Système de chauffage

Le système de chauffage utilisé doit pouvoir élever très rapidement la température d’un lopin, c’est l’un des critères essentiel pour permettre l’industrialisation du thixoforgeage des aciers. Le mode de chauffage est important pour les caractéristiques d’un semi-solide (chapitre 1). Il doit permettre :

 d’avoir une grande rapidité de chauffe, de 500°K/min à 1000°K/min,

 d’obtenir une température élevée, jusqu’à 1450°C, même pour différentes nuances d’acier et pour des lopins de tailles importantes,

 d’avoir une bonne précision (température précise et uniforme dans le volume),

 d’avoir une bonne répétabilité du cycle de chauffe,  de limiter la formation de calamine.

Le choix s’est porté sur un système de chauffage par induction [9, 10]. Son principal avantage réside dans la rapidité du chauffage, qui permet d’atteindre en quelques minutes la température visée. Ce système de chauffe est le plus répétable possible, dans la mesure où l’opérateur est capable d’établir un cycle fiable et d’obtenir une bonne répétabilité dans le placement du lopin au centre de l’inducteur. Cependant le chauffage par induction ne donne pas une température

homogène au sein d’un lopin et il faut faire attention au problème de décarburation des aciers.

Figure II.4: Schéma général de l'installation de chauffage par induction et de la chaîne de réglage de l’inducteur.

Solénoïde Générateur Inducteur Programmateur Traitement des données P.C. Carte d’acquisition Conditionnement des signaux Lopin Eau de refroidissment Mesure de température thermocouple Tension de commande Energie électrique

2.1.1. Chauffage inductif de liège

Le générateur de l’université de Liège est de marque SAET S.p.A. (Italie). Le générateur peut fournir une puissance maximale de 150 kW. Le fonctionnement utilisé pour les essais est le mode « programmation ». Le cycle de chauffe a été programmé et ajusté en fonction des résultats de mise en forme.

b) a)

Figure II.5: Chauffage inductif SAET de l’université de Liège a) transformateur b) générateur.

Dans le cadre des essais de filage direct, il faut rechercher le cycle de chauffage qui permet d’atteindre les températures visées, pour des lopins de diamètre 30

mm et de hauteur 45 mm et de nuance C38 ou 100C6. Ce cycle de chauffage doit également être ajusté aux conditions de mise en forme.

Caractéristique technique SAET INDUSTRANS 1GLF

Puissance en sortie de générateur 150 kW Fréquence de fonctionnement accessible 3 à 10 kHz

Fréquence de travail 8 à 10 kHz

Cos j nominal 0,9

Puissance maximale entrante 182 kVA

Type de convertisseur Transitor IGBT

Tableau II.5 : Caractéristiques techniques du chauffage SAET de l’Université de Liège.

2.1.2. Chauffage inductif de l’ENSAM Metz

Le générateur, de marque CELES (France) modèle 4HAH, peut fournir une puissance de 25kW pour une fréquence comprise entre 10kHz et 30 kHz.

Figure II.6: Transformateur, solénoïde et programmateur du chauffage CELES de L’ENSAM.

Le chauffage par induction est contrôlé à l’aide d’un régulateur que l’on peut utiliser suivant deux configurations:

 Programmation : pilotage de la puissance délivrée par le générateur en imposant une tension de commande programmée manuellement. Par exemple, une tension imposée de 5V correspond à 100% de la puissance du générateur.

 Régulation : on fixe une consigne à atteindre au niveau de la température de l’éprouvette puis l’inducteur fonctionne en boucle fermée sur la mesure de température, généralement fournie par un pyrométre.

Dans le cadre les essais de compression, il faut rechercher le cycle de chauffage qui permet d’atteindre les températures visées, pour des lopins de diamètre 28 mm et de hauteur 45mm et de nuance C40. Cette programmation constitue un élément important en ce qui concerne la répétabilité des essais. Caractéristique technique CELES type GMF25AP

Puissance en sortie de générateur 25 kW Fréquence de fonctionne accessible 10 – 30 kHz

Courant sortie 36A

Cos j nominal 0,9

Refroidissement Eau (70 L/min, perdue)

Tableau II.6 : Caractéristiques techniques du chauffage CELES de l’ENSAM de Metz.

2.2. Inducteurs

Deux inducteurs de dimensions différentes ont été utilisés pour deux types d’essais différents, le filage direct et l’écrasement. Les dimensions des inducteurs dépendent de la nuance de l’acier, de la dimension du lopin mais également des contraintes techniques comme l’encombrement des outils, du piston de compression ou de la filière de filage direct qui doivent pouvoir passer à l’intérieur des solénoïdes.

2.2.1. Inducteur utilisé pour le filage direct

Cet inducteur a été fabriqué par le CREAS Hagondange du groupe ASCOMETAL. Il est adapté à la chauffe de lopin de diamètre 30 et de hauteur 45mm pour des aciers de différentes nuances. Il est intégré dans le dispositif spécifique de filage direct de mise en forme présenté paragraphe 4 et il est utilisé avec le chauffage SAET de l’université de Liège.

Nombre de spires 5

Diamètre intérieur 90 mm

Hauteur 67 mm

Diamètre du tube 9 mm

Épaisseur de cuivre 0,8mm

Tableau II.7 : Caractéristique de l’inducteur utilisé pour le filage direct par thixoforgeage.

2.2.2. Inducteur utilisé pour les essais de compression instrumentés

Cet inducteur n’est pas spécialement adapté à la dimension des lopins utilisés pour les essais de compression. Le solénoïde est intégré dans un dispositif utilisé initialement pour d’autres applications et doit pouvoir laisser passer le piston de compression qui a un diamètre bien supérieur à celui du lopin. Il faut adapter les fréquences et le cycle de chauffe pour compenser le fait que le solénoïde est non optimisé pour cette application.

Nombre de spires 9

Diamètre intérieur 120 mm

Hauteur 120 mm

Diamètre du tube 10 mm

Épaisseur de cuivre 1 mm

Tableau II.8 : Caractéristique de l’inducteur utilisé pour les essais de compression..

2.2.3. Amélioration des inducteurs

Les inducteurs dans les futurs essais devront être améliorés. Les différents points d’amélioration sont :

 le maintien des distances entre les spires,  la forme du solénoïde,

 la concentration de l’énergie,  l’atmosphère.

Pendant un cycle de chauffe la puissance varie. Lors de ce changement de puissance, les distances entre les spirales varient, figure 7. Cet événement a pour conséquence un contrôle du cycle de chauffe plus difficile et les températures au sein du lopin risquent de ne plus être homogènes surtout à ses extrémités.

Figure II.7:

Figure II.8:

Tassement des spirales du solénoïde durant le chauffage : a) arrêt de la puissance de chauffe b) puissance intermédiaire c) puissance maximale.

Les spires devraient être diamétralement plus éloignées du centre du lopin (mi- hauteur) et plus proche au extrémité de ce dernier, là où les pertes thermiques sont les plus importantes, afin d’obtenir une température plus homogène au sein du volume. La figure 8 schématise une optimisation de l’inducteur par une évolution de l’entrefer.

Simulation de la répartition de la température dans un lopin de C38LTT” à 1440°C avec un solénoïde à 6 spires [10, 11].

a)

yb

yc c)

b)

L’énergie de chauffage par induction peut être améliorée en canalisant l’énergie de ce dernier à l’aide de matériaux concentrant les champs inductifs vers la zone de chauffe. Ces matériaux réfléchissants peuvent constituer l’ossature extérieure d’un boîtier qui permet de confiner la chaleur produite.

L’utilisation d’un boîtier avec un alésage (zone de chauffe), dans lequel le solénoïde est moulé dans du béton réfractaire, permet de résoudre plusieurs

problèmes : le blocage des spires, le gain d’énergie et le contrôle de l’atmosphère.