Article_Oberlin

Page 1/19

LINDUCTION AU SERVICE DE LINDUSTRIE : PANORAMA DES APPLICATIONS INDUSTRIELLES

C. Oberlin,

Responsable du Trait Gnie lectrique des Techniques de lIngnieur

Article_Oberlin

Page 2/19

Sommaire Sommaire ................................................................................................................................... 2 I. Avant-propos........................................................................................................................... 3 II. Gnralits sur linduction..................................................................................................... 3

II.1. Principes de base de linduction ..................................................................................... 3 II.2. Lapplicateur en induction.............................................................................................. 5

II.2.1. Source de puissance................................................................................................ 6 II.2.2. L inducteur ............................................................................................................ 7 II.2.3. Les composants lectrotechniques........................................................................... 7

III. Les applications de linduction ............................................................................................ 7 III.1 Les applications thermiques en mtallurgie ................................................................... 7

III.1.1. La fusion des mtaux ou de leurs alliages.............................................................. 8 III.1.2. Le rchauffage avant formage................................................................................ 8 III.1.3. Traitements thermiques de finition......................................................................... 9 III.1.4.Traitements de surface .......................................................................................... 12 III.1.5. Les procds dassemblage.................................................................................. 13

III.2. Les applications en chimie .......................................................................................... 16 III.3. Les applications en agro-alimentaire........................................................................... 16 III.4. Les applications dans llaboration des matriaux...................................................... 17 III.5. Les applications non thermiques en mtallurgie ......................................................... 18

IV. Conclusion ......................................................................................................................... 19

Article_Oberlin

Page 3/19

I. Avant-propos

Une des proprits les plus remarquables de llectricit comme source dnergie thermique est son caractre protiforme ; elle est, en effet, mobilisable sous des formes trs diverses en fonction du mode de transmission de lnergie lectrique. Les procds lectrothermiques peuvent tre diviss en deux grandes catgories :

le chauffage indirect, o la transmission dnergie de la source vers le rcepteur (corps chauffer) obit aux lois usuelles de la thermique ;

le chauffage direct, o le rcepteur, parcouru par un courant lectrique, est donc lui-mme le sige du dgagement de chaleur, les changes ultrieurs de chaleur seffectuant selon les lois de la thermique classique.

Le tableau 1 donne la liste des diffrentes technologies lectrothermiques se rpartissant

entre ces deux familles.

Chauffage direct

Chauffage indirect

Chauffage direct par rsistances : conduction, chauffage ohmique Chauffage par induction Chauffage dilectrique :

- haute frquence ; - hyperfrquence (micro-onde)

Chauffage par bombardement lectronique Chauffage par laser Chauffage direct par arc

Chauffage indirect par rsistances Chauffage par rayonnement infrarouge Chauffage indirect par arc Chauffage par plasma

Tableau 1 : Rpartition des procds lectrothermiques

II. Gnralits sur linduction 1873 : James MAXWELL publie son trait dlectricit et de magntisme. Cest uniquement par un raisonnement purement mathmatique quil imagine que toute perturbation dordre lectrique donne naissance des oscillations dites lectromagntiques de frquences diverses, non perceptibles par nos sens et qui se propagent travers tout lespace. 1887 : Heinrich HERTZ dmontre par lexprience la ralit de la thorie de MAXWELL. Ces deux chercheurs sont la base de llectromagntisme moderne et leur thorie fait encore de nos jours la joie des tudiants du secteur scientifique. II.1. Principes de base de linduction

Le matriau conducteur lectrique est plac dans un champ magntique variable qui peut tre cr, par exemple, par un applicateur souvent en forme de solnode ( ou inducteur ) aux bornes duquel on applique une diffrence de potentiel U, alternative, de frquence f.

Article_Oberlin

Page 4/19

Le courant alternatif produit par cette tension cre lintrieur et lextrieur de la bobine un champ magntique variable. Un corps conducteur introduit dans lapplicateur est travers par un flux magntique variable (figure 1).

Figure 1 : Schma de principe du chauffage par induction

La densit des courants induits j responsables de leffet thermique (en opposition retard de phase avec les courants inducteurs, et perpendiculaire au champ magntique cr par linducteur), interagit avec linduction magntique B qui lui a donn naissance. La densit volumique de force de Laplace dF/d = j B (perpendiculaire la fois la densit de courants induits et linduction magntique, elle est toujours dirige vers lintrieur de la charge : cest une force de compression pulsante deux fois la frquence du courant inducteur) qui en rsulte est lorigine deffets mcaniques. Dans le cas des matriaux liquides, deux types deffet apparaissent :

leffet de la pression mcanique sur la priphrie de la charge qui se trouve comprime. La rsultante de ces forces de pression peut quilibrer le poids dun volume liquide qui peut tre ainsi maintenu en lvitation ;

si la pression lectromagntique nest pas distribue uniformment la priphrie de la charge, les diffrences de pression engendrent des coulements de recirculation lorigine dun brassage turbulent intense dans le liquide.

La frquence f (en Hz) joue un rle essentiel sur la gense des courants induits par son

influence sur lpaisseur de "peau" (en m) dfinie par la relation: = ( / .f. )1/2,

avec en .m et en H/m ( = 0. r ; 0 : permabilit magntique du vide : 4.10-7 H/m ;

Article_Oberlin

Page 5/19

r : permabilit relative du matriau) tant respectivement la rsistivit et la permabilit de la charge. Il existe donc un rapport / L (L : dimension caractristique de la charge) optimum pour produire un effet induit dtermin. Loptimum est obtenu pour les applications suivantes :

- chauffage : / L ~ 1/3 1/5 - fusion des mtaux : / L ~ 1/3 1/5 - fusion des oxydes : / L ~1 - brassage: / L ~ 1/5 - lvitation: / L ~ 1/4

La puissance transfre la pice est donne par la relation suivante :

Pc # . H2 . S . F / (1)

avec Pc : puissance injecte dans la pice : rsistivit lectrique de la pice : profondeur de peau H : champ magntique efficace cr par l'inducteur solnode S : surface de la pice F : facteur de transfert de puissance fonction de D/ (D : paisseur ou diamtre de la

pice).

II.2. Lapplicateur en induction

Au cur du chauffage par induction, lapplicateur constitue pour lutilisateur, la pice matresse de lquipement dont dpendent la qualit et lefficacit du processus thermique. Inducteur et application sont indissociables, et il y a en principe, sinon un inducteur par application, tout au moins une famille dinducteurs par famille dapplications.

Le schma de base de tout applicateur comporte trois constituants :

La source de puissance lectrique caractrise par la tension U et la frquence f ; Linducteur, de gomtrie cylindrique le plus souvent, mais qui peut se prsenter sous

beaucoup dautres configurations ; La charge conductrice, soit ltat solide, liquide (mtaux fondus) ou plasma (gaz

ionis) : dans tous les cas, elle est assimile une spire en court-circuit dans le champ de linducteur.

Dans la pratique, la charge peut tre chauffe par induction de deux faons : par chauffage

direct, cest la situation la plus frquemment rencontre dans lindustrie ; par chauffage indirect qui consiste chauffer un lment sensible linduction, le suscepteur, qui transmet la chaleur la charge lorsque celle-ci est peu dissipative.

Article_Oberlin

Page 6/19

II.2.1. Source de puissance

La figure 2 montre le schma de principe dune installation de chauffage par induction. A partir du rseau 50 Hz, un convertisseur permet de gnrer le courant lectrique la frquence souhaite. Un adaptateur permet dajuster la tension injecte dans linducteur dans lequel est place la charge chauffer.

Figure 2 : Schma de principe dune installation de chauffage par induction

On distingue deux grandes familles de convertisseurs dont le principe est rappel ci-dessous :

Les convertisseurs rotatifs constitus dalternateurs entrans par un moteur tournant vitesse fixe, conduisant une frquence limite, en gnral, 10 kHz ;

Les convertisseurs statiques. Leur principe est donn sur la figure 3. La tension du rseau est ajuste, puis redresse avant dtre dcoupe la frquence voulue pour alimenter linducteur formant ainsi un onduleur. Linducteur est associ une capacit de manire former un circuit accord la frquence cherche. La rsonance est dtecte et sert, grce au circuit de commande, piloter londuleur. La frquence de fonctionnement est ainsi variable et ajuste aux conditions de rsonance de la charge.

Figure 3 : Schma de principe dun gnrateur induction

Article_Oberlin

Page 7/19

II.2.2. L inducteur

Cest un des lments essentiels dune installation. Charg de crer le champ magntique,

il doit supporter des courants importants en engendrant le minimum de pertes Joule. On utilise donc du cuivre pour le raliser sous diffrentes configurations lies aux applications industrielles : - les inducteurs conventionnels sont constitus par des solnodes (cylindriques circulaires ou paralllpipdiques, pyramidaux, coniques,) entourant les pices chauffer ; - les inducteurs spciaux adapts aux formes gomtriques plus ou moins complexes des pices traiter.

II.2.3. Les composants lectrotechniques

Les condensateurs du circuit oscillant ont des capacits qui se chiffrent en microfarads, voire en nanofarads pour les usages haute frquence ; par contre, ils doivent pouvoir supporter des tensions et des frquences leves, ainsi que des courants importants. Ils sont en cramique pour le fonctionnement en haute tension ; des lments capables de fournir 1Mvar 500 kHz sont disponibles sur le march Ds que la frquence doscillation est suprieure 10 kHz, les transformateurs circuit magntique feuillet classiques ne sont plus utilisables ; ils sont remplacs par des circuits en ferrite se prsentant sous forme de barreaux ou de U assembler. De tels transformateurs de forte puissance fonctionnant plus de 100 kHz sont disponibles. III. Les applications de linduction

A frquence et champ magntique donns, les proprits physiques du corps chauffer ont

galement une influence importante sur la puissance injecte. La rsistivit est gnralement plus forte pour les mtaux ferreux comme lacier ou la fonte que pour les mtaux non ferreux comme le cuivre ou laluminium. La croissance de la rsistivit avec la temprature, assez forte pour les mtaux usuels, est un facteur favorable au chauffage par induction et, en particulier, la fusion des mtaux puisque leur rsistivit crot fortement au point de fusion.

Pour les corps ferromagntiques, la puissance injecte est trs suprieure une temprature infrieure au point de Curie celle injecte au-dessus du point de Curie (comme le montre la relation (1)); certains systmes de chauffage par induction utilisent des frquences diffrentes avant le point de Curie ( frquence basse) et aprs celui-ci (frquence plus leve). Ces considrations montrent que le chauffage par induction sera utilis principalement dans la mtallurgie des mtaux ou de leurs alliages.

III.1 Les applications thermiques en mtallurgie

Llaboration de produits ou de demi-produits mtallurgiques ncessite cinq grandes oprations : la fusion, le rchauffage avant formage, les traitements thermiques de finition, les traitements de surface et les procds dassemblage.

Article_Oberlin

Page 8/19

III.1.1. La fusion des mtaux ou de leurs alliages

Il existe deux types de fours de fusion par induction pour les mtaux : les fours induction creuset et les fours induction canal.

Dune technologie simple, les fours creuset sont composs dune bobine, refroidie par une circulation deau, entourant un garnissage en rfractaire dans lequel est plac le matriau fondre. Ses domaines dutilisation en moyenne frquence concernent la refusion pour laborer des aciers spciaux en quantits limites avec changements dalliages frquents, la production de masse de fonte graphite sphrodal, la fusion dalliages daluminium (fonderie sous pression) et la fusion dalliages cuivreux. A cause de lusure des rfractaires, il existe une puissance maximale ne pas dpasser : 400 kW/tonne 50 Hz, voire 1000kW/tonne des frquences plus leves.

Les fours canal se composent essentiellement dun bassin de mtal liquide mis en communication avec un canal comportant une ou deux boucles. Un inducteur est bobin autour dun circuit magntique entourant le canal. Les domaines dutilisation concernent les fours de maintien pour lacier et la fonte, la fusion dalliages cuivreux et la fusion et le maintien dalliages daluminium.

III.1.2. Le rchauffage avant formage

La dformation chaud est une opration fondamentale de la mtallurgie. Elle consomme beaucoup d'nergie, d'autant plus que l'obtention d'une pice ncessite gnralement plusieurs dformations successives et ainsi plusieurs rchauffages. Rchauffage des brames avant laminage

La brame peut tre considre comme un produit intermdiaire de composition chimique

connue qui va voluer vers le produit final en modifiant sa gomtrie (rduction d'paisseur par passage du produit entre deux cylindres anims d'un mouvement de rotation inverse), et en accdant sa structure mtallurgique et ses caractristiques mcaniques finales. L'opration de mise en forme par laminage chaud est donc un point de passage oblig. Le mtal lamin peut tre considr sous deux aspects :

- c'est un produit intermdiaire avant d'autres tapes de fabrication (laminage froid, traitement thermique ou revtement) ;

- c'est un produit fini quelques oprations de conditionnement prs.

Rchauffage des billettes avant formage

Les billettes ou blooms se prsentent sous forme de paralllpipdes de section carre ( ct variant de 40 250 mm) ou de cylindres de diamtre compris entre 40 et 250 mm, et de longueur comprise entre 1 20 m. Elles se prtent trs bien au chauffage par induction, la moyenne frquence tant adapte la section du produit (50 2000 Hz). La technologie la plus simple et la plus rpandue pour l'inducteur consiste bobiner un solnode (carr ou rond) autour du produit traiter.

En fonction des dimensions des produits chauffer, plusieurs possibilits sont offertes pour le rchauffage de billettes :

Article_Oberlin

Page 9/19

- le chauffage statique ; - le chauffage au dfil en tunnel ; - le chauffage au dfil en nappe.

Rchauffage des lopins

Les chauffeuses par induction sont trs utilises pour la dformation des mtaux 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 mgawatts. Les chauffeuses se diffrencient principalement par le mode d'avancement des pices et par la forme de l'inducteur.

Les diffrentes chauffeuses rencontres dans l'industrie sont les suivantes : la chauffeuse galets (l'avancement des pices est rgulier grce des galets moteurs), la chauffeuse vrin pousseur (l'avancement s'effectue de manire saccade), la chauffeuse pas de plerin (le transfert des pices s'effectue par le mouvement d'un jeu de rails mobiles).

Jusqu' des puissances de 2 MW, les chauffeuses sont de type compact, l'onduleur tant directement intgr dans le bti de la machine. Au-del de 2 MW, l'onduleur est plac dans une armoire proximit de la chauffeuse. Les chauffeuses peuvent utiliser des onduleurs de type srie ou de type parallle. La chauffeuse induction est particulirement performante en production cadence dtermine. Les consommations lectriques thoriques sont approximativement les suivantes : 450 500 kWh/t pour l'acier, 300 400 kWh/t pour l'aluminium et 250 350 kWh/t pour le cuivre. Rchauffage des barres et tubes

Les chauffeuses de barres ont gnralement des puissances importantes pouvant aller

jusqu' 10 MW, les diamtres de barres tant compris entre 14 et 150 mm.

Le chauffage des tubes concerne deux grandes catgories d'application :

- le chauffage total des tubes qui permet leur rduction aprs soudage longitudinal et leur revtement ; il seffectue vers 900 950C et est trs vorace en nergie. C'est pourquoi presque tous les fours gaz employs auparavant ont t remplacs par des fours lectriques onduleurs moyenne frquence comprise entre 1500 et 2500 Hz. - le chauffage partiel de tubes pour les cintrer et dformer les embouts par exemple.

III.1.3. Traitements thermiques de finition

Les traitements thermiques sont destins modifier les caractristiques des matriaux pour renforcer les pices mcaniques. Ils agissent principalement sur la duret, la rsistance la rupture, la rsilience ou la ductilit. Ils ont galement un effet bnfique sur les proprits de frottement, la rsistance la corrosion, les proprits magntiques et la stabilit dimensionnelle.

On distingue les traitements thermiques suivants : les traitements superficiels qui induisent des proprits particulires en surface, les traitements dans la masse ou cur qui confrent les proprits recherches toute la masse de la pice, les traitements de surface qui sont des dpts raliss par voie thermique ; ils sont dcrits pour certaines applications ultrieurement. En 1995, l'activit reprsentait environ 6 8 milliards de francs (0,9 1,2 milliards deuros) , dont 1 milliard de francs (0,15 milliards deuros) de sous-traitance . La rpartition des

Article_Oberlin

Page 10/19

traitements thermiques par type de traitement ainsi que le pourcentage d'applications par secteur d'activit industrielle sont rsums dans le tableau 2.

Type de traitement Rpartition

Traitement sous atmosphre 40

Traitement sous vide 30

Traitement par induction 15

Traitement plasma 10

Dpt sous vide 5

Tableau 2 : Rpartition par traitement hors secteur automobile intgr (en %)

La trempe superficielle

Cest une opration localise qui permet d'obtenir une couche durcie d'paisseur limite

appele couche superficielle. Le bon contrle de la localisation du chauffage, spcificit du chauffage par induction, est obtenu grce une double optimisation de la frquence et de la forme, des dimensions et de la disposition de l'inducteur. Elle est complte en agissant sur la densit de puissance applique et sur la dure du traitement ralis..

La trempe aprs un chauffage superficiel par induction fait appel un trs large ventail de frquences, en moyenne et haute frquence, comme l'indique le tableau 3. Pour les frquences suprieures 500 kHz, on utilise des convertisseurs de frquence tubes lectroniques. Les inducteurs utiliss pour cette technique sont de deux types :

Epaisseur durcie (mm)

Frquence (kHz)

Puissance P0 (kW/cm2)

Temps (s)

Types de convertisseurs Familles de pices

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 pices irrgulires

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, botes de vitesse

Tableau 3 : Caractristiques gnrales dune installation pour trempe superficielle

aprs chauffage par induction

Les inducteurs utiliss pour cette technique sont de deux types : - inducteur flux axial ou enveloppant (performances limites pour des pices

irrgulires ou de gomtrie complexe) ;

Article_Oberlin

Page 11/19

- inducteur culasse magntique ou flux dirig pour les pices profil complexe (gamme de frquences de 1 15 kHz, puissances spcifiques comprises entre 1 et 5 kW/cm2).

Le march de la trempe aprs un chauffage superficiel par induction est en progression constante lie aux gains de productivit et de comptitivit obtenus avec cette technique. Les marchs porteurs sont principalement l'industrie de l'automobile et des camions, des tracteurs et des engins de travaux publics ; l'industrie mcanique, et celle de la machine-outil (glissires de banc de machine, rgles, ttes de broches, engrenages, alsages coniques de porte-outil et roulements billes linaires ; la sous-traitance, les traitements faon ; les industries lectrique et lectromcanique, et l'industrie ptrolire. La trempe cur

Les traitements dans la masse ou cur confrent les proprits recherches toute la masse de la pice. Ces traitements sont des recuits, des revenus, des trempes cur. Le recuit

Le recuit se compose d'un chauffage, d'un maintien et d'une phase de refroidissement appropris de faon obtenir un matriau dans un tat mtallurgique stable caractris par l'absence de contraintes rsiduelles. Il est utilis notamment :

- pour dtruire l'crouissage des mtaux (attnuation ou disparition des contraintes internes, obtention de caractristiques mcaniques prcises, restitution de la mallabilit des mtaux ou alliages) ;

- pour amliorer la structure des produits bruts de coule,

- pour rgnrer les aciers surchauffs (recuits dhomognisation, de normalisation, dadoucissement, de dtente, de coalescence, de globalisation ou de sphrodisation, localis).

- Le recuit de cordons de soudure

Les assemblages de conduites mtalliques souds l'arc prsentent des tensions internes ou

des phnomnes de durcissement local, qui affaiblissent la rsistance du joint soud. Un recuit de la zone soude une temprature voisine de 620 C permet d'liminer ces inconvnients. Le traitement thermique partiel sur place s'est trs vite impos grce au chauffage par induction qui l'emporte par son efficacit et sa rgularit.

- Le recuit en continu des bandes d'acier

Le traitement en continu s'est dvelopp depuis les annes 50 pour le recuit de bandes de

faible paisseur destines aux lignes d'tamage et la galvanisation au tremp. Deux technologies sont utilises :

- le recuit en continu en amont d'une installation pour augmenter la capacit du four de traitement thermique : il s'agit du "boosting" par induction (inducteur gnralement flux axial) qui permet d'augmenter la capacit 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 (paisseur infrieure 2 mm). Cette opration ncessite un inducteur flux transverse ou un inducteur flux longitudinal fonctionnant frquence leve. - Le recuit de bandes d'acier avec inducteurs flux transverse

Avec la mthode du flux transverse, l'inducteur est plan et plac paralllement la bande

chauffer. Cette technique innovante, dveloppe 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 dtente

Le revenu et le revenu de dtente s'effectuent sur des pices ayant pralablement subi une trempe. Par rapport aux traitements classiques en fours thermiques, le revenu par induction permet de traiter les composants individuellement, des tempratures plus leves et avec des temps plus courts. Les pices traites sont des arbres primaires et secondaires, des pignons d'attaque, des crmaillres de direction, des tiges damortisseurs, etc..

- La trempe cur

La trempe cur est utilise principalement pour traiter en ligne des tubes et des barres

(oloducs, canalisations, etc.). Elle est ralise des frquences comprises entre 180 Hz et 10 kHz.

III.1.4.Traitements de surface

Aujourd'hui, dans une automobile, le pourcentage de tles revtues varie entre 50 % et 70 ou 80 % pour les vhicules haut de gamme. Dans d'autres secteurs du march, tel que l'lectromnager, la tendance est plutt d'utiliser des tles prlaques pour une mise en forme sans dgradation. Le revtement le plus utilis est le zinc pour la galvanisation.

Enfin, pour parachever la protection des aciers, un revtement organique tel qu'une peinture ou un vernis peut tre appliqu sur le revtement mtallique. Le chauffage par induction sert prchauffer les pices avant revtement et pour acclrer le schage ou la polymrisation du revtement en chauffant le support mtallique.

Les revtements de surface s'appliquent essentiellement des pices ou des bandes d'acier, les mtaux ferreux tant les plus concerns par les problmes de corrosion.

- L'tamage

Les aciers pour emballage (A.P.E) sont utiliss pour le conditionnement des produits

alimentaires appertiss, des boissons et des produits techniques non alimentaires. Ils sont essentiellement constitus de fer-blanc et de ses produits drivs comme le fer chrom ou le fer noir. Associ l'acier pour former le fer blanc, l'tain est largement utilis dans l'industrie alimentaire grce ses proprits : bonne soudabilit, tenue la corrosion, innocuit des sels d'tain et bonne conductivit lectrique.

Deux procds sont envisageables : l'tamage chaud, la pice tamer tant plonge dans un bain d'tain fondu et l'tamage lectrolytique en continu qui ncessite la refusion de la

Article_Oberlin

Page 13/19

couche d'tain lectrodpos pour assurer un brillantage et la formation dun alliage partiel de la couche d'tain en FeSn2 qui conditionne l'adhrence de l'tain.

- La galvanisation

Une tle d'acier mise en contact direct avec du zinc liquide voit sa surface crotre un prcipit de composs intermtalliques fer-zinc qui assure la rsistance la corrosion de la pice.

Plusieurs techniques de galvanisation sont envisageables : - la galvanisation chaud en cuve mtallique chauffe par induction. En France, sur une quarantaine d'installations de galvanisation pour le traitement faon, trente-cinq utilisent des inducteurs placs latralement l'extrieur, le long des parois verticales pour chauffer la cuve ; - les revtements mtalliques chaud de tles en continu. Le dveloppement des revtements mtalliques chaud au tremp des tles a t rendu possible par la mise au point de nouvelles nuances d'aciers permettant le recuit en continu et le revtement sur la mme installation. Les lignes de revtement chaud au tremp rcentes ont des capacits de production dpassant les 200 000 tonnes par an, la capacit des cuves se situant entre 200 et 400 tonnes de mtal fondu. Les lignes de traitement importantes disposent gnralement de plusieurs cuves et d'un systme de transfert du pot contenant le revtement dposer ; - le galvannealing. L'utilisation croissante des tles galvanises dans la fabrication des carrosseries automobiles conduit une dgradation acclre des lectrodes de soudage par points. Le zinc du revtement, liqufi voire vaporis, induit le laitonnage des lectrodes de cuivre. Le chauffage par induction est parfaitement adapt dans la phase de monte en temprature par sa compacit (1,5 2 MW sur 3 5 m) et par la possibilit de gnrer la chaleur directement l'interface fer-zinc. La frquence dlivre par les onduleurs thyristors se situe entre 7 et 10 kHz. - Revtements de peintures et vernis

Les peintures et les vernis sont dposs en films minces sur les supports peindre ; les premires contiennent des pigments, tandis que les seconds n'en contiennent pas.

Quelles que soient la nature et la forme du revtement, on retrouve les mmes lments sur les lignes de traitement : la prparation de surface - dgraissage, dcapage, traitement de surface si ncessaire (phosphatation, chromatation), le systme de peinture multicouche (par pulvrisation par pistolage ou lectrostatique, trempage classique ou lectrodposition), le systme de schage et de polymrisation performant pour rduire la longueur des zones de traitement.

Le chauffage par induction est l'un des modes de schage utiliss, spcialement pour le revtement de tles en bobine ; l'inducteur a l'avantage de chauffer directement la tle support et de chasser ainsi les solvants vers l'extrieur.

III.1.5. Les procds dassemblage

- Brasage

Le brasage regroupe les procds d'assemblage qui lient les matriaux de base par l'intermdiaire d'une mince couche de mtal d'apport, la brasure, plus fusible que les

Article_Oberlin

Page 14/19

matriaux lier. Le mcanisme de brasage fait essentiellement intervenir la capillarit du mtal d'apport l'tat liquide, dans l'espace entre les constituants assembler, avant sa diffusion en surface des matriaux.

Les avantages de l'induction sont nombreux par rapport au chauffage classique au chalumeau. On peut citer : la localisation naturelle du chauffage entranant l'absence quasi totale de dformations de la pice et minimisant les transformations mtallurgiques indsirables dans les matriaux de base (trempe, recuit), le contrle du cycle rapide de monte en temprature, suivi du maintien afin d'viter la dcomposition de la brasure ou sa surchauffe, le refroidissement plus rapide permet d'conomiser de la brasure, l'automatisation aise des oprations de brasage qui assure une productivit leve, et labsence de rebut de fabrication.

La puissance spcifique mise en uvre en brasage par induction est comprise entre 10 et 100 W/cm2 de surface affecte par le brasage. Compte tenu de la surface concerne, la puissance nominale des quipements utiliss n'excde pas 100 kW et se situe le plus souvent entre 5 et 50 kW. - Soudage

Le soudage est une opration qui consiste assembler par fusion les bords adjacents de

deux pices ou de deux constituants mtalliques. Gnralement de mme nature, elles peuvent, dans certains cas, tre de natures diffrentes, par exemple de l'acier ordinaire et de l'acier inoxydable. Les avantages du soudage par induction sont souvent ceux rencontrs dans le cas du brasage. Le soudage par induction est un soudage par diffusion ; les grains situs de part et d'autre se trouvent raccords par pitaxie, quand l'opration est termine. La soudure par induction assure une continuit cristallographique du matriau qui se retrouve dans la bonne tenue mcanique (contraintes de flexion et de tension, duret acceptable, ). De plus, le soudage par induction ne gnre pas des projections d'oxydes et amliore donc la propret des ateliers.

Les applications industrielles les plus courantes sont les suivantes :

Le soudage au dfil longitudinal par induction de tubes mtalliques

En 1995, le march mondial du tube mtallique se situait autour de 70 000 000 tonnes, dont plus de 80 % sont souds par induction.

Le principe de la technique de soudage par induction de tubes mtalliques est le suivant : un feuillard mtallique, enroul en bobine, est droul sous tension mcanique. Le feuillard est progressivement dform par l'action de galets appropris ; 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' interpntration des surfaces pteuses et l'expulsion des oxydes.

Un inducteur inductance trs faible (50 100 nH), constitu par une ou deux spires coaxiales, est dispos immdiatement en amont des galets de forgeage. Il est aliment par une source de courant d'intensit trs leve (quelques milliers, voire quelques dizaines de milliers d'ampres) fonctionnant basse tension (50 300 V) et une frquence comprise entre 100 et 500 kHz. Cette frquence permet de localiser les courants induits, donc le chauffage rsultant dans une paisseur faible.

Le soudage en statique par induction

Article_Oberlin

Page 15/19

Diffrentes applications ont t dveloppes depuis les annes 80, en soudage par

induction statique, soit bord bord, soit bout bout, d'objets ou de pices mtalliques de configurations diverses, creuses (tubes circulaires, ovales, rectangulaires) ou pleines (barres, rails).

Le soudage par induction de matriaux non conducteurs l'aide d'un implant

conducteur

Le soudage par induction peut galement s'appliquer des matriaux non conducteurs. Dans ce cas, un suscepteur mtallique permet de chauffer les pices par effet Joule et de raliser l'opration de soudage. Deux applications industrielles permettent d'illustrer ce procd de soudage :

- le soudage par induction de matriaux composites ou thermoplastiques. Les installations de puissance de 1 5 kW fonctionnent une frquence comprise entre 3 et 30 MHz.

- la ralisation de scellements de type verre-mtal. Cette technique d'assemblage permet d'assurer une continuit lectrique entre deux milieux dont l'un est hermtiquement ferm : c'est le cas des tubes lectroniques.

Collage

Le collage consiste assembler solidement et durablement deux matriaux au moyen d'un troisime : un adhsif thermoplastique ou thermodurcissable.

Le collage par induction s'applique des assemblages de matriaux conducteurs de l'lectricit, et particulirement des assemblages mtalliques. Les avantages du procd sont l'absence de marquage de pice, une consommation d'nergie rduite, la possibilit de jumeler le cordon de colle et le joint d'tanchit, la rgularit de production et des tempratures de chauffage, et une installation facilement intgrable sur les lignes de production existantes.

L'induction apporte une solution lgante au problme du scellage d'opercules constitus par une feuille mince d'aluminium (20 50 m) sur des contenants raliss dans une large gamme de matriaux (verre, carton, fer blanc, matires plastiques) ou de formes diverses : flacons, bouteilles, bocaux ouverture large, barquettes, etc. Cette opration assure au conditionnement inviolabilit, scurit, hygine et conservation des produits.

Frettage

Le frettage est un procd d'assemblage thermomcanique, qui consiste en un emmanchement en force et chaud. Le procd utilise les phnomnes de dilatation, puis de rtreint localis pour assembler des pices ou des composants mcaniques.

Le chauffage par induction apporte au procd la rapidit, la propret, la rgularit et une conomie d'nergie (les rendements globaux sont de l'ordre de 90 %). Le frettage par induction prsente galement l'avantage d'tre rversible, ce qui n'est pas le cas du soudage ou du collage.

C'est dans l'industrie automobile que le frettage est trs utilis pour assembler des couronnes de lancement sur des volants (dmarreurs, 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, intermdiaire entre le brasage et le soudage. La principale application de cette technologie est l'assemblage par des fonds diffuseurs sur des articles mnagers en acier inoxydable. Le thermopressage peut galement s'appliquer toutes les familles d'objets issus d'un assemblage de mtaux empils ou en sandwich : cuve anticorrosion pour l'industrie chimique, changeurs thermiques plaques, radiateurs, rsistances lectriques haute temprature, etc. III.2. Les applications en chimie

Dans la chane de fabrication des produits en chimie fine, les racteurs assurent la

production des produits actifs. La plupart de ces racteurs fonctionnent en discontinu. Les fonctions dun racteur chimique sont multiples et varient dune application lautre. Nanmoins, trois fonctions essentielles se distinguent et sont communes la quasi-totalit des appareils : lagitation, le chauffage et le refroidissement.

Les racteurs sont des enceintes cylindriques autour desquelles est bobin un enroulement de cuivre parcouru par un courant alternatif. Le chauffage par induction trouve ainsi une application des tempratures maximales de 250C, bien infrieures celles de son utilisation en mtallurgie. Il permet dviter les contraintes dues aux fluides caloporteurs et supprime en particulier toute inertie thermique ; les temps de mise en route sont trs rduits. Les racteurs induction sont principalement utiliss pour :

* la fabrication des rsines drives pour la plupart du phnol ou dalkyl-phnol utiliss dans les secteurs de lautomobile, du btiment et de la chaussure, de peintures et de vernis isolants destins lmaillage et limprgnation pour la confection des rotors, stators, transformateurs et bobinages divers ; * la fabrication de colles, de produits dtanchit et denduits spciaux ; * le chauffage des rservoirs de stockage, des autoclaves, la purification dacide sulfurique dans lindustrie ptrolire et chimique ; * le chauffage des produits chimiques et des huiles dans lindustrie pharmaceutique et la chimie fine.

III.3. Les applications en agro-alimentaire

Dans le cas du chauffage par induction, lindustrie agro-alimentaire a largement bnfici

des transferts de technologie dautres secteurs. On peut citer comme exemples la cuisson-extrusion drive de lindustrie du plastique, la cuisson de produits avec des cuiseurs drivs des racteurs chimiques. Dautres applications concernent la cuisson, dans des cuves ou des marmites, de produits forte valeur ajoute tels que les confiseries, les sauces, etc.. Les applications de linduction la cuisson de produits de faible paisseur, tels que les crpes ou les fonds de pizza ou ncessitant un traitement thermique de surface (braisage, rissolage, etc.) commencent faire leur apparition.

Dans le domaine de la cuisson, on ne peut passer sous silence les applications de linduction dans les secteurs tertiaire et domestique. Lapplication du principe de linduction en cuisines professionnelles et domestiques prsente de nombreux avantages par rapport aux procds classiques (chauffage par rsistance ou au gaz) : le chauffage direct du rcipient seul sans inertie thermique avec une rpartition homogne de la temprature, une puissance

Article_Oberlin

Page 17/19

instantane disponible avec des changements de temprature immdiats, le rglage 1% prs de la puissance dlivre, une conomie dnergie (ds que la casserole est enleve, la consommation dnergie est nulle), la scurit et le confort accrus pour lutilisateur, et la propret, car la temprature de la vitrocramique reste basse et les projections ne carbonisent pas. Les plaques induction prsentent nanmoins deux inconvnients : elles sont plus chres en investissement et elles sont conues pour fonctionner avec des rcipients fond mtallique, le plus souvent magntique (la marque Class Induction a t dfinie pour le grand public). III.4. Les applications dans llaboration des matriaux Le frittage des poudres mtalliques

Le frittage dune poudre permet la transformation dun matriau pulvrulent en un solide de bonne cohsion ; lopration est obtenue par la diffusion entre les grains mcaniquement juxtaposs de la matire porte haute temprature. Les domaines dutilisation concernent pour les poudres fortement compactes la reconstitution de mtaux et formes mtalliques, et pour les poudres faiblement compactes llaboration de matriaux solides poreux (filtrage, paliers mcaniques, lectrodes de batteries, etc.). La fabrication de la fibre de verre pour lisolation

Le verre liquide est introduit lintrieur dune filire, appele assiette de fibrage, perce en priphrie de 6000 20000 trous suivant le diamtre de la filire. Lassiette anime dune vitesse de rotation leve (6000 8000 tours par minute) permet la centrifugation du verre liquide travers les trous de la filire rchauffe par des brleurs (viter le figeage du verre et assurer une temprature adapte la formation des fibres). La flamme seule tant incapable dassurer une rgulation fine dont dpend la qualit de la fibre labore, linduction moyenne frquence intervient en complmentarit (6% de lnergie utilise) pour rguler finement la temprature de travail de la filire. Les avantages constats sont les suivants : production accrue de 30 40%, dure de vie des filires augmente de 100%. La fusion en autocreuset inductif

Pour beaucoup de matriaux sensibles (grande puret ou ractivit prononce) ou rfractaires, les creusets chauds deviennent inoprants. La technologie base sur le principe de lautocreuset prend alors le relais dans lequel on ralise la fusion dun matriau lintrieur dune pellicule ou dune crote de ce mme matriau ; la solidification pelliculaire a lieu naturellement lors du contact du matriau liquide avec une paroi refroidie. Lnergie de fusion ou de maintien ltat liquide est fournie par induction au travers de la paroi refroidie. Les deux technologies dapplicateurs inductifs pour autocreuset sont la spire directe et le creuset froid.

La spire directe joue la fois le rle dinducteur et celui de creuset de fusion ; la crote autocreuset se forme au contact immdiat de la paroi intrieure de la spire refroidie par eau. De construction simple, elle prsente un bon rendement global.

Contrairement au cas prcdent, la technologie du creuset froid linducteur (solnode aliment de 50 kHz 4 MHz) et le creuset froid constitu dun ensemble de segments de gomtrie quelconque ( circulaire, carre ou rectangulaire) de cuivre refroidi par eau ( cage froide ) sont distincts.

Article_Oberlin

Page 18/19

Les domaines dutilisation de lautocreuset inductif concernent la verrerie (verres spciaux pour loptique, verres pigments, verres pour confinement des dchets nuclaires), la chimie (fusion de phosphates et doxydes (mullite, magnsie) et synthse de carbure de bore), les cramiques spciales ( monocristaux de zircone pour la joaillerie). Le creuset froid inductif peut galement constituer une poche dlaboration dans des conditions de trs haute puret. Les applicateurs cage froide pour plasma inductif

Les plasmas thermiques inductifs sont des plasmas qui fonctionnent lair libre ou dans une enceinte confine, une pression trs proche de la pression atmosphrique. Ils sont caractriss par une temprature plus ou moins leve (4000 20000 K selon les gaz) et par une enthalpie leve de 2 kWh/Nm3 (161 kJ/mole) pour des gaz monoatomiques tels que Ar ou He, jusqu 10 15 kWh/Nm3 ( 807 1210 kJ/mole) pour des gaz diatomiques tels que O2, H2 et N2. On voit apparatre de nouvelles configurations, particulirement pour les installations de puissance suprieure 100 kW avec des amnagements spcifiques : alimentation en vortex du gaz par une distribution des gaz en amont de la torche, ltanchit externe est assure par une enveloppe approprie. Cest le cas de lapplicateur cage froide qui sapparente troitement son homologue utilis en fusion inductive des mtaux et des oxydes. III.5. Les applications non thermiques en mtallurgie Le formage lectromagntique des mtaux liquides

Dans les procds classiques, le mtal liquide aprs laboration est transform en bauche par solidification, puis transform mcaniquement par des procds trs consommateurs dnergie comme le laminage ou le filage. Linduction ouvre des possibilits de mise en forme directe du mtal liquide et de suppression partielle ou totale des transformations mcaniques ltat solide.

La coule continue lectromagntique de laluminium permet dillustrer cette technique qui permet dobtenir des sections circulaires ou rectangulaires ainsi que des tubes pais grce un inducteur monospire et un cran de gomtrie bien dfinie. La coule continue en creuset froid cylindrique

De nombreux matriaux nacceptent pas les procds de fusion et dlaboration classiques : matriaux ultra-purs, matriaux ractifs ltat liquide ou matriaux trs haut point de fusion. Le creuset de forme cylindrique est la fois un four de fusion par induction, un brasseur lectromagntique et une lingotire de coule continue. Le brassage lectromagntique monophas

Les champs magntiques glissants sont trs employs pour mettre en mouvement un mtal liquide ; pour des applications spcifiques, les champs magntiques monophass apportent des solutions plus simples.

Le brassage en coule continue daluminium la frquence rseau qui permet daffiner la structure du grain de solidification et damliorer la qualit de peau du lingot en est un exemple.

Article_Oberlin

Page 19/19

Le contrle des coulements par champ magntique continu

Si les champs magntiques alternatifs permettent de mettre en mouvement une charge liquide, les champs magntiques continus peuvent freiner les coulements ; le freinage est maximal lorsque le champ magntique est perpendiculaire la vitesse, et nul lorsque vitesse et champ magntique sont colinaires. Leffet de freinage est dautant plus intense que la vitesse est grande. Les applications concernent :

- le freinage lectromagntique en coule continue courbe des aciers ; un lectroaimant courant continu enserrant la lingotire freine lcoulement produit par lamene de lacier liquide. Les forces lectromagntiques rgularisent lcoulement, rduisent les perturbations dues au mnisque, vitent le pigeage dinclusions dans le front de solidification, et permettent daugmenter la vitesse dextraction ;

- llaboration de monocristaux ; le champ magntique appliqu dans la direction de croissance du cristal limine les perturbations affectant les courants de convection dans le bain et supprime les dfauts du cristal ;

- la solidification dirige par la suppression des fluctuations de vitesse lors de la solidification favorisant la croissance unidirectionnelle des grains.

IV. Conclusion

Linduction se caractrise par sa capacit injecter sans contact de lnergie thermique ou mcanique dans les matriaux conducteurs de llectricit. Cette facult ouvre un champ dapplications trs important, exploit trs tt, dans le domaine du chauffage et de la fusion des mtaux allis ou non. Ces applications sont bien implantes dans lindustrie mtallurgique et sont en dveloppement constant.

Paralllement, grce aux progrs rapides de la technologie des sources de puissance, des mthodes de modlisation numrique, et des techniques dautomatisation, des applications innovantes ont vu le jour dans de nouveaux secteurs industriels comme la chimie ou lagroalimentaire.

SommaireI. Avant-proposChauffage par induction

Tableau 1: Rpartition des procds lectrothermiques

II. Gnralits sur linductionII.1. Principes de base de linductionII.2. Lapplicateur en inductionII.2.1. Source de puissanceII.2.2. L inducteurII.2.3. Les composants lectrotechniques

III. Les applications de linductionIII.1 Les applications thermiques en mtallurgieIII.1.1. La fusion des mtaux ou de leurs alliagesIII.1.2. Le rchauffage avant formageRchauffage des brames avant laminageRchauffage des billettes avant formageRchauffage des barres et tubes

III.1.3. Traitements thermiques de finitionLa trempe superficielle

III.1.4.Traitements de surfaceIII.1.5. Les procds dassemblageLe thermopressage

III.2. Les applications en chimieIII.3. Les applications en agro-alimentaireIII.4. Les applications dans llaboration des matriauxIII.5. Les applications non thermiques en mtallurgie

IV. Conclusion