Les principes du chauffage par induction étaient connus à l’aube du vingtième siècle. Pour preuve en France le brevet de Schneider numéro 361627 du 13 juillet 1905, les brevets de Marius Latour dans les années 1920, les premières expérimentations de Henri Moisson à la Faculté de Pharmacie de Paris entre 1900 et 1910. Malgré tout, avec du recul, on doit constater que le démarrage industriel de cette technique dans notre pays fut nettement plus timide voire tardif que dans d’autres pays – il est vrai – alors plus industrialisés que le nôtre.
En effet, jusqu’à l’avènement de la deuxième guerre mondiale, on peut dire que chez nous, l’induction thermique reste limitée à quelques applications privilégiées mais toutefois marginales, de l’industrie radioélectrique – on ne parlait pas encore d’électronique. Il s’agissait essentiellement d’applications de chauffage à haute fréquence pratiquées avec deux familles de générateurs :
- des générateurs à lampes utilisant des triodes
ces générateurs primitifs n’étaient ni plus ni moins qu’une version simplifiée, voire bricolée, d’émetteurs radioélectriques – leur puissance de 10 à 100 kW – fréquence de 100 à 500 kHz) matériels souvent monstrueux eu égard à nos versions modernes cela en raison de l’encombrement des composants de l’époque, condensateurs en particulier.
Ces générateurs à lampes étaient souvent utilisés en interne en particulier en vue du dégazage à plus ou moins haute température et souvent sous vide, des électrodes et surtout anodes de ces mêmes tubes. Ainsi, les principaux fabricants de lampes de puissance d’avant guerre tels que SFR (plus tard CSF) , CFTH, Radiothermique, Philips, LMT, disposaient-ils de bon nombre de ces matériels.
2. des générateurs à étincelles de 30 à 100 kHz, également volumineux, bruyants – puissance de 10 à 50 kW – très répandus chez les fabricants de petits tubes radioélectriques (lampes de petites émissions ou réceptions) exemples : Néotron ou Compagnie des Lampes.
Ces deux types de matériels étaient également utilisés indistinctement par des laboratoires illustres de métallurgie ou chimie tels que celui du Pr Ribaud à la Faculté des Sciences de Paris (1920 à 1935) ou de Professeurs Chaudron – Moreau (1930-1945) au Centre de chimie métallurgique de Vitry – et aussi dans les laboratoires de recherche déjà de grande renommée avant guerre tels que ceux de Quartz et Silice Saint-Gobain qui l’appliquaient notamment à la fusion de verres spéciaux en creusets graphite.
Mais, au plan des applications franchement industrielles, le chauffage par induction était pratiquement ignoré en France alors qu’à la même époque, notamment dans les années 30 à 40, il était pratiqué à une échelle conséquente aux Etats-Unis par exemple chez Park Ohio, maison-mère de Tocco. Pour la forge et la trempe superficielles de vilebrequins ou chez Ajax pour la fusion des aciers, la forge, etc. ou en Allemagne chez AEG Elotherm pour les mêmes applications ou encore en URSS à l’initiative de l’Institut Vologdine à Léningrad, immense laboratoire de hautes fréquences unique dans son genre en période d’avant-guerre. Il est vrai que bon nombre d’applications industrielles faisaient alors appel à des basses fréquences (50 ou 60 Hz ou 150- 180 Hz – tripleurs) ou des moyennes fréquences de 1 à 10 kHz générées par des groupes moteur-alternateur de 50 à 500 kW.
Ces pays à forte vocation électrotechnique disposaient de constructeurs électriques puissants dès la première moitié du 20ème siècle, tels que Westinghouse, Ajax, General Electric aux Etats-Unis; Siemens ; AEG, BBC en Allemagne, voire Skoda en Tchécoslovaquie. Les utilisateurs de ces matériels étant prioritairement l’industrie automobile (camions, tracteurs) ou l’armement (on préparait déjà la prochaine guerre). La guerre de 40-45 allait intensifier à une échelle fulgurante le développement du chauffage par induction dans ces pays au travers de puissantes sociétés telles que Tocco, Ajax aux USA, AEG, Siemens en Allemagne, Redifon en Grande-Bretagne. Dans le même temps et plus spécialement au cours de la période 40-45 la France, qui avait plus une vocation radioélectrique qu’électrotechnique, choisissait l’option, dans un premier temps, de privilégier le chauffage « Hautes Fréquences ». Ainsi, la SFR à Levallois (maison-mère de la STEL) décidait-elle au début des années 40, c’est-à-dire en pleine guerre, de transformer un émetteur ondes longues de 100 kW – 250 kHz en principe destiné à Radio Luxembourg, mais non installé pour raisons de guerre, en générateur HAUTE FRÉQUENCE adapté au chauffage par induction. Ce prototype servit de test à son premier client industriel qui n’était autre que les Etablissements Partiot à Rueil-Malmaison, l’utilisant pour la trempe superficielle de différentes pièces mécaniques à profil simple telles que : courroies de démarreur, engrenages, axes divers. L’usine voisine de Citroën en faisait autant – ces opérations se déroulant la nuit à la barbe des allemands qui occupaient l’usine.
La SFR découvrait ainsi les potentialités de l’induction thermique et créait en 1945 le département électrothermique de la STEL (où je suis entré fin 1947) en vue de développer cette technique, la motivation de la SFR étant alors très claire, le chauffage Haute Fréquence devait permettre une pénétration importante de lampes de puissance dans le monde industriel, alors que ce marché était jusque-là l’apanage du monde de l’émission.
Le succès fut tel que jusque dans les années cinquante, la STEL construira pour l’automobile, la mécanique, l’armement aussi, une trentaine de générateurs 100 kW – 250 kHz à l’image du prototype de Levallois, lequel fut effectivement implanté à Rueil fin 1944 – cinq autres l’y suivirent, tous pour la trempe superficielle à façon de pièces diverses.
La stratégie s’avéra être la même chez bon nombre de fabricants de lampes : en France CFTH (qui deviendra Thomson) ailleurs en Europe, Siemens, Philips, Brown Boveri – les uns et les autres allaient développer après-guerre des départements Haute Fréquence destinés à ouvrir un important marché industriel à leurs lampes de puissance. A ce propos, rappelons que le développement par la Thomson de vapotrons après 1955 ainsi qu’en général la plus grande fiabilité des tubes, allaient donner, en France spécialement, un élan considérable à l’emploi de l’induction Haute Fréquence.
L’étranger non plus ne restait pas à l’écart de ce boom des années cinquante où l’on retrouvait toujours Siemens, AEG, BBC, EMA en Allemagne ou Redifon – Radyne en Grande-Bretagne, ACEO en Belgique (filiale de Westinghouse), Siatom en Italie, AEM en Espagne, etc. Mais incontestablement, c’est à Leningrad que se trouve depuis les années 1930, et au plus fort de son épanouissement dans les années cinquante, le plus grand centre mondial de développement de l’induction thermique, en l’occurrence l’Institut Vologdine, fondé dans les années 1920 par l’illustre Professeur Vologdine (son fils lui succédera dans les années soixante) pour les études et recherches en vue des applications dites de la Haute Fréquence, plus particulièrement pour l’induction. J’ai visité cet institut en à la fin des années cinquante. Il employait 600 ingénieurs, chercheurs et techniciens œuvrant dans tous les domaines imaginables d’emploi de l’induction (y compris déjà les plasmas). On y développait et testait à échelle industrielle tous les prototypes et pilotes, extrapolés ensuite dans l’industrie légère, moyenne ou lourde, y compris militaire, appliqués à la trempe superficielle de toutes sortes de pièces mécaniques, rails, etc. au soudage de tubes, tuyaux métalliques, rails, etc.
Un aspect technologique original et souvent méconnu de la plupart des ingénieurs contemporains mérite d’être souligné : en URSS, dans ces années-là (1940 à 1960) pour la fabrication de générateurs dits à haute fréquence (de 50 à 100 kW, 100 à 500 kHz) les soviétiques montaient carrément 4, 5, voire 7 ou 8 triodes en parallèle – le vide dans ces triodes était entretenu en permanence par des pompes à vide – ces triodes appelées triodes Hollweck, du nom de l’inventeur des pompes à vide, étaient démontables. Imaginez de ce fait le coût et l’encombrement de telles installations (les soviétiques n’en avaient que faire à l’époque) au demeurant parfaitement robustes et fiables.
NB : Depuis les années 1990, l’Institut Vologdine, qui a été fréquenté entre autres par nos amis Nemkov et Dresvin, a été démantelé et le territoire qu’il occupait (plus de 1.000 hectares) rendu à ses propriétaires privés d’avant 1920.
Dans le même ordre d’idées, je me souviens avoir visité en 1951 ou 1952 à la Foire de Paris une installation haute fréquence de 200 kW émanant d’un constructeur tchèque filiale de Skoda, dirigé par un brillant ingénieur, M. Stivin, installation comportant cinq triodes Hollweck, totalement opérationnelle et qui traitait sur place des portées de vilebrequins. Evidemment, cette installation fut le clou de la Foire.
Revenant sur les premières décennies de l’induction haute fréquence, et pour faire transition avec ce qui sera dit plus loin à propos de la Moyenne Fréquence qui concerne les applications les plus significatives de l’induction, il est utile de rappeler aussi, même si cela ne revêt qu’un caractère épisodique, qu’un certain nombre de grands laboratoires scientifiques français et étrangers des années 1930 à 1950 utilisèrent avec succès pour le chauffage des creusets ou « susceptors » graphite des alternateurs haute fréquence de 20 à 100 kW fonctionnant à une trentaine de kHz, la plupart utilisés comme sources d’alimentation pour des stations d’émission ondes longues avant guerre (par exemple en France l’émetteur d’Allouis – 100 kW, 32 kHz – véritable bijou technologique construit par la CEM).
Tout comme les générateurs à étincelles, les alternateurs haute fréquence disparurent de la panoplie des sources d’alimentation pour induction haute fréquence à la fin de la deuxième guerre mondiale au profit des générateurs à lampes, et bien plus tard, dans les années 1970, des onduleurs à transistors, qui subsistent presque seuls maintenant.
QUELQUES APERCUS A PROPOS DE L’INDUCTION HAUTE FREQUENCE
Il est convenu, dans la plupart des pays, d’appeler Hautes Fréquences toutes fréquences situées au-dessus de 50 voire 30 kHz. En deçà il s’agit de Moyennes Fréquences. Jusque dans les années 80-85, les hautes fréquences étaient l’apanage des générateurs à lampes – vapotrons au-dessus de 50 et surtout 100 kW jusqu’à 500 kW, voire 1 MW – triode à refroidissement par eau au-dessous de 100 kW. Au cours des décennies, les générateurs à lampes n’ont fait que gagner en fiabilité du fait de la robustesse des triodes. Toutefois, le rendement de celles-ci n’a jamais dépassé 70-72%, amenant le rendement global du générateur dans les 55 à 60% maximum. Les générateurs à lampes ont été pour beaucoup supplantés par les onduleurs à transistors à partir des années 80 et surtout 90 – pour un encombrement moindre et un rendement nettement amélioré – 70-75% au lieu de 55-60%. Toutefois, au-delà de 500kHz, les générateurs moyennes et grandes puissance font de préférence toujours appel aux lampes – ex : les applications plasma inductif qui se déroulent en général entre 2 et 5 MHz pour des puissances de 20 à 150-200 kW.
Les grandes filières d’application de l’induction haute fréquence sont restées pratiquement inchangées depuis l’origine :
Ttraitement thermique – trempe en particulier – très peu profond <1.5 à 2 mm
- Chauffage de tôles ou tubes minces
- Soudage longitudinal (et parfois bout à bout) de tubes et tuyaux métalliques (qui met en œuvre des puissances considérables jusqu’au MW).
On peut mentionner qu’en France des filières importantes d’applications ont été développées dans le brasage (mobilier métallique notamment des fonds métalliques sur ustensiles ménagers inox ou aluminium) filière extrêmement prolifique dans les décennies 60 et 70. - Métallurgie des semi-conducteurs
- Nucléaire (laboratoires de recherche et production)
Toutefois, on peut observer que dans la plupart des pays industrialisés l’induction haute fréquence se contente de 15 à 20% de la puissance globale appelée par l’ensemble des applications Induction – la part prépondérante revient sans conteste aux équipements basse fréquence – 50 à 500 Hz et surtout moyenne fréquence (500 Hz ou 1 à 15 voire 20 kHz). Celles-ci étant devenues l’apanage des onduleurs à thyristors et transistors au cours des trois dernières décennies.
Soulignons aussi que pour des raisons historiques et également de superfiabilité que certains opérateurs industriels (dans le nucléaire par exemple) continuent à prôner l’usage en induction moyenne fréquence de groupes moteurs – alternateurs, cette attitude restant malgré tout exceptionnelle.
A PROPOS DU CONTOUR DE TREMPE
Dans les années cinquante déjà, les responsables métallurgistes, de l’automobile en particulier, fondaient de réels espoirs dans le contour de trempe obtenu par induction sur des pignons, engrenages divers, technique qui supplanterait la cémentation ou carbonitruration traditionnelles. Je me souviens ainsi de la toute première installation haute fréquence (250 kHz) qui fut montée en France, plus exactement à Meudon, près de Paris, par l’IUTAC (Union Technique de l’Automobile et du Cycle) installation qui exploitait le principe de la trempe par impulsion. Le pignon ou l’engrenage était préchauffé à la même fréquence (250 kHz) mais à faible densité de pénétration pendant quelques secondes ou dizaines de secondes. La rotation du pignon était fortement accélérée (x10) en fin de préchauffe pour refroidir les arêtes, puis suivi de l’application d’une forte impulsion haute fréquence toujours à 250 kHz pendant quelques dixièmes de secondes ou de secondes. Le résultat obtenu au plan métallurgique était toujours satisfaisant, voire remarquable dans certains cas. C’est la technologie, malheureusement insuffisamment sûre, du générateur haute fréquence de l’époque, construit par la Compagnie des Lampes, et plus tard CFTH, qui porta un coup d’arrêt à la fin des années cinquante à cette technique pourtant attrayante. On utilisait à cette époque des triodes « verre » à anode graphite massive et cathode thoriée fortement émissive – chaque triode d’une puissance nominale de 10 ou 15 kW, trois ou quatre, voire cinq triodes montées en parallèle. En régime continu – préchauffage du pignon – le générateur travaille au nominal 20 kW de base. avec 2 triodes. En régime d’impulsion (quelques dixièmes de secondes) la puissance est multipliée par 10 (200 kW) par élévation de la HT appliquée.
Le succès initial fut tel que la CDL construisit dans ces années cinquante plusieurs installations dérivées du prototype de Meudon qui était un 12/120. L’installation qui survécut le plus longtemps fut exploitée par les tracteurs Massey – Harris à Croix (Nord). C’était une 50/500 (500 kW en pointe).
Mais l’expérience prouva assez vite que les triodes, même dopées, s’épuisaient rapidement, ce qui sonna le glas du générateur à impulsion dès le début des années soixante.
LE CONTOUR DE TREMPE PAR DOUBLE FREQUENCE
Simultanément (1953-1954) la STEL mettait au point chez Partiot à Rueil-Malmaison la technique du contour hardening par chauffage induction à double fréquence – 10 kHz pour le préchauffage, 250 kHz pour l’impulsion haute fréquence, appliquée à des pignons (module 3 à 5) de boîtes de vitesse de tracteurs CIMA (McCormick) usine de Saint-Dizier (puissance 75 kW en préchauffe, 200 kW en chauffe) délivrés par les premiers vapotrons de l’époque.
L’installation fut démarrée en 1956 à Saint-Dizier et exploitée jusqu’en 1970, date à laquelle la fabrication des boîtes de vitesse fut transférée à Neuss (RFA). Les Allemands ne réitérèrent pas la technique de double fréquence, revenant aux procédés traditionnels. Dommage !
LES VARIANTES DU CONTOUR HARDENING
On peut mentionner en guise de variante du contour hardening « vrai » le contour hardening plus grossier mais métallurgiquement satisfaisant obtenu directement par application du chauffage par induction à fréquence intermédiaire 15 à 35 kHz selon module 5 à 12 de pignons ou couronnes dentées – Poclain et Massey-Ferguson ont exploité de tels équipements dans les années 70.
Dans les année 60 (j’ai vu cela à l’usine de Moscou en 1960) l’URSS exploitait aussi à sa façon la technique du contour hardening sur des pignons et couronnes dentées de module 3 à 7 ou 8 pour des tracteurs, camions etc. en appliquant un chauffage par induction direct et unique à moyenne fréquence de 10 kHz à des aciers dont la trempabilité était soigneusement calibrée, donc à fourchette de température de trempe (large) adaptée au profil de chauffe obtenu par induction. Ces aciers à trempabilité contrôlée avaient été mis au point par un grand ingénieur métallurgiste, M. Chepelakowski. Ces aciers, issus de coulées spéciales en aciéries (introuvables chez nous) ont été imposés en URSS dans la plupart des usines pratiquant la trempe par induction (les profils de trempe « contournée » ainsi obtenus sont remarquables).
Enfin, pour en revenir à la technique de contour hardening par impulsion haute fréquence, je rappellerai (c’est un lointain souvenir) que la STEL (Massy) a monté également en 1960 sur le principe déjà évoqué : préchauffage basse puissance haute fréquence, rotation accélérée en fin de préchauffe (l’accélération de la vitesse en rapport avec le module de pignons) puis impulsion haute fréquence à 250 kHz (une installation de 200 kW à vapotrons chez Pont-à-Mousson (Sens) pour la trempe contournée (contour parfait) de pignons de boîtes de vitesse de bus. Cette installation tout à fait fiable et sûre a fonctionné une quinzaine d’années dans problème majeur, puis abandonnée pour cause de délocalisation de la fabrication !
ET A PROPOS DE L’INDUCTION MOYENNE FREQUENCE EN FRANCE
Comme on l’a déjà dit, l’induction moyenne fréquence (500 Hz à 10, 20, voire 30 kHz) et aussi un peu basse fréquence (50 à 500 Hz) véhicule la majorité (80-85%) de la puissance appelée en induction dans la plupart des pays industrialisés. Les usages principaux bien connus : la fusion tous métaux, le chauffage avant forge, les traitements thermiques superficiels ou profonds, etc., ces applications étant, surtout depuis les années 80, l’apanage quasi exclusif des générateurs à thyristors ou transistors.
On l’a dit aussi : l’induction moyenne fréquence a connu un démarrage très poussif dans notre pays comparé à bien d’autres. Avant guerre et jusqu’à l’immédiat après-guerre, peu de constructeurs français en effet s’intéressaient aux technologies en particulier d’ordre électrotechnique qu’impliquait cette technique. Mais après 1945, sous l’impulsion de la jeune EDF, l’Alsthom (ex SACM), la CEM (plus tard BBC), Jeumont-Schneider (filiale de Westinghouse à l’époque) s’y intéressèrent assez vite. Surtout, après le déploiement – sinon dans certains cas, le déferlement – de nombreux équipements modernes de chauffage par induction dans les usines automobiles et de tracteurs (Renault, Citroën, Berliet) et dans les usines d’armement, du fait des commandes offshore des américains. Ainsi vit-on fleurir en 1945-1946 une panoplie de matériels américains d’induction moyenne fréquence : Tocco pour les traitements thermiques, Ajax, Westinghouse pour la fusion, forge, etc.
Il faut rappeler encore que le réflexe induction radio fréquence était encore après 1945 très présent chez les ingénieurs nationaux, à tel point qu’on n’hésitait pas jusqu’en 1950 à construire (Compagnie des Lampes et CFTH) des générateurs moyenne fréquence 10 à 20 kHz à lampes de 100 à 200 kW (Lajoinie à Paris), une attitude qui heureusement prit fin au début des années 50.
L’INNOVATION : CLE DU DEVELOPPEMENT DU CHAUFFAGE PAR INDUCTION
Considéré comme technologie de pointe jusque dans les années 50, le chauffage par induction s’est ensuite rapidement démocratisé, voire banalisé, puisqu’on le retrouve dans les années 80, en milieu domestique, au travers de plaques à induction.
De par ces principes, le chauffage par induction se rattache à l’électrotechnique et à l’électronique de puissance.
S’il est parvenu à une diversification très poussée aujourd’hui, c’est grâce à des sauts technologiques successifs qui ont concerné autant les applicateurs de puissance ou inducteurs que les sources ou générateurs de puissance.
LES INNOVATIONS « INDUCTEURS »
Avant les années 50 (mon début dans la carrière), les inducteurs de première génération « tout cuivre » étaient conçus autour de firmes géométriques élémentaires : simples spires ou solénoïdes, spirales, épingles à cheveux, leur emploi ne pouvait s’adresser qu’à des pièces ou charges de géométrie également simple : charges cylindriques, en fusion, chauffage de barres, en forge, traitement d’arbres, axes, tiges, couronnes ou pignons de petit module en trempe superficielle- les charges au contour plus complexe et notamment en traitements thermiques, la trempe superficielle des pièces « nobles » à profil plus ou moins irrégulier leur échappaient : vilebrequins, arbres à cames, pignons ou engrenages de moyen et grand module.
Au début des années 60 sont apparus les inducteurs qu’on peut appeler de seconde génération – à flux dirigé, grâce à l’habillage de la structure cuivre de l’inducteur, par des circuits magnétiques – fer feuilleté ou ferrites – adaptés à chaque configuration type. Avantages immédiats : la localisation et le rendement amélioré du chauffage.
C’est le constructeur anglais Delapena qui, à la fin des années 50, utilisa le premier ces inducteurs dits ’intensifiés’ ou concentrateurs de champs pour la trempe superficielle en haute fréquence (250 kHz).
L’inducteur consistait le plus souvent en une épingle à cheveux ou une combinaison d’épingles coiffés par des noyaux de ferrite (haute fréquence) collés sur le cuivre de l’inducteur.
Le coup était parti et, dans la foulée immédiate, les grands constructeurs européens, notamment AEG Elotherm, et américains (Tocco) élaborèrent, dès le début des années 60, des outillages inducteurs à circuits magnétiques feuilletés performants – intégrés à des machines automatiques adaptées au traitement – en moyenne ou grandes séries – des pièces mécaniques ‘nobles’ : vilebrequins, arbres à cames, moyeux de roues, pignons de moyen et grand module.
Le contour cuivre de l’inducteur étant en demi-cercle pour la trempe des vilebrequins, en V pour la trempe dent par dent par le flanc du dent, en « I » pour la trempe de surfaces planes, etc. les opérations étant exécutées pour la plupart en moyenne fréquence 4 ou 10 Hz. Cette époque marque une révolution dans le traitement thermique haute et moyenne fréquence.
Dans le même ordre d’idées, on peut mentionner que les inducteurs des plaques à induction mettent également en œuvre un circuit magnétique concentrateur de flux, sous la forme de barreaux de ferrite (20 à 30 kHz) disposés en étoile sous la spirale de l’inducteur.
En outre, ce circuit magnétique – déviateur de flux – protège l’environnement électrique de l’inducteur des effets malfaisants de l’induction « parasite ».
L’IMPEDEUR MAGNETIQUE : UNE CONTRIBUTION DECISIVE A L’AMELIORATION DU RENDEMENT EN SOUDAGE PAR INDUCTION HAUTE FREQUENCE
Le soudage par induction haute fréquence (100 à 300 kHz) et en continu de tubes et tuyaux métalliques est connu depuis le milieu des années cinquante. Thermatool en fut le promoteur aux USA, puis Lorraine-Escaut-Vallourec-Cegedur en France au début des années 60 – le principe est bien connu. Toutefois le procédé accusait une baisse significative d’efficacité lors du soudage des moyens diamètres (moins de 60-70 mm) et surtout petits diamètres (moins de 30 mm). Cela en raison de l’augmentation rapide du courant parasite circonférentiel (Ic) lorsque le diamètre diminue.
La parade mise en œuvre par Thermatool : un noyau droit en ferrite refroidi disposé coaxialement en système inducteur-tube. L’effet du noyau est d’augmenter l’impédance circonférentielle, donc de diminuer la composante parasite Ic (échauffement global du tube) et, partant, de renforcer la composante utile longitudinale (Ic) responsable du soudage. L’impédeur : un gadget qui rapporte gros !
QUELQUES AUTRES EXEMPLES D’APPLICATEURS OU INDUCTEURS INNOVANTS
- L’inducteur à susceptor magnétique pour le brasage après chauffage indirect par induction, de fonds diffuseurs sur ustensiles inox, ou comment l’emploi d’un artifice peu coûteux, de manipulation facile, a permis d’ouvrir, dans les années 60 à 80, une filière d’applications particulièrement intéressantes et rentables (notamment grâce aux différents brevets qui, de 1958 à 1970, ont couvert cette application et sa mise en œuvre).
- L’applicateur de puissance à cage froide ou creuset froid
Cet applicateur tel qu’il est utilisé par EFD et bien d’autres utilisateurs, laboratoires ou industriels, a fait l’objet d’un brevet, STEL en 1963, lequel fut cédé au CEA (BF 1358438, procédés et dispositifs pour fondre des matériaux par induction puis BF 1430962, 1427905 et 1430192). Dans la pratique, la cage froide est réalisée soit sous la forme de segments droits, soit sous la forme d’une succession d’épingles à cheveux, disposés en parallèle sur le circuit d’alimentation d’eau
Il est intéressant de mentionner que la version actuelle quasi universellement employée de l’inducteur à cage froide avait été précédé, pendant les années 50, et au début des années 60, par deux versions ‘allégées’ de cette structure, encore utilisées dans quelques applications aujourd’hui : - L’inducteur à nacelle froide en cuivre inventée dans les années 50 par M. Sterling en Grande-Bretagne, pour le raffinage par fusion de zone du germanium, puis silicium, structure encore largement employée de nos jours pour des opérations similaires
- L’inducteur à spire – creuset froid, inventé et breveté, en 1962 je crois, par M. Recasens, ingénieur à l’Electroréfractaire (SEPR) filiale de Saint-Gobain. M. Recasens utilisait directement la spire de cuivre formant inducteur comme container de la matière à fondre, en l’occurrence des oxydes réfractaires à base de Zircone. L’opération se déroulait à une fréquence supérieure à 1 MHz pour des diamètres de spires de l’ordre de 10 cm et fut étendue jusqu’à des diamètres de 30 à 40 cm dans une filiale allemande de Saint-Gobain, pour des utilisations analogues. Néanmoins, cette configuration simple, de réalisation peu coûteuse et qui subsiste encore épisodiquement, fut progressivement abandonnée, notamment en raison d’effluves existant au niveau des lèvres de raccordement à la spire) au profit de la cage froide, beaucoup plus sûre et universelle d’emploi (y compris en milieu plasma). Nota : la spire-creuset ne peut s’adresser qu’à des charges isolantes à froid, mais suffisamment conductrices à chaud, surtout à l’état liquide (oxyde, silicate, etc.).
DES APPLICATIONS INDUSTRIELLES TYPIQUES DE L’APPLICATEUR INDUCTIF « CAGE FROIDE »
- La fusion de verres spéciaux, oxydes réfractaires
- En semi-conducteurs, fusion et tirage de lingots de silicium
- Fusion et coulée de titane
- Torches à plasma inductif moyenne et grande puissance
(de nombreuses illustrations existent de ces applications)
LES APPLICATEURS TORCHES A PLASMA INDUCTIF : UN PEU D’HISTOIRE
C’est à l’initiative du CNRS que la STEL à Massy s’est intéressée, fin 1960, à ce qu’on appelait au début le chalumeau à plasma haute fréquence. L’initiateur en fut le Professeur Collongues, qui utilisait alors au CECM de Vitry un chalumeau à plasma d’arc argon et oxygène pour fondre des échantillons d’oxydes réfractaires : zircone, chaux, etc. La fusion ne posait pas de problème, mais l’apport d’impuretés en provenance d’électrodes graphite étaient un obstacle majeur à la production de monocristaux de qualité. Les caractéristiques de fonctionnement V-I du chalumeau à plasma d’arc démontraient que le plasma à base d’argon était très conducteur donc aisément inductible. Or, j’avais également observé quelques mois plus tôt, en visite à l’Institut Vologdine à Léningrad, de gros réacteurs à plasma haute fréquence produisant, disait-on, de l’acide nitrique.
Notre premier tube de décharge en quartz avait un diamètre de 25 mm, le générateur alimentant l’inducteur à 4 spires 5 kW à 2.5-3 MHz. Après des semaines de balbutiements et des dizaines de tubes fondus, lors du jaillissement de la « flamme », le premier jet stable et continu fut obtenu vers la mi-1961.
Puis on passa à 20 kW avec des décharges stables d’argon et d’oxygène et enfin, début 1962, on obtenait le premier plasma inductif industriel fonctionnant à l’argon pur avec 50 kW. La consommation de tubes de quartz avait fait le bonheur de Quartz et Silice et sa filiale Quartex avant que l’on adopte définitivement en 1963 l’enceinte quartz à double paroi refroidie par eau, qui permet enfin d’obtenir un degré de fiabilité satisfaisant et de lancer la commercialisation internationale des chalumeaux à plasma « STEL-CNRS ». Des dizaines de laboratoires français et étrangers s’équipèrent de torches 20 à 50 kW jusqu’aux années 70. L’industriel Quartz et Silice, spécialiste de la silice pure, faisait cavalier seul dans son domaine, en équipant dès 1970-1971 son usine de Pithiviers d’une dizaine de torches haute fréquence 80 kW avec enceinte de décharge quartz « triple paroi » adaptée au fonctionnement avec le seul fluide « air ».
Afin de s’affranchir progressivement de la relative fragilité des enceintes quartz, quelles qu’elles soient, on s’intéressa après 1972 à protéger intérieurement l’enceinte quartz par une cage froide sur le modèle de celles qu’on utilisait déjà à Marcoule, notamment pour la fusion directe de verres. En illustration, la photo jointe prise courant 1972, et qui présente le prototype de la cage froide « élémentaire » contenant un plasma argon + oxygène. Le montage était simpliste mais la preuve était faite qu’un plasma inductif pouvant tout à fait bien fonctionner en « cage froide », et avec une fiabilité démontrée par la suite, accompagnée d’une baisse limitée du rendement.
D’autres illustrations présentent des démonstrations de la torche 20 kW à l’exposition française de Pékin en décembre 1965 en présence du Premier Ministre Chou En Lai et de l’Ambassadeur de France Faye, et à l’Euratom à Ispra en 1964 (Italie).
LES DEVELOPPEMENTS INDUSTRIELS ET SCIENTIFIQUES DES PLASMAS INDUCTIFS
Depuis 1965-1970, les développements les plus marquants ont été entrepris principalement :
- En France, Russie, Amérique du Nord, Japon, les promoteurs furent : en France, le constructeur EFD – Saint-Gobain et sa filiale Quartz et Silice, puis Alcatel comme utilisateur, et en recherche et développement les laboratoires de l’ENSCP à Paris et de Madylam à Grenoble
- Aux USA : le constructeur Lepel, plus ou moins associé avec le laboratoire de plasmas de l’Université Sherbrooke au Canada (professeur Boulos).
- En Russie (URSS jusqu’en 1990) l’Institut Vologdine à Léningrad, puis les laboratoires spécialisés de l’Université de Saint-Petersbourg (laboratoires Dresvin, Vassiliev, Ivanov, etc.).
Les filières d’application sont tout de suite apparues très spécifiques selon les pays. En France, Quartz et Silice et Alcatel ont utilisé exclusivement des plasmas d’air en réacteur quartz refroidi pour la fabrication par synthèse de silice ultra pure utilisée en fibre optique, à partir de SiCl4 oxydé en plasma air (plusieurs dizaines d’installations en France, aux USA, etc.).
Le laboratoire de recherche-développement plasmas de l’ENSCP (Professeurs Amouroux et Morvan) a essentiellement concentré ses recherches vers des procédés de purification rapide du silicium métallurgique en milieu plasma argon + quelques pourcents d’oxygène ou hydrogène.
Le laboratoire de Madylam plus attaché à la technique d’élaboration de silicium par fusion-tirage en creuset froid.
On retrouve les mêmes tendances de recherche-développement au Japon qu’en France (Nagoya).
Au Canada, le laboratoire de recherche-développement Sherbrooke (Pr Bouros) s’est plutôt spécialisé dans les techniques de synthèse et dépôts en milieu plasma inductif
Les laboratoires de Saint-Pétersbourg (Dresvin, Vassiliev, Ivanov, etc.) sont très diversifiés, autant dans les recherches technologiques générateurs haute fréquence (jusqu’au MW) qu’applicateurs, surtout « cage froide », et leurs applications surtout axées sur la synthèse ou le traitement de poudres, sphéroïdisation, fabrication de microbulles silice, alumine, zircone, etc.
Il faut souligner la parfaite collaboration entre les laboratoires de Serguey Dresvin (Saint-Petersbourg) et de Jacques Amouroux (ENSCP).
De nombreux documents concernant ces divers développements existent certainement chez EFD. J’ai joint plus particulièrement des copies de photos et articles anciens retraçant l’époque héroïque.
Enfin, les applications ICP (Inductively Coupled Plasma) développés à Stanford (Californie) dans les années 70, ont connu et connaissent toujours une utilisation intensive dans les laboratoires de physico-chimie et métallurgie de pointe. Un plasma inductif d’argon enfermé dans une enceinte quartz de diamètre 20-25 mm est utilisé comme source spectroscopique (Tk 3,000 – 8,000k). Une telle source permet de déceler et mesure des impuretés éventuellement présentes au niveau du ppt. Ce type d’appareil fut développé à l’origine par la firme Plasmatherm aux USA, puis en France par Jobin Yvon, s’appuyant sur le constructeur français Dürr à Annecy qui fabriqua entre 1970 et 1990 de nombreux générateurs spéciaux 5kW – 70 MHz pour des utilisations autant à caractère scientifique qu’industriels (par exemple les laboratoires de Formule 1 chez Renault en furent équipés).
Il existe des centaines d’appareillages ICP dans le monde (Christian Trassy est très bien documenté à ce sujet). On utilise la fréquence de 70 MHz car cette fréquence élevée permet d’obtenir des plasmas moins chauds, thermiquement plus homogènes que les plasmas chauds à 3 MHz.
Jean Reboux
23 novembre 2006
Note de J. Amouroux : Les Russes avaient développé à Moscou des torches plasmas RF de puissance 900 kW pour tester les tuyères de propulsion et les coiffes de rentrée dans l’atmosphère, Sergey Dresvin y avait apporté sa contribution et j’ai pu aller à Moscou dans le cadre des accords avec l’ESA et Dassault pour tester les matériaux prévus pour la navette européenne Hermès