Manuel de sécurité d`exploitation des fours à induction

Manuel de sécurité d’exploitation des fours à induction
Table des matières
1. Introduction
2. Composants d’installation
3. Description fonctionnelle des composants d’installation
4. Processus de fusion
5. Consignes de sécurité
6. Instructions sanitaires
7. Conclusion
1.
Introduction
Le présent manuel de sécurité d’exploitation des fours à induction se présente comme
document d’information du personnel destiné aux opérateurs de ces installations et à toutes les
personnes concernées.
Un risque connu et décelé peut être évité par des mesures adéquates avant la survenue d’un
dommage ou d’un accident. L’ignorance des dangers et de leurs suites est la lacune la plus
lourde de conséquences en fonderie. La prévention des accidents est beaucoup moins coûteuse
que leur indemnisation. Aussi chaque atelier devrait-il organiser une formation
correspondante du personnel au moins une fois par an. Les employés nouveaux dans
l’entreprise pourront y apprendre des anciens et être informés avec eux des développements
les plus récents.
2. Composants d’installation
Une installation de four à induction comprend :
a) l’alimentation en courant avec un disjoncteur en amont du transformateur de four
b) une installation de commutation à la fréquence du réseau avec des dispositifs de
commande pour le bloc de puissance ainsi qu’une armoire de commande avec des
appareils de commutation et des afficheurs pour la mise en service de l’installation
c) un convertisseur à moyenne fréquence avec des dispositifs de commande pour le bloc
de puissance ainsi qu’une armoire de commande avec des appareils de commutation et
des afficheurs, et un processeur le cas échéant, pour la mise en service de l’installation
d) une alimentation en eau de refroidissement, comprenant des dispositifs de réfrigération
de retour
e) une installation hydraulique pour la manœuvre des composants hydrauliques au
moyen d’un pupitre de commande
f) une ventilation pour les locaux d’installation
g) des dispositifs de chargement des fours à creuset
h) un préchauffage des ferrailles pour le séchage et le préchauffage des matériaux de
charge
i) un four à induction à creuset pour recevant le creuset de fusion
j) des fours à canal et dispositifs de coulée
3. Description fonctionnelle des composants d’installation
Alimentation en courant
a) L’alimentation en courant avec disjoncteur en amont du transformateur sert à
relier le transformateur de four au réseau à moyenne tension du distributeur
d’énergie. Le transformateur convertit la moyenne tension en tension exigée
pour le fonctionnement du four, p. ex. de 20 kV courant triphasé à 770 Volts
pour des installations à moyenne fréquence, ou à 2000 Volts pour des
installations à la fréquence réseau. Pour les installations à moyenne fréquence,
une tension fixe est appliquée secondairement et un commutateur à plots n’est
pas nécessaire. Pour les installations à la fréquence réseau, des commutateurs à
10 ou 12 plots sont mis en service. Les transformateurs sont surveillés par des
appareils fixes : thermomètre, surveillance de niveau d’huile, relais Buchholz
et déshumidificateur d’air.
Installation de commutation à la fréquence du réseau
b) Une installation de commutation à la fréquence du réseau consiste en une
combinaison de contacteur principal pour le circuit de courant principal, une
résistance d’amortissement pour la réduction du courant transitoire pouvant
être de 6 fois plus élevé que le courant nominal, le dispositif d’équilibrage avec
le self d’équilibrage, les condensateurs et les appareils de commutation pour
l’adaptation aux conditions de service, des condensateurs de compensation
avec des appareils de commutation pour une compensation réglée à cos phi = 1
et les câbles de connexion à la prise de four sur le mur. La commande est
exécutée au moyen des appareils dans l’armoire de commande.
Convertisseur à moyenne fréquence
c) Un convertisseur générant la moyenne fréquence exigée à partir de
l’alimentation réseau 50 Hz est nécessité pour un four à induction à moyenne
fréquence. A cet effet, une tension continue est générée dans un redresseur et
conduite vers l’inverseur via un self de lissage, une tension de moyenne
fréquence étant générée dans l’inverseur par des condensateurs de
compensation et l’inductivité de la bobine de four. L’électronique de
commande intégrée assure la régulation du convertisseur. Le four est
commandé par les appareils dans l’armoire de commande plus un processeur,
le cas échéant.
Alimentation en eau de refroidissement
d)
Un système de refroidissement par eau, incluant un refroidissement de retour
de l’eau chauffée, est exigé pour la mise en service d’une installation de four à
induction. L’eau remise en circulation dans le circuit est chauffée de 34° C à
38° C env. dans le convertisseur plus les condensateurs et le self de lissage, et
sa température doit être ramenée à 34° C par un refroidisseur. Le débit de
pompage par les dispositifs électriques doit être d’env. 215 l/h par kW de
puissance perdue. L’eau est chauffée de 35°C à 62°C env. dans la bobine de
four et sa température doit être ramenée à 35°C dans un refroidisseur séparé.
Le débit de pompage par l’installation doit être d’env. 32 l/h par kW de
puissance perdue. En cas de panne de courant ou autre interruption, une
alimentation de secours en eau doit être montée pour le circuit du four. Un
chauffage doit être prévu quand le four est éteint en hiver.
Installation hydraulique
e) Pour la manoeuvre des vérins de basculement, de couvercle et de hotte, une
station hydraulique à pompes haute pression est exigée. Les vérins sont
commandés depuis le pupitre de commande par des commutateurs à levier
pour les électrovannes. Des vannes-pilotes monobloc purement mécaniques,
actionnées manuellement, étaient naguère utilisées. Des vannes de retour de
secours, actionnées manuellement, pouvant être installées à différents endroits
de l’installation, sont en partie prévues pour les fours à induction à canal.
Ventilation
f) La production de poussières et de salissures étant inévitable dans des ateliers
de fusion, les composants d’installation doivent être protégés dans les locaux.
L’air chaud des locaux de service doit en outre être renouvelé par de l’air frais
pour refroidissement. Pour remplir ces deux conditions, de l’air filtré est
soufflé sous faible surpression dans les locaux d’installation. La surpression
empêche les poussières de se déposer. Un débit d’env. 310 m3/h par kW de
puissance perdue est nécessité pour un réchauffement de 10 K pour l’air de
refroidissement.
Dispositifs de chargement
g) Les dispositifs de chargement sont nécessités pour l’alimentation des fours à
creuset. Les petits fours jusqu’à une capacité de 500 kg env. sont généralement
chargés manuellement. Les fours jusqu’à 3000 kg sont chargés au moyen de
goulottes de chargement sans entraînement à vibration, actionnées par
hydraulique. Pour les fours d’une capacité supérieure à 5000 kg et diamètres de
creuset dépassant 800 mm, on recourt à des alimentateurs électro-magnétiques.
A partir de 1200 mm de diamètre, des paniers de chargement avec déversement
par le fond sont également employés pour les fours à la fréquence réseau. Le
dispositif le plus fréquemment utilisé est l’alimentateur électro-magnétique
avec divers équipements additionnels tels que : protection antichoc pour le
creuset, raccord pour hotte d’aspiration, carter intégral pour la protection
contre les chocs et dispositif de pivotement latéral pour la commande de deux
fours avec un système de rails en Y. Les déversoirs doivent être formés de
manière à pouvoir classer et transporter en quantité suffisante les ferrailles
disponibles. En cas de teneur élevées en particules fines, un dispositif de
séparation sera installé à 500 mm du bord de creuset.
Préchauffage des ferrailles
h)
On veillera à la mise en service de fours à creuset qu’aucune pièce de
chargement ne puisse plonger dans le bain liquide à l’état humide. Les
installations de séchage des ferrailles sont prévues pour éviter les explosions de
vapeur d’eau alors possibles. Les ferrailles ou la matière de charge sont alors
chauffées à plus de 100°C avant d’être déversées dans le four à creuset.
Four à induction à creuset
i) Un four à induction à creuset est l’agrégat de fusion le plus souvent utilisé. Le
creuset du four est chauffé par une bobine qui l’entoure. Le principe de
transformateur d’induction est en l’occurrence appliqué, autrement dit un
conducteur électrique se trouve dans un champ magnétique variable de
manière à induire une tension dans le conducteur. Pour les fours à creuset, cette
tension provoque la formation de flux tourbillonnaires élevés chauffant le
matériau du fait de sa résistance et donc entraînant sa fusion. L’amenée d’eau
est effectuée par des tuyaux d’eau de refroidissement et son évacuation par les
câbles refroidis par eau servant d’alimentation en énergie. Le débit et la
température des différentes lignes d’eau de refroidissement sont surveillés.
Fours à canal et dispositifs de coulée
j) Des inducteurs à canal sont utilisés comme agrégat de chauffage pour un four à
canal et des dispositifs de coulée chauffés par inducteurs. La structure d’un
inducteur à canal est très proche de celle d’un transformateur. Une ou deux
bobines sont disposées sur une culasse fermée. Les canaux des inducteurs
circulent autour de ces bobines. L’amenée d’eau est effectuée par des tuyaux
d’eau de refroidissement et son évacuation par les câbles refroidis par eau
servant d’alimentation en énergie. Le débit et la température des différents
circuits d’eau de refroidissement sont surveillés.
4. Processus de fusion
Le processus de fusion est celui qui va du 1er chargement à la coulée de la charge en fusion
finie.
Le départ à froid de fours à la fréquence réseau nécessite des lingots, des coils de mise en
marche ou des ferrailles de découpe transportées vers les lingots de mise en marche.
Les fours à la fréquence réseau sont mis en service comme fours de fusion à pied de bain.
Pour un niveau de métal liquide de 60%, les ferrailles sont déversées en quantité adaptée dans
le bain liquide à 1450°C. Les ferrailles chargées sont alors fondues par surchauffage. Après
fusion du premier lot, un second lot est fondu de la même manière. Ce processus est répété
jusqu’à ce que le niveau de prélèvement d’échantillon soit atteint. En fonction de l’analyse,
l’analyse finale est réglée et la charge restante déversée et fondue avec les éléments d’alliage.
La température de fusion doit être inférieure de 80 – 100 K à la température de coulée. En
accord avec la fonderie, le four est décrassé pour la coulée et chauffé à la température de
consigne. 8 minutes sont nécessaires à cet effet pour les fours à la fréquence réseau en
fonction de la puissance spécifique, p. ex. 12 t – 3240 kW avec 432 kWh par 100 K.
Les fours à moyenne fréquence sont mis en service en tant que fours de fusion de charge sans
pied de bain. Le matériau est chargé dans le four vide jusqu’au bord supérieur de la bobine de
four. Après activation de la puissance électrique, une tension est induite dans les ferrailles,
laquelle entraîne la formation de flux tourbillonnaires. Les courants électriques élevés et la
résistance du matériau provoquent le réchauffement et la fusion de ce dernier.
La fusion entraîne la descente du matériau rendant possible le rechargement. Pour les fours à
moyenne fréquence, le chargement n’a pas lieu dans le bain liquide, mais sur le matériau
encore solide. Un échantillon est prélevé quand le niveau liquide atteint le bord supérieur de
la bobine, et le matériau pour l’analyse finale est versé dans le four. Celui-ci est alors fondu et
la température de fusion doit être ramenée à 80 – 100 K en dessous de la température de
coulée. En accord avec la fonderie, le four est décrassé et porté à la température de coulée. 2 à
5 minutes sont nécessaires à cet effet pour les fours à moyenne fréquence en fonction de la
puissance spécifique. Pour 5 t et 3600 kW de puissance, 3 minutes sont ainsi nécessitées pour
100 K, la 1ere coulée est exécutée ensuite.
5. Consignes de sécurité
Le processus de fusion recèle toujours des risques dus au matériau liquide, dont le
comportement reste imprévisible. On dit que les dangers identifiés sont des dangers évités ou
à éviter. La plupart des accidents survenant en fonderie sont liés à l’éjection de fonte liquide
incandescente sous forme d’éclaboussures, petites et grosses gouttes, rayonnement thermique
du bain et explosions de vapeur d’eau. Ces incidents se produisent pour les raisons suivantes :
Les projections de métal fondu, de volume relativement faible, se produisent lors de l’impact
de particules métalliques fines sur le bain par expulsion de ces particules. Si celles-ci sont
humides, ce sont des petites et grosses gouttes qui sont projetées.
En cas de captages par hotte, basculés vers l’avant pour le décrassage et qui rayonnent sur
l’arrière vers le fondeur, ce dernier est exposé à la chaleur. Des vêtements de protection et des
équipements de protection du visage insuffisants occasionnent des brûlures cutanées et des
dommages aux yeux.
Les explosions de vapeur d’eau surviennent toujours si du liquide pénètre sous la surface du
bain. Dans un cas extrême, un cm3 d’eau pénétrant profondément sous la surface se dilatera
subitement au facteur 1600.
En plus de pouvoir parvenir sur la charge dans le bain de fusion, l’eau peut aussi provoquer
des explosions de vapeur par humidité présente sur les outils.
A la mise en service du four à creuset, le pisé damé peut présenter un dommage et la fonte
être repoussée alors contre la bobine. Si cet incident va jusqu’à un court-circuit entre spires
avec fuite d’eau, celle-ci pourra également pénétrer dans la fonte et provoquer une remontée
subite de celle-ci. Il s’est déjà produit que la puissance de ces explosions de vapeur d’eau
repousse sur le côté le bras support avec le couvercle du four, et que la fonte soit expulsée sur
la plate-forme de four. Les personnes qui étaient présentes dans cette zone sans vêtements de
protection suffisants ont subi des brûlures importantes.
Dans chaque fonderie, le personnel doit régulièrement être instruit des dangers et tenu de
respecter les consignes de sécurité. Voici les plus importantes d’entre elles :
a) la propreté sur le poste de travail signifie que la plate-forme de four doit être dégagée,
et les outils nécessaires rangés à leurs places respectives. Les objets épars à proximité
doivent être immédiatement retirés et mis de côté.
b) un bon éclairage du lieu de travail permet de détecter et de supprimer immédiatement
toute irrégularité sur la plate-forme de four.
c) les dommages subis par les objets d’équipement, commutateurs de commande, câbles
électriques et conduites hydrauliques doivent être notés dans un journal d’anomalies,
signalés à la maintenance, une réparation devant être engagée le cas échéant. Les
voyants sont des appareils de sécurité et ils doivent être testés une fois par semaine.
d) l’état du creuset doit être contrôlé visuellement après chaque vidange ou coulée. Les
criques éventuelles sur la paroi de creuset se distinguent par des traces noires, qui
devront être contrôlées de plus près.
e) le matériau à charger sera contrôlé visuellement, dès le classement le cas échéant. Les
pièces tubulaires et corps creux doivent être triés manuellement, on contrôlera la
présence d’eau. En hiver, on évitera la présence de neige et de givre susceptibles de
provoquer des explosions de vapeur d’eau.
f) le personnel extérieur à l’atelier, y compris les employés d’autres secteurs, devra être
mis au courant des dangers et invité à rejoindre des emplacements sûrs, tels que salle
d’opérateur.
g) la sécurité minimale est l’équipement de la personne se trouvant sur la plate-forme en
chaussures de sécurité, sinon chaussures fermées, pantalon long tombant sur les
chaussures, tablier ou veste en tissu, lunettes de protection avec cache latéral et casque
h)
i)
j)
k)
l)
m)
n)
o)
p)
q)
de sécurité. Le chef d’équipe est responsable de l’observation de ces règles de sécurité
et il devra le cas échéant rendre compte de celle-ci au chef d’atelier. Un manteau et
une protection de visage doivent être portés pendant la coulée.
la fosse d’écoulement de secours devra toujours être maintenue sèche et propre.
le corps de four doit être contrôlé visuellement une fois par semaine, et nettoyé de ses
poussières, débris de ferrailles et autres impuretés par aspirateur une fois par mois.
l’huile ayant éventuellement fui doit être recueillie, on dispersera du sable à l’endroit
de l’écoulement. La fuite doit être identifiée et réparée.
deux issues de secours au minimum doivent être prévues sur la plate-forme de four
en cas d’incident. Ces voies de secours doivent être maintenues dégagées ; elles ne
seront jamais encombrées, même pour une durée limitée.
le personnel doit être instruit et responsabilisé sur la nécessité d’un comportement
respectueux de la sécurité.
pour un travail à effectuer avec des outils métalliques dans le bain de fusion, le four
étant allumé, ceux-ci devront être mis à la terre, ou bien l’opérateur devra au minimum
porter des gants de travail en cuir secs. Ces travaux ne devront être effectués qu’une
fois le four éteint. Les outils seront réchauffés au-dessus du bain avant plongée, afin
de supprimer toute trace d’humidité éventuelle.
on évitera les formations de couronnes pour empêcher toute percée accidentelle de
masses incandescentes liquides vers l’extérieur. Si une couronne s’est formée, le four
doit être basculé et, four éteint, une liaison à la fonte doit être réalisée avec une barre
de piquage mince. Eventuellement, il est possible à faible puissance et le four étant
basculé de fondre la couronne, avant de faire suivre le matériau par cette ouverture
quand le four est ramené en position initiale, et de procéder à la fusion complète.
Après la coulée, le creuset devra être examiné attentivement, nettoyé le cas échéant, et
le four remis à neuf.
en cas de chute de tension liée à un dommage avec un four totalement liquide, la durée
de réparation n’étant pas prévisible, on devra fixer la procédure à suivre. On choisira
entre deux possibilités, faire refroidir la fonte ou vidanger le creuset. En fonction de la
température de bain, un four à creuset perd 30 – 50 K/h couvercle fermé. Pour une
température de bain de 1500°C, p. ex., le four peut rester jusqu’à 4 h sans courant,
refroidissement activé, avant d’être progressivement ramené à température. Si la durée
d’arrêt ne peut être déterminée après 2 h, le four pourra être vidangé. Pour un four à
canal, la déperdition de température du canal pourra être plus élevée du fait de
l’enveloppe refroidie par eau. A 70 K/h, l’inducteur pourra rester sans puissance
jusqu’à 2h, le refroidissement étant activé, avant d’être réactivé à faible puissance. En
cas d’interruption longue, un inducteur devra être protégé du froid à 15 % de sa
puissance nominale. Le fer de la cuve perd au maximum 30 K/h en raison de sa bonne
isolation.
l’isolation électrique des pièces conductrices de tension est mesurée par rapport à la
terre au moyen d’une surveillance de perte à la terre. Si la fonte se trouvant au
potentiel de la terre devait se rapprocher de la bobine, la résistance diminuerait et
l’installation serait éventuellement arrêtée.
le système saveway mesure en permanence l’écart entre les électrodes saveway et la
fonte au moyen d’une mesure spéciale de résistance. En fonction du niveau et du
secteur d’indication, le point de dommage peut être détecté sur près de 600 mm.
r) si des travaux doivent être effectués en état de basculement du four, celui-ci devra être
bloqué pour éviter tout renversement. Une cale doit être également montée pour
l’extraction du creuset.
s) pour stopper les processus de cuisson, on disposera d’aluminium sous forme de
pellets.
t) les installations électriques ne pourront être ouvertes et réparées que par des personnes
formées à cet effet.
u) les fours à induction ne pourront être commandés que par des personnes formées et
instruites des dangers.
L’état du creuset sera contrôlé visuellement, et l’épaisseur de paroi résiduelle constatée au
moyen de dispositifs de mesure. La mesure de puissance des fours à la fréquence du réseau et
l’indication des fréquence des fours à moyenne fréquence permettront d’émettre un diagnostic
sur l’épaisseur moyenne de paroi résiduelle.
6. Instructions sanitaires
Les mesures sanitaires devront correspondre aux normes en vigueur.
L’équipement de base en cas de sinistre devra être accessible à chaque travailleur dans chaque
atelier de fonderie. Cet équipement de base comprend :
a) une couverture d’extinction des feux
b) un coffret de pansements
c) un nécessaire pour lavage oculaire
d) une tapette d’extinction des feux
e) un extincteur à sec
f) des échelles en bois 3 m et 6 m, voire plus longues si fours à canal et grands fours à
creuset.
g) les numéros d’urgence
h) un panonceau d’informations sur les premiers secours sur emplacement de travail en
fonderie
7. Conclusion
A titre de conclusion, nous remarquerons qu’il est ici impossible de mentionner toutes les
pistes d’une formation sur la sécurité. La diversité des situations rend nécessaires autant de
mesures de réaction. Ce qui précède a été recueilli et exposé en conscience pour une
instruction minimale du personnel des fonderies.