constitue pour l’utilisateur, la pièce maîtresse de l’équipement dont dépendent la qualité et l’efficacité du processus thermique. Inducteur et application sont indissociables, et il y a en principe, sinon un inducteur par application, tout au moins une famille d’inducteurs par famille d’applications. Le schéma de base de tout applicateur comporte trois constituants : • La source de puissance électrique caractérisée par la tension U et la fréquence f ; • L’inducteur, de géométrie cylindrique le plus souvent, mais qui peut se présenter sous beaucoup d’autres configurations ; • La charge conductrice, soit à l’état solide, liquide (métaux fondus) ou plasma (gaz ionisé) : dans tous les cas, elle est assimilée à une spire en court-circuit dans le champ de l’inducteur. Dans la pratique, la charge peut être chauffée par induction de deux façons : par chauffage direct, c’est la situation la plus fréquemment rencontrée dans l’industrie ; par chauffage indirect qui consiste à chauffer un élément sensible à l’induction, le suscepteur, qui transmet la chaleur à la charge lorsque celle-ci est peu dissipative. Article_Oberlin Page 6/19 II.2.1. Source de puissance La figure 2 montre le schéma de principe d’une installation de chauffage par induction. A partir du réseau 50 Hz, un convertisseur permet de générer le courant électrique à la fréquence souhaitée. Un adaptateur permet d’ajuster la tension injectée dans l’inducteur dans lequel est placée la charge à chauffer. Figure 2 : Schéma de principe d’une installation de chauffage par induction On distingue deux grandes familles de convertisseurs dont le principe est rappelé ci-dessous : • Les convertisseurs rotatifs constitués d’alternateurs entraînés par un moteur tournant à vitesse fixe, conduisant à une fréquence limitée, en général, à 10 kHz ; • Les convertisseurs statiques. Leur principe est donné sur la figure 3. La tension du réseau est ajustée, puis redressée avant d’être découpée à la fréquence voulue pour alimenter l’inducteur formant ainsi un onduleur. L’inducteur est associé à une capacité de manière à former un circuit accordé à la fréquence cherchée. La résonance est détectée et sert, grâce au circuit de commande, à piloter l’onduleur. La fréquence de fonctionnement est ainsi variable et ajustée aux conditions de résonance de la charge. Figure 3 : Schéma de principe d’un générateur à induction Article_Oberlin Page 7/19 II.2.2. L’ inducteur C’est un des éléments essentiels d’une installation. Chargé de créer le champ magnétique, il doit supporter des courants importants en engendrant le minimum de pertes Joule. On utilise donc du cuivre pour le réaliser sous différentes configurations liées aux applications industrielles : - les inducteurs conventionnels sont constitués par des solénoïdes (cylindriques circulaires ou parallélépipédiques, pyramidaux, coniques,…) entourant les pièces à chauffer ; - les inducteurs spéciaux adaptés aux formes géométriques plus ou moins complexes des pièces à traiter. II.2.3. Les composants électrotechniques Les condensateurs du circuit oscillant ont des capacités qui se chiffrent en microfarads, voire en nanofarads pour les usages à haute fréquence ; par contre, ils doivent pouvoir supporter des tensions et des fréquences élevées, ainsi que des courants importants. Ils sont en céramique pour le fonctionnement en haute tension ; des éléments capables de fournir 1Mvar à 500 kHz sont disponibles sur le marché Dès que la fréquence d’oscillation est supérieure à 10 kHz, les transformateurs à circuit magnétique feuilleté classiques ne sont plus utilisables ; ils sont remplacés par des circuits en ferrite se présentant sous forme de barreaux ou de U à assembler. De tels transformateurs de forte puissance fonctionnant à plus de 100 kHz sont disponibles. III. Les applications de l’induction A fréquence et champ magnétique donnés, les propriétés physiques du corps à chauffer ont également une influence importante sur la puissance injectée. La résistivité ρ est généralement plus forte pour les métaux ferreux comme l’acier ou la fonte que pour les métaux non ferreux comme le cuivre ou l’aluminium. La croissance de la résistivité avec la température, assez forte pour les métaux usuels, est un facteur favorable au chauffage par induction et, en particulier, à la fusion des métaux puisque leur résistivité croît fortement au point de fusion. Pour les corps ferromagnétiques, la puissance injectée est très supérieure à une température inférieure au point de Curie à celle injectée au-dessus du point de Curie (comme le montre la relation (1)); certains systèmes de chauffage par induction utilisent des fréquences différentes avant le point de Curie ( fréquence basse) et après celui-ci (fréquence plus élevée). Ces considérations montrent que le chauffage par induction sera utilisé principalement dans la métallurgie des métaux ou de leurs alliages. III.1 Les applications thermiques en métallurgie L’élaboration de produits ou de demi-produits métallurgiques nécessite cinq grandes opérations : la fusion, le réchauffage avant formage, les traitements thermiques de finition, les traitements de surface et les procédés d’assemblage. Article_Oberlin Page 8/19 III.1.1. La fusion des métaux ou de leurs alliages Il existe deux types de fours de fusion par induction pour les métaux : les fours à induction à creuset et les fours à induction à canal. D’une technologie simple, les fours à creuset sont composés d’une bobine, refroidie par une circulation d’eau, entourant un garnissage en réfractaire dans lequel est placé le matériau à fondre. Ses domaines d’utilisation en moyenne fréquence concernent la refusion pour élaborer des aciers spéciaux en quantités limitées avec changements d’alliages fréquents, la production de masse de fonte à graphite sphéroïdal, la fusion d’alliages d’aluminium (fonderie sous pression) et la fusion d’alliages cuivreux. A cause de l’usure des réfractaires, il existe une puissance maximale à ne pas dépasser : 400 kW/tonne à 50 Hz, voire 1000kW/tonne à des fréquences plus élevées. Les fours à canal se composent essentiellement d’un bassin de métal liquide mis en communication avec un canal comportant une ou deux boucles. Un inducteur est bobiné autour d’un circuit magnétique entourant le canal. Les domaines d’utilisation concernent les fours de maintien pour l’acier et la fonte, la fusion d’alliages cuivreux et la fusion et le maintien d’alliages d’aluminium. III.1.2. Le réchauffage avant formage La déformation à chaud est une opération fondamentale de la métallurgie. Elle consomme beaucoup d'énergie, d'autant plus que l'obtention d'une pièce nécessite généralement plusieurs déformations successives et ainsi plusieurs réchauffages. Réchauffage des brames avant laminage La brame peut être considérée comme un produit intermédiaire de composition chimique connue qui va évoluer vers le produit final en modifiant sa géométrie (réduction d'épaisseur par passage du produit entre deux cylindres animés d'un mouvement de rotation inverse), et en accédant à sa structure métallurgique et ses caractéristiques mécaniques finales. L'opération de mise en forme par laminage à chaud est donc un point de passage obligé. Le métal laminé peut être considéré sous deux aspects : - c'est un produit intermédiaire avant d'autres étapes de fabrication (laminage à froid, traitement thermique ou revêtement) ; - c'est un produit fini à quelques opérations de conditionnement près. Réchauffage des billettes avant formage Les billettes ou blooms se présentent sous forme de parallélépipèdes de section carrée ( côté variant de 40 à 250 mm) ou de cylindres de diamètre compris entre 40 et 250 mm, et de longueur comprise entre 1 à 20 m. Elles se prêtent très bien au chauffage par induction, la moyenne fréquence étant adaptée à la section du produit (50 à 2000 Hz). La technologie la plus simple et la plus répandue pour l'inducteur consiste à bobiner un solénoïde (carré ou rond) autour du produit à traiter. En fonction des dimensions des produits à chauffer, plusieurs possibilités sont offertes pour le réchauffage de billettes : Article_Oberlin Page 9/19 - le chauffage statique ; - le chauffage au défilé en tunnel ; - le chauffage au défilé en nappe. Réchauffage des lopins Les chauffeuses par induction sont très utilisées pour la déformation des métaux ferreux. Dans les forges de faible et moyenne importance, les puissances mises en jeu sont de l'ordre de 500 kW. Pour les grandes forges, les puissances des machines peuvent atteindre plusieurs mégawatts. Les chauffeuses se différencient principalement par le mode d'avancement des pièces et par la forme de l'inducteur. Les différentes chauffeuses rencontrées dans l'industrie sont les suivantes : la chauffeuse à galets (l'avancement des pièces est régulier grâce à des galets moteurs), la chauffeuse à vérin pousseur (l'avancement s'effectue de manière saccadée), la chauffeuse à pas de pèlerin (le transfert des pièces s'effectue par le mouvement d'un jeu de rails mobiles). Jusqu'à des puissances de 2 MW, les chauffeuses sont de type compact, l'onduleur étant directement intégré dans le bâti de la machine. Au-delà de 2 MW, l'onduleur est placé dans une armoire à proximité de la chauffeuse. Les chauffeuses peuvent utiliser des onduleurs de type série ou de type parallèle. La chauffeuse à induction est particulièrement performante en production à cadence déterminée. Les consommations électriques théoriques sont approximativement les suivantes : 450 à 500 kWh/t pour l'acier, 300 à 400 kWh/t pour l'aluminium et 250 à 350 kWh/t pour le cuivre. Réchauffage des barres et tubes Les chauffeuses de barres ont généralement des puissances importantes pouvant aller jusqu'à 10 MW, les diamètres de barres étant compris entre 14 et 150 mm. Le chauffage des tubes concerne deux grandes catégories d'application : - le chauffage total des tubes qui permet leur réduction après soudage longitudinal et leur revêtement ; il s’effectue vers 900 à 950°C et est très vorace en énergie. C'est pourquoi presque tous les fours à gaz employés auparavant ont été remplacés par des fours électriques à onduleurs à moyenne fréquence comprise entre 1500 et 2500 Hz. - le chauffage partiel de tubes pour les cintrer et déformer les embouts par exemple. III.1.3. Traitements thermiques de finition Les traitements thermiques sont destinés à modifier les caractéristiques des matériaux pour renforcer les pièces mécaniques. Ils agissent principalement sur la dureté, la résistance à la rupture, la résilience ou la ductilité. Ils ont également un effet bénéfique sur les propriétés de frottement, la résistance à la corrosion, les propriétés magnétiques et la stabilité dimensionnelle. On distingue les traitements thermiques suivants : les traitements superficiels qui induisent des propriétés particulières en surface, les traitements dans la masse ou à cœur qui confèrent les propriétés recherchées à toute la masse de la pièce, les traitements de surface qui sont des dépôts réalisés par voie thermique ; ils sont décrits pour certaines applications ultérieurement. En 1995, l'activité représentait environ 6 à 8 milliards de francs (0,9 à 1,2 milliards d’euros) , dont 1 milliard de francs (0,15 milliards d’euros) de sous-traitance . La répartition des Article_Oberlin Page 10/19 traitements thermiques par type de traitement ainsi que le pourcentage d'applications par secteur d'activité industrielle sont résumés dans le tableau 2. Type de traitement Répartition Traitement sous atmosphère 40 Traitement sous vide 30 Traitement par induction 15 Traitement plasma 10 Dépôt sous vide 5 Tableau 2 : Répartition par traitement hors secteur automobile intégré (en %) La trempe superficielle C’est une opération localisée qui permet d'obtenir une couche durcie d'épaisseur limitée appelée couche superficielle. Le bon contrôle de la localisation du chauffage, spécificité du chauffage par induction, est obtenu grâce à une double optimisation de la fréquence et de la forme, des dimensions et de la disposition de l'inducteur. Elle est complétée en agissant sur la densité de puissance appliquée et sur la durée du traitement réalisé.. La trempe après un chauffage superficiel par induction fait appel à un très large éventail de fréquences, en moyenne et haute fréquence, comme l'indique le tableau 3. Pour les fréquences supérieures à 500 kHz, on utilise des convertisseurs de fréquence à tubes électroniques. Les inducteurs utilisés pour cette technique sont de deux types : Epaisseur durcie (mm) Fréquence (kHz) Puissance P0 (kW/cm2 ) Temps (s) Types de convertisseurs Familles de pièces 1-2 50 - 500 0,8 - 3 1 - 5 Transistors, triodes Axes, arbres, couronnes, tiges 2-5 5 - 50 0,5 - 1 4 - 10 Thyristors, transistors Trempe de contour de pièces irrégulières 5-10 1 - 8 0,3 - 0,6 5 - 20 Thyristors Grosses couronnes, arbres pour engins, camions, etc. 0,5-1 5 - 10 200 - 300 # 1 < 0,4 Thyristors, transistors Pignonnerie fine, boîtes de vitesse Tableau 3 : Caractéristiques générales d’une installation pour trempe superficielle après chauffage par induction Les inducteurs utilisés pour cette technique sont de deux types : - inducteur à flux axial ou enveloppant (performances limitées pour des pièces irrégulières ou de géométrie complexe) ; Article_Oberlin Page 11/19 - inducteur à culasse magnétique ou à flux dirigé pour les pièces à profil complexe (gamme de fréquences de 1 à 15 kHz, puissances spécifiques comprises entre 1 et 5 kW/cm2 ). Le marché de la trempe après un chauffage superficiel par induction est en progression constante liée aux gains de productivité et de compétitivité obtenus avec cette technique. Les marchés porteurs sont principalement l'industrie de l'automobile et des camions, des tracteurs et des engins de travaux publics ; l'industrie mécanique, et celle de la machine-outil (glissières de banc de machine, règles, têtes de broches, engrenages, alésages coniques de porte-outil et roulements à billes linéaires ; la sous-traitance, les traitements à façon ; les industries électrique et électromécanique, et l'industrie pétrolière. La trempe à cœur Les traitements dans la masse ou à cœur confèrent les propriétés recherchées à toute la masse de la pièce. Ces traitements sont des recuits, des revenus, des trempes à cœur. Le recuit Le recuit se compose d'un chauffage, d'un maintien et d'une phase de refroidissement appropriés de façon à obtenir un matériau dans un état métallurgique stable caractérisé par l'absence de contraintes résiduelles. Il est utilisé notamment : - pour détruire l'écrouissage des métaux (atténuation ou disparition des contraintes internes, obtention de caractéristiques mécaniques précises, restitution de la malléabilité des métaux ou alliages) ; - pour améliorer la structure des produits bruts de coulée, - pour régénérer les aciers surchauffés (recuits d’homogénéisation, de normalisation, d’adoucissement, de détente, de coalescence, de globalisation ou de sphéroïdisation, localisé). - Le recuit de cordons de soudure Les assemblages de conduites métalliques soudés à l'arc présentent des tensions internes ou des phénomènes de durcissement local, qui affaiblissent la résistance du joint soudé. Un recuit de la zone soudée à une température voisine de 620 °C permet d'éliminer ces inconvénients. Le traitement thermique partiel sur place s'est très vite imposé grâce au chauffage par induction qui l'emporte par son efficacité et sa régularité. - Le recuit en continu des bandes d'acier Le traitement en continu s'est développé depuis les années 50 pour le recuit de bandes de faible épaisseur destinées aux lignes d'étamage et la galvanisation au trempé. Deux technologies sont utilisées : - le recuit en continu en amont d'une installation pour augmenter la capacité du four de traitement thermique : il s'agit du "boosting" par induction (inducteur généralement à flux axial) qui permet d'augmenter la capacité des installations existantes fonctionnant essentiellement au gaz. Article_Oberlin Page 12/19 - pour les non-ferreux, le recuit peut se faire en continu sur des bandes fines (épaisseur inférieure à 2 mm). Cette opération nécessite un inducteur à flux transverse ou un inducteur à flux longitudinal fonctionnant à fréquence élevée. - Le recuit de bandes d'acier avec inducteurs à flux transverse Avec la méthode du flux transverse, l'inducteur est plan et placé parallèlement à la bande à chauffer. Cette technique innovante, développée initialement pour le chauffage des bandes d'aluminium et de cuivre est plus complexe pour calculer et concevoir l'inducteur, que la technique du flux longitudinal. - Le revenu et le revenu de détente Le revenu et le revenu de détente s'effectuent sur des pièces ayant préalablement subi une trempe. Par rapport aux traitements classiques en fours thermiques, le revenu par induction permet de traiter les composants individuellement, à des températures plus élevées et avec des temps plus courts. Les pièces traitées sont des arbres primaires et secondaires, des pignons d'attaque, des crémaillères de direction, des tiges d’amortisseurs, etc.. - La trempe à cœur La trempe à cœur est utilisée principalement pour traiter en ligne des tubes et des barres (oléoducs, canalisations, etc.). Elle est réalisée à des fréquences comprises entre 180 Hz et 10 kHz. III.1.4.Traitements de surface Aujourd'hui, dans une automobile, le pourcentage de tôles revêtues varie entre 50 % et 70 ou 80 % pour les véhicules haut de gamme. Dans d'autres secteurs du marché, tel que l'électroménager, la tendance est plutôt d'utiliser des tôles prélaquées pour une mise en forme sans dégradation. Le revêtement le plus utilisé est le zinc pour la galvanisation. Enfin, pour parachever la protection des aciers, un revêtement organique tel qu'une peinture ou un vernis peut être appliqué sur le revêtement métallique. Le chauffage par induction sert à préchauffer les pièces avant revêtement et pour accélérer le séchage ou la polymérisation du revêtement en chauffant le support métallique. Les revêtements de surface s'appliquent essentiellement à des pièces ou à des bandes d'acier, les métaux ferreux étant les plus concernés par les problèmes de corrosion. - L'étamage Les aciers pour emballage (A.P.E) sont utilisés pour le conditionnement des produits alimentaires appertisés, des boissons et des produits techniques non alimentaires. Ils sont essentiellement constitués de fer-blanc et de ses produits dérivés comme le fer chromé ou le fer noir. Associé à l'acier pour former le fer blanc, l'étain est largement utilisé dans l'industrie alimentaire grâce à ses propriétés : bonne soudabilité, tenue à la corrosion, innocuité des sels d'étain et bonne conductivité électrique. Deux procédés sont envisageables : l'étamage à chaud, la pièce à étamer étant plongée dans un bain d'étain fondu et l'étamage électrolytique en continu qui nécessite la refusion de la Article_Oberlin Page 13/19 couche d'étain électrodéposé pour assurer un brillantage et la formation d’un alliage partiel de la couche d'étain en FeSn2 qui conditionne l'adhérence de l'étain. - La galvanisation Une tôle d'acier mise en contact direct avec du zinc liquide voit à sa surface croître un précipité de composés intermétalliques fer-zinc qui assure la résistance à la corrosion de la pièce. Plusieurs techniques de galvanisation sont envisageables : - la galvanisation à chaud en cuve métallique chauffée par induction. En France, sur une quarantaine d'installations de galvanisation pour le traitement à façon, trente-cinq utilisent des inducteurs placés latéralement à l'extérieur, le long des parois verticales pour chauffer la cuve ; - les revêtements métalliques à chaud de tôles en continu. Le développement des revêtements métalliques à chaud au trempé des tôles a été rendu possible par la mise au point de nouvelles nuances d'aciers permettant le recuit en continu et le revêtement sur la même installation. Les lignes de revêtement à chaud au trempé récentes ont des capacités de production dépassant les 200 000 tonnes par an, la capacité des cuves se situant entre 200 et 400 tonnes de métal fondu. Les lignes de traitement importantes disposent généralement de plusieurs cuves et d'un système de transfert du pot contenant le revêtement à déposer ; - le galvannealing. L'utilisation croissante des tôles galvanisées dans la fabrication des carrosseries automobiles conduit à une dégradation accélérée des électrodes de soudage par points. Le zinc du revêtement, liquéfié voire vaporisé, induit le laitonnage des électrodes de cuivre. Le chauffage par induction est parfaitement adapté dans la phase de montée en température par sa compacité (1,5 à 2 MW sur 3 à 5 m) et par la possibilité de générer la chaleur directement à l'interface fer-zinc. La fréquence délivrée par les onduleurs à thyristors se situe entre 7 et 10 kHz. - Revêtements de peintures et vernis Les peintures et les vernis sont déposés en films minces sur les supports à peindre ; les premières contiennent des pigments, tandis que les seconds n'en contiennent pas. Quelles que soient la nature et la forme du revêtement, on retrouve les mêmes éléments sur les lignes de traitement : la préparation de surface - dégraissage, décapage, traitement de surface si nécessaire (phosphatation, chromatation), le système de peinture multicouche (par pulvérisation par pistolage ou électrostatique, trempage classique ou électrodéposition), le système de séchage et de polymérisation performant pour réduire la longueur des zones de traitement. Le chauffage par induction est l'un des modes de séchage utilisés, spécialement pour le revêtement de tôles en bobine ; l'inducteur a l'avantage de chauffer directement la tôle support et de chasser ainsi les solvants vers l'extérieur. III.1.5. Les procédés d’assemblage - Brasage Le brasage regroupe les procédés d'assemblage qui lient les matériaux de base par l'intermédiaire d'une mince couche de métal d'apport, la brasure, plus fusible que les Article_Oberlin Page 14/19 matériaux à lier. Le mécanisme de brasage fait essentiellement intervenir la capillarité du métal d'apport à l'état liquide, dans l'espace entre les constituants à assembler, avant sa diffusion en surface des matériaux. Les avantages de l'induction sont nombreux par rapport au chauffage classique au chalumeau. On peut citer : la localisation naturelle du chauffage entraînant l'absence quasi totale de déformations de la pièce et minimisant les transformations métallurgiques indésirables dans les matériaux de base (trempe, recuit…), le contrôle du cycle rapide de montée en température, suivi du maintien afin d'éviter la décomposition de la brasure ou sa surchauffe, le refroidissement plus rapide permet d'économiser de la brasure, l'automatisation aisée des opérations de brasage qui assure une productivité élevée, et l’absence de rebut de fabrication. La puissance spécifique mise en œuvre en brasage par induction est comprise entre 10 et 100 W/cm2 de surface affectée par le brasage. Compte tenu de la surface concernée, la puissance nominale des équipements utilisés n'excède pas 100 kW et se situe le plus souvent entre 5 et 50 kW. - Soudage Le soudage est une opération qui consiste à assembler par fusion les bords adjacents de deux pièces ou de deux constituants métalliques. Généralement de même nature, elles peuvent, dans certains cas, être de natures différentes, par exemple de l'acier ordinaire et de l'acier inoxydable. Les avantages du soudage par induction sont souvent ceux rencontrés dans le cas du brasage. Le soudage par induction est un soudage par diffusion ; les grains situés de part et d'autre se trouvent raccordés par épitaxie, quand l'opération est terminée. La soudure par induction assure une continuité cristallographique du matériau qui se retrouve dans la bonne tenue mécanique (contraintes de flexion et de tension, dureté acceptable, …). De plus, le soudage par induction ne génère pas des projections d'oxydes et améliore donc la propreté des ateliers. Les applications industrielles les plus courantes sont les suivantes : • Le soudage au défilé longitudinal par induction de tubes métalliques En 1995, le marché mondial du tube métallique se situait autour de 70 000 000 tonnes, dont plus de 80 % sont soudés par induction. Le principe de la technique de soudage par induction de tubes métalliques est le suivant : un feuillard métallique, enroulé en bobine, est déroulé sous tension mécanique. Le feuillard est progressivement déformé par l'action de galets appropriés ; les bords du feuillard se rapprochent sous forme d'un V dont le sommet se situe au niveau des galets de forgeage qui assurent l' interpénétration des surfaces pâteuses et l'expulsion des oxydes. Un inducteur à inductance très faible (50 à 100 nH), constitué par une ou deux spires coaxiales, est disposé immédiatement en amont des galets de forgeage. Il est alimenté par une source de courant d'intensité très élevée (quelques milliers, voire quelques dizaines de milliers d'ampères) fonctionnant à basse tension (50 à 300 V) et à une fréquence comprise entre 100 et 500 kHz. Cette fréquence permet de localiser les courants induits, donc le chauffage résultant dans une épaisseur faible. • Le soudage en statique par induction Article_Oberlin Page 15/19 Différentes applications ont été développées depuis les années 80, en soudage par induction statique, soit bord à bord, soit bout à bout, d'objets ou de pièces métalliques de configurations diverses, creuses (tubes circulaires, ovales, rectangulaires) ou pleines (barres, rails). • Le soudage par induction de matériaux non conducteurs à l'aide d'un implant conducteur Le soudage par induction peut également s'appliquer à des matériaux non conducteurs. Dans ce cas, un suscepteur métallique permet de chauffer les pièces par effet Joule et de réaliser l'opération de soudage. Deux applications industrielles permettent d'illustrer ce procédé de soudage : - le soudage par induction de matériaux composites ou thermoplastiques. Les installations de puissance de 1 à 5 kW fonctionnent à une fréquence comprise entre 3 et 30 MHz. - la réalisation de scellements de type verre-métal. Cette technique d'assemblage permet d'assurer une continuité électrique entre deux milieux dont l'un est hermétiquement fermé : c'est le cas des tubes électroniques. Collage Le collage consiste à assembler solidement et durablement deux matériaux au moyen d'un troisième : un adhésif thermoplastique ou thermodurcissable. Le collage par induction s'applique à des assemblages de matériaux conducteurs de l'électricité, et particulièrement à des assemblages métalliques. Les avantages du procédé sont l'absence de marquage de pièce, une consommation d'énergie réduite, la possibilité de jumeler le cordon de colle et le joint d'étanchéité, la régularité de production et des températures de chauffage, et une installation facilement intégrable sur les lignes de production existantes. L'induction apporte une solution élégante au problème du scellage d'opercules constitués par une feuille mince d'aluminium (20 à 50 µm) sur des contenants réalisés dans une large gamme de matériaux (verre, carton, fer blanc, matières plastiques…) ou de formes diverses : flacons, bouteilles, bocaux à ouverture large, barquettes, etc. Cette opération assure au conditionnement inviolabilité, sécurité, hygiène et conservation des produits. Frettage Le frettage est un procédé d'assemblage thermomécanique, qui consiste en un emmanchement en force et à chaud. Le procédé utilise les phénomènes de dilatation, puis de rétreint localisé pour assembler des pièces ou des composants mécaniques. Le chauffage par induction apporte au procédé la rapidité, la propreté, la régularité et une économie d'énergie (les rendements globaux sont de l'ordre de 90 %). Le frettage par induction présente également l'avantage d'être réversible, ce qui n'est pas le cas du soudage ou du collage. C'est dans l'industrie automobile que le frettage est très utilisé pour assembler des couronnes de lancement sur des volants (démarreurs, par exemple), des bagues de roulements sur des axes, des cylindres entre eux, etc. Article_Oberlin Page 16/19 Le thermopressage Le thermopressage par induction est une technologie d'assemblage, intermédiaire entre le brasage et le soudage. La principale application de cette technologie est l'assemblage par des fonds diffuseurs sur des articles ménagers en acier inoxydable. Le thermopressage peut également s'appliquer à toutes les familles d'objets issus d'un assemblage de métaux empilés ou en sandwich : cuve anticorrosion pour l'industrie chimique, échangeurs thermiques à plaques, radiateurs, résistances électriques haute température, etc. III.2. Les applications en chimie Dans la chaîne de fabrication des produits en chimie fine, les réacteurs assurent la production des produits actifs. La plupart de ces réacteurs fonctionnent en discontinu. Les fonctions d’un réacteur chimique sont multiples et varient d’une application à l’autre. Néanmoins, trois fonctions essentielles se distinguent et sont communes à la quasi-totalité des appareils : l’agitation, le chauffage et le refroidissement. Les réacteurs sont des enceintes cylindriques autour desquelles est bobiné un enroulement de cuivre parcouru par un courant alternatif. Le chauffage par induction trouve ainsi une application à des températures maximales de 250°C, bien inférieures à celles de son utilisation en métallurgie. Il permet d’éviter les contraintes dues aux fluides caloporteurs et supprime en particulier toute inertie thermique ; les temps de mise en route sont très réduits. Les réacteurs à induction sont principalement utilisés pour : * la fabrication des résines dérivées pour la plupart du phénol ou d’alkyl-phénol utilisés dans les secteurs de l’automobile, du bâtiment et de la chaussure, de peintures et de vernis isolants destinés à l’émaillage et à l’imprégnation pour la confection des rotors, stators, transformateurs et bobinages divers ; * la fabrication de colles, de produits d’étanchéité et d’enduits spéciaux ; * le chauffage des réservoirs de stockage, des autoclaves, la purification d’acide sulfurique dans l’industrie pétrolière et chimique ; * le chauffage des produits chimiques et des huiles dans l’industrie pharmaceutique et la chimie fine. III.3. Les applications en agro-alimentaire Dans le cas du chauffage par induction, l’industrie agro-alimentaire a largement bénéficié des transferts de technologie d’autres secteurs. On peut citer comme exemples la cuisson- extrusion dérivée de l’industrie du plastique, la cuisson de produits avec des cuiseurs dérivés des réacteurs chimiques. D’autres applications concernent la cuisson, dans des cuves ou des marmites, de produits à forte valeur ajoutée tels que les confiseries, les sauces, etc.. Les applications de l’induction à la cuisson de produits de faible épaisseur, tels que les crêpes ou les fonds de pizza ou nécessitant un traitement thermique de surface (braisage, rissolage, etc.) commencent à faire leur apparition. Dans le domaine de la cuisson, on ne peut passer sous silence les applications de l’induction dans les secteurs tertiaire et domestique. L’application du principe de l’induction en cuisines professionnelles et domestiques présente de nombreux avantages par rapport aux procédés classiques (chauffage par résistance ou au gaz) : le chauffage direct du récipient seul sans inertie thermique avec une répartition homogène de la température, une puissance Article_Oberlin Page 17/19 instantanée disponible avec des changements de température immédiats, le réglage à 1% près de la puissance délivrée, une économie d’énergie (dès que la casserole est enlevée, la consommation d’énergie est nulle), la sécurité et le confort accrus pour l’utilisateur, et la propreté, car la température de la vitrocéramique reste basse et les projections ne carbonisent pas. Les plaques à induction présentent néanmoins deux inconvénients : elles sont plus chères en investissement et elles sont conçues pour fonctionner avec des récipients à fond métallique, le plus souvent magnétique (la marque « Class Induction » a été définie pour le grand public). III.4. Les applications dans l’élaboration des matériaux Le frittage des poudres métalliques Le frittage d’une poudre permet la transformation d’un matériau pulvérulent en un solide de bonne cohésion ; l’opération est obtenue par la diffusion entre les grains mécaniquement juxtaposés de la matière portée à haute température. Les domaines d’utilisation concernent pour les poudres fortement compactées la reconstitution de métaux et formes métalliques, et pour les poudres faiblement compactées l’élaboration de matériaux solides poreux (filtrage, paliers mécaniques, électrodes de batteries, etc.). La fabrication de la fibre de verre pour l’isolation Le verre liquide est introduit à l’intérieur d’une filière, appelée assiette de fibrage, percée en périphérie de 6000 à 20000 trous suivant le diamètre de la filière. L’assiette animée d’une vitesse de rotation élevée (6000 à 8000 tours par minute) permet la centrifugation du verre liquide à travers les trous de la filière réchauffée par des brûleurs (éviter le figeage du verre et assurer une température adaptée à la formation des fibres). La flamme seule étant incapable d’assurer une régulation fine dont dépend la qualité de la fibre élaborée, l’induction moyenne fréquence intervient en complémentarité (6% de l’énergie utilisée) pour réguler finement la température de travail de la filière. Les avantages constatés sont les suivants : production accrue de 30 à 40%, durée de vie des filières augmentée de 100%. La fusion en autocreuset inductif Pour beaucoup de matériaux sensibles (grande pureté ou réactivité prononcée) ou réfractaires, les creusets chauds deviennent inopérants. La technologie basée sur le principe de l’autocreuset prend alors le relais dans lequel on réalise la fusion d’un matériau à l’intérieur d’une pellicule ou d’une croûte de ce même matériau ; la solidification pelliculaire a lieu naturellement lors du contact du matériau liquide avec une paroi refroidie. L’énergie de fusion ou de maintien à l’état liquide est fournie par induction au travers de la paroi refroidie. Les deux technologies d’applicateurs inductifs pour autocreuset sont la spire directe et le creuset froid. La spire directe joue à la fois le rôle d’inducteur et celui de creuset de fusion ; la croûte autocreuset se forme au contact immédiat de la paroi intérieure de la spire refroidie par eau. De construction simple, elle présente un bon rendement global. Contrairement au cas précédent, la technologie du creuset froid l’inducteur (solénoïde alimenté de 50 kHz à 4 MHz) et le creuset froid constitué d’un ensemble de segments de géométrie quelconque ( circulaire, carrée ou rectangulaire) de cuivre refroidi par eau ( « cage froide ») sont distincts. Article_Oberlin Page 18/19 Les domaines d’utilisation de l’autocreuset inductif concernent la verrerie (verres spéciaux pour l’optique, verres pigmentés, verres pour confinement des déchets nucléaires), la chimie (fusion de phosphates et d’oxydes (mullite, magnésie) et synthèse de carbure de bore), les céramiques spéciales ( monocristaux de zircone pour la joaillerie). Le creuset froid inductif peut également constituer une poche d’élaboration dans des conditions de très haute pureté. Les applicateurs à cage froide pour plasma inductif Les plasmas thermiques inductifs sont des plasmas qui fonctionnent à l’air libre ou dans une enceinte confinée, à une pression très proche de la pression atmosphérique. Ils sont caractérisés par une température plus ou moins élevée (4000 à 20000 K selon les gaz) et par une enthalpie élevée de 2 kWh/Nm3 (≅161 kJ/mole) pour des gaz monoatomiques tels que Ar ou He, jusqu’à 10 à 15 kWh/Nm3 (≅ 807 à 1210 kJ/mole) pour des gaz diatomiques tels que O2, H2 et N2. On voit apparaître de nouvelles configurations, particulièrement pour les installations de puissance supérieure à 100 kW avec des aménagements spécifiques : alimentation en vortex du gaz par une distribution des gaz en amont de la torche, l’étanchéité externe est assurée par une enveloppe appropriée. C’est le cas de l’applicateur à cage froide qui s’apparente étroitement à son homologue utilisé en fusion inductive des métaux et des oxydes. III.5. Les applications non thermiques en métallurgie Le formage électromagnétique des métaux liquides Dans les procédés classiques, le métal liquide après élaboration est transformé en ébauche par solidification, puis transformé mécaniquement par des procédés très consommateurs d’énergie comme le laminage ou le filage. L’induction ouvre des possibilités de mise en forme directe du métal liquide et de suppression partielle ou totale des transformations mécaniques à l’état solide. La coulée continue électromagnétique de l’aluminium permet d’illustrer cette technique qui permet d’obtenir des sections circulaires ou rectangulaires ainsi que des tubes épais grâce à un inducteur monospire et un écran de géométrie bien définie. La coulée continue en creuset froid cylindrique De nombreux matériaux n’acceptent pas les procédés de fusion et d’élaboration classiques : matériaux ultra-purs, matériaux réactifs à l’état liquide ou matériaux à très haut point de fusion. Le creuset de forme cylindrique est à la fois un four de fusion par induction, un brasseur électromagnétique et une lingotière de coulée continue. Le brassage électromagnétique monophasé Les champs magnétiques glissants sont très employés pour mettre en mouvement un métal liquide ; pour des applications spécifiques, les champs magnétiques monophasés apportent des solutions plus simples. Le brassage en coulée continue d’aluminium à la fréquence réseau qui permet d’affiner la structure du grain de solidification et d’améliorer la qualité de peau du lingot en est un exemple. Article_Oberlin Page 19/19 Le contrôle des écoulements par champ magnétique continu Si les champs magnétiques alternatifs permettent de mettre en mouvement une charge liquide, les champs magnétiques continus peuvent freiner les écoulements ; le freinage est maximal lorsque le champ magnétique est perpendiculaire à la vitesse, et nul lorsque vitesse et champ magnétique sont colinéaires. L’effet de freinage est d’autant plus intense que la vitesse est grande. Les applications concernent : - le freinage électromagnétique en coulée continue courbe des aciers ; un électroaimant à courant continu enserrant la lingotière freine l’écoulement produit par l’amenée de l’acier liquide. Les forces électromagnétiques régularisent l’écoulement, réduisent les perturbations dues au ménisque, évitent le piégeage d’inclusions dans le front de solidification, et permettent d’augmenter la vitesse d’extraction ; - l’élaboration de monocristaux ; le champ magnétique appliqué dans la direction de croissance du cristal élimine les perturbations affectant les courants de convection dans le bain et supprime les défauts du cristal ; - la solidification dirigée par la suppression des fluctuations de vitesse lors de la solidification favorisant la croissance unidirectionnelle des grains. IV. Conclusion L’induction se caractérise par sa capacité à injecter sans contact de l’énergie thermique ou mécanique dans les matériaux conducteurs de l’électricité. Cette faculté ouvre un champ d’applications très important, exploité très tôt, dans le domaine du chauffage et de la fusion des métaux alliés ou non. Ces applications sont bien implantées dans l’industrie métallurgique et sont en développement constant. Parallèlement, grâce aux progrès rapides de la technologie des sources de puissance, des méthodes de modélisation numérique, et des techniques d’automatisation, des applications innovantes ont vu le jour dans de nouveaux secteurs industriels comme la chimie ou l’agroalimentaire.