CA1086806A - Poche metallurgique pour les traitements inductifs des metaux - Google Patents

Abstract

Poche métallurgique pour les traitements inductifs des métaux dont l'enceinte 1 est constituée, au moins dans la zone de chauffage a par des tirants longitudinaux 4 présentant une largeur qui se rétrécit en traversant l'enceinte de l'extérieur vers l'intérieur, les espaces définis entre les tirants ainsi conformés étant occupés par des cales 5 isolantes et réfractaires. Selon une variante, les tirants sont creux pour permettre leur refroidissement par circulation de fluide. La poche selon l'invention présente les avantages cumulés d'une technologie simple, d'une bonne tenue mécanique, d'une bonne étanchéité au métal liquide et d'une grande perméabilité magnétique. Elle trouve son application pour tout traitement d'une charge métallique, notamment sa fusion, son maintien ou sa montée en température en phase liquide.

Description

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86~ 6 La présente invention concerne une poche métallurgique à enceinte métallique fragmentée destinée aux traitements induc-tifs des métaux et alliages, notamment leur fusion, ou plus géné-ralement leur maintien ou leur montée en température en phase li-quide, sous l'action d'un champ magnétique alternatif.
L'évolution des pratiques d'élaborations des métaux, et de l'acier en particulier, vers une métallurgie "hors du four" ou - "métallurgie en poche" se heurte pour une grande part au diffici-le problème du chauffage du métal en poche.
` 10Parmi les solutions envisagées, dont la majorité fait appel à l'énergie électrique, seul le chauffage par induction présente l'avantage de transmettre l'énergie au sein du métal a-vec un excellent rendement thermique. On peut donc en principe concevoir une bobine d'induction, comparable à celle d'un four à
induction de type usuel, dans laquelle vient se placer la poche.
Toutefois un problème important demeure: la possibilité d'indui-re des courants électriques dans le contenu, c'est-à-dire la char-ge métallique à traiter, sans pour autant surchauffer le conte-nant, (l'enceinte métallique de la poche) par des courants de Foucault indésirables. On a déjà proposé d'alimenter la bobine d'induction avec un courant de basse fréquence (de 1 à S Hz).
Cependant, le brassage intense du métal, d'autant plus important que la fréquence est basse, et l'élévation de la température de l'enceinte de la poche limitent les puissances installées, si bien que ce procédé n'est utilisé en fait que pour brasser le métal en poche et qu'il est souvent complété par un autre moyen de chauffage notamment par arc.
Une autre voie consiste, afin de conserver l'avantage d'une alimentation électrique à la fréquence industrielle de l'or- ;
dre de 50 ~Iz, à modifier la technologie de la poche pour la ren-dre perméable au champ magnétique. Pour ce faire, il est connu ide découper l'enceinte métallique de la poche en suffisamme~t ~ , .
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d'éléments, électriquement isolés les uns des autres pour empe-cher la circulation de courants de Foucault indésirables tout en assurant à l'ensemble à la fois une tenue mécanique acceptable et une bonne étanchéité à l'égard des fuites éventuelles de métal liquide pouvant résulter par exemple dlune rupture du garnissage réfractaire intérieur.
A cet effet le brevet français 1.509.043 décrit une po-che pour traitements inductifs dont l'enceinte métallique, de for-; me générale cylindrique, est constituée dans la zone de chauffage, 10 par des plaquettes métalliques amagnétiques, assemblées les unesaux autres de manière à former une paroi mécaniquement continue, et isolées électriquement entre elles par un ciment réfractaire injecté dans les interstices continus ménagés entre les plaquet-tes assemblées.
On retrouve des dispositions sensiblement analogues dans la poche décrite dans le brevet français n 1.534.905.
,' Cependant, il reste à craindre que les poches de ce ty-pe, de par leur-structure métallique très compacte, deviennent à
terme inutilisables en raison de leur échauffement dès que la : 20 fréquence du courant dépasse 60 ~z ou meme, à fréquence industri~
elle, lors d'opérations de durée prolongée.
Un autre brevet fran~ais n 2.100.553 décrit une poche susceptible de remédier aux inconvénients précités. L'enveloppe est constituée, dans la zone de chauffage, par des éléments métal-liques isolés électriquement entre eux de manière à former un cir-cuit électrique ouvert et présentant chacun une faible section ; par rapport à leur longueur. Plusieurs variantes sont décrites.
Certaine~ ne semblent pas offrir les meilleurs garanties de tenue mécanique. D'autre, basées sur l'utilisation, dans la zone de chauffage de tirants métalliques longitudinaux régulièrement dis-tribués autour de la poche et maintenus en place par serrage en-tre deux brides annulaires, présentent une meilleure tenue mécani--. ''~.` ',

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que. Mais leur technologie, souvent complexe et délicate, ne facilite guère le remplacement éventuel des pièces défectueuses ou usagées. De plus, la présence dans certains cas, d'éléments métalliques continus sur le pourtour de la poche, laisse craindre `
un échauffement par courants de Foucault lorsque, comme c'est généralement le cas, on fait usage d'une bobine d'induction dont ~-l'axe se confond avec celui de la poche.
La présente invention a pour but de proposer une poche métallurgique du type précité présentant une technologie de réa-~ 10 lisation aisée et donnant satisfaction à la fois sur le plan del'étanchéité au métal liquide et sur celui de la tenue mécanique, tant lors d'opérations de longue durée à fréquence industrielle que d'opérations plus brèves à des fréquences plus élevées de l'ordre de plusieurs centainesd'Hertz.
A cet effet, la presente invention a pour objet une poche métallurgique,pour les traitements inductifs des métaux, comprenant une enceinte garnie intérieurement par un revêtement réfractaire, cette enceinte, composée d'un fond métallique, d'u-ne virole métallique supérieure et d'une partie latérale inter-médiaire reliant le fond à la virole et constituée, dans la zonede chauffage, par des tirants métalliques longitudinaux mainte-nus en position par serrage entre deux brides métalliques annu-laires inférieure et supérieure, solidairës respectivement du fond de poche et de la virole supérieure, et isoles électrique-ment entre eux par des cales en matériau réfractaire disposées entre les espaces longitudinaux définis entre deux tirants suc-cessifs. Cette poche est caractérisée en ce que les tirants sont conformés de manière à ménager entre eux des espaces longitudi-naux dont l'épaisseur se rétrécit en traversant l'enceinte de l'intérieur vers l'extérieur de la poche et en ce que lesdits espaces sont occupés par des cales en matériau isolant de l'élec-tricité et de la chaleur, et épousant étroitement la forme de

- 3 ,. , , ~

leur logement.
Selon une variante préférée, les tirants présentent une ; section transversale de forme trapézoidale dont la petite base est disposée en regard de l'intérieur de la poche de manière à
définir entre eux des espaces dont l'épaisseur se rétrécit pro-; gressivement en traversant l'enceinte de l'intérieur vers l'ex-térieur de la poche.
Conformément à une caractéristique de l'invention, les tirants sont tubulaires.
Comme on le comprend l'invention consiste dans ses élé-ments constitutifs essentiels: ;
- à fragmenter la partie latérale de l'enceinte de la poche en éléments métalliques longitudinaux de préférence régu-lièrement espacés, et en éléments isolants de l'électricité, - à agencer les éléments métalliques entre eux de mani-ère à conférer à l'enceinte une structure métallique en forme de cage assurant, dans l'application qui lui est donnée, à la fois une bonne tenue mécanique et une grande perméabilité magnétique puisqu'on n'y retrouve plus, comme c'était le cas dans l'art an-térieur, des éléments métalliques orientés horizontalement dans la zone directement en regard de l'inducteur (ou zone de chauf- `
, .
fage), - à combler les "lacunes" de la structure métallique ainsi réalisée par des joints réfractaires isolants de l'électri- ~
cité, insérés dans les espaces disponibles entre deux éléments `
métalliques consécutifs.
; Enfin la conformation particulière des éléments métal-liques longitudinaux, assure à l'enceinte selon l'invention, d'u-ne part un auto-blocage des joints isolants tendant naturellement ~;
à être repoussés vers l'extérieur de la poche sous l'effet des fortes contraintes thermiques prévalentes dans la poche, et d'au-tre part, une étanchéité suffisante de l'enceinte, notamment dans .~ ' ' , _~_ ,,, , :: , . ~ .' :

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la zone de contact joints-éléments métalliques, de sorte que les fultes de métal liquide hors de la poche ne sont plus à cralndre malgré les ruptures éventuelles des briques formant le garnissa-ge réfractaire intérleur. En outre le remplacement des pièces usagées est facilité, en particulier celui des joints lsolants -qui, après refroidissement de la poche, peuvent être délogés d'entre les éléments métalliques par simple pression vers l'inté-rieur de la poche.
Un tel avantage, notamment, ne se retrouve pas dans les appareils connus appartenant au même domaine technlque ou à
un domaine voisin, par exemple dans le four à induction décrit dans le brevet anglais n 27~.008. Dans ce four, en effet, c'est la bobine inductrice qui, dlsposée entre les tlrants et le revê-tement réfractaire, constitue l'enceinte assurant le support du réfractaire et l'étanchéité par rapport au métal en fuslon. A
- cette fin, le conducteur de la bobine est resserrée dans sa par-tie médiane, de manière que deux spires consécutives définissent entre elles un espace annulaire dont la section est de forme len-ticulaire bi-convexe, empêchant tout décollement ultérieur du joint isolant qui y est logé.
Même en l'absence de courants de Foucault, le flux ca-lorifique qui se transmet, depuis la charge liquide, au travers du réfractaire, de l'intérieur vers l'extérieur de la poche, pro-voque un échauffement de l'enceinte. Aussi, a~in d'éviter une élévation dangereuse de température lors du traitement inductif des métaux, le demandeur préconise-t-11, conformément à une varl-ante préférée de l'invention, de faire usage de tlrants tubulai- ;
res. L'intérêt d'une telle disposition est triple:
- en premler lieu, elle permet de faire circuler un fluide refroidissant à l'intérieur des tirants, par exemple de l'air, - en second lieu, elle contribue à diminuer l'intensl-.

_ 5 .té des courants de Foucault dans les tirants et ceci d'autant plu~ qu'il sera possible de réduire l'épaisseur de leur paroi sans nuire à la tenue mécanique de la poche, - en troisième lieu, elle conduit à faire usage de ti-rants de meilleure qualité, puisque les tirants creux peuvent -être obtenus par étirage, alors que les tirants pleins sont pro-duits par laminage et qu'il faudrait ensuite les forger pour leur - conférer une qualité équivalente aux premiers. En outre, ces ti-rants, qu'ils soient pleins ou creux, présentent, à sections éga-les, un même moment d'inertie, donc une résistance identique à la flexion comme au flambage.
Un intérêt supplémentaire de cette variante d'exécution est d'ordre économique: en effet les tirants creux, de section trapézoidale par exemple, peuvent être formés à partir de tubes d'acier inoxydable que l'on trouve couramment dans le commerce.
L'outillage nécessaire à la mise en forme est alors fort simple et son coût pourra être très rapidement amorti.
L'invention et les divers avantages qu'elle procure se-ront mieux compris au vu de la description qui suit, donnée en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles:
- la figure 1 montre une vue en élévation de l'ensemble de la poche conforme à l'invention, telle qu'elle se présente lorsqu'elle est placée dans l'entrefer d'une bobine à induction, - la figure 2 représente une coupe verticale partielle d'un tirant montrant ses moyens de fixation à la bride de serra-ge supérieure.
- la figure 3 représente une portion de section droite d'une poche ayant des tirants trapézoi'daux conformément à une réa-lisation préférée de l'invention.
Sur les figures, les memes éléments sont indiqués par des ré-férences identiques. -;
Comme on le voit sur la figure 1, la poche est consti-8~ 6 .~
tuée d'une enceinte 1, de forme générale cylindrique et garnie in-térieurement d'un revetement réfractaire non xepresenté. Cette enceinte se compose d'un fond métallique 2 en forme de cuvette, d'une virole supérieure 3 également métallique et, entre les deux, d'une pluralité de tirants métalliques longitudinaux dis-tribués sur la périphérie. Ces tirants forment un rideau de co-lonnes régulièrement espacées encerclant le revêtement réfrac-- taire interne. Des cales isolantes et réfractaires 5 occupent les espaces entre deux tirants successifs~ En plus des proprié-tes précitées, ces cales doivent présenter des qualités d'iso~
lant thermique et une bonne résistance aux efforts de compres-sion en raison des phénomènes de dilatation de la structure mé-tallique lors de la mise en service de la poche. On utilise a-vantageusement à cette fin un matériau commercialisé sous la dé-nomination "Syndanio" qui se présente sous forme d'aggloméré de pierre minérale et d'amiante en poudre.
Les tirants sont fixés à leurs extrémités à deux brides annulaires plates 6 et 7 respectivement solidaires de la virole supérleure 3 et du fond 2 dont elles constituent les bordures.
Leur fixation est assurée par des moyens de serrage référencés en et qui seront décrits plus en détail en référence à la figure 2.
La virole supérieure 3 est munie de deux tourillons latéraux 9 pour perrnettre les opérations de manutention habituel-les. La virole 3 comporte en outre une couronne 18 qui dépasse les limites du volume défini par les tirants, de manière à cons-tituer un organe de support de la poche lors de l'installation de ~ celle-ci dans une cuve de chauffage, cette couronne prenant appui ;- sur le bord de l'ouverture de la cuve, comme le montre par exem-ple la figure 9 du brevet fran~ais n 2.100.553 déjà cité. ~ans , l'exemple décrit, on a prévu dans le fond de la poche une busette à tiroir 10 non représentée pour efEectuer les opérations de cou-~ 7 . .... .. . . .. . . . .. .. . .

1C~8~ 6 lée. On a représenté schématiquement, sur la partie gauche de la figure, des moyens de chauffage par induction constitués par un ' solénoi'de 11 entourant la poche inséré dans une culasse ferroma-gnétique annulaire 12. Comme on le voit, la hauteur'du solénoi'de ' ' ne dépasse pas celle des tirants, de sorte que la virole 3, le fond 2, ainsi que leurs brides respectives 6 et 7, se trouvent positionnés à l'extérieur de la zone de chauffage proprement dite, référencée a. L'ensemble de la structure métallique est de pré- '~
férence en matériau amagnétique, par exemple de l'acier inoxydable amagnétique, de manière à ne pas canaliser les lignes de champ magnétique créées par le solénoi'de 11 au détriment de la charge à traiter contenue dans la poche. La forme particulière des ti- '~
rants, constituant l'un des objets de l'invention, ne peut bien entendu apparaître sur cette figure, une description en sera fai-te en ré-férence à la figure 3.
Conformément à une autre caractéristique ~également ob-servable sur la figure 3), les tirants 4 sont tubulaires, de ma-nière à présenter un conduit axial pour permettre la circulation `
d'un fluide refroidissant qui, pour des raisons de commodité, est généralement un gaz, notamment de l'air. La poche présente à cet effet une conduite annulaire 13 soutenue sous la poche par des attaches 14 solidaires de la bride 8 bordant le fond 2. Une tuyauterie 15 alimente cette condulte en air sous pression, ce- "' lui-ci est alors distribué dans chaque tirant par autant de rac-cords lS piqués sur la conduite 13 et reliant de façon étanche les extremités inférieures des tirants. Afin de ne pas surchar-ger la figure, seul quelques raccords 16 ont été représentés. On ' comprend que la circulation dans les tirants se fait de façon as-cendante et l'air s'échappe à l'atmosphère par des ouvertures 17 '~
ménagées à l'extrémité supérieure des tirants, le détail en sera décrit en référence à la figure 2.
L'exemple considéré concerne une poche expérimentale .. . .

: . ... . . . . . . . ..

36~6 d'une capacité de 7 tonnes environ, présentant un diamètre voisin de 1,50 m.
Les tirants, au nombre de 60, présentent une section voisine de la moitié de celle des espaces longitudinaux 5. Les dimensions de leur .section trapézoidale, telle que décrite en ré-férence à la figure 3 qui suit, sont les suivantes: 2,5 cm pour la petite base, 3,5 cm pour la grande base et 5,5 cm pour la hau-teur du trapèze. Leur épaisseur est de 0,8 cm. Le nombre de ti-rants et leurs sections sont déterminés de manière à maintenir le garnissage refractaire et supporter mécaniquement le poids de l'ensemble constitué par le fond de poche, le réfractaire et la charge à traiter. A titre indicatif, on rappelle que l'une des fonctions des tirants creux est d'assurer une réduction de l'in-tensité des courants de Foucault en application des lois bien connues sur les effets de pénétration des ondes électromagnéti-ques dans les milieux conducteurs, effets plus généralement dési- :
gnés par les termes "effets de peau". On sait que la profondeur de pénétration dans l'acier inoxydable amagnétique, dont sont constitués les tirants, est de 6 cm environ pour les fréquences industrielles de 50 ou 60 Hz de l'onde incidente, fréquences qui - sont celles couramment utilisées pour l'exploitation de la poche .;
conforme à l'invention. On comprend donc que tout tirant tubù~
laire dont l'épaisseur de paroi est inférieure à 6 cm, et de pré- :~
férence la plus faible possible, favorise une réduction de ces courants parasites, donc diminue l'échauffement. ~.
La figure 2 montre un mode de fixation isostatique des : tirants sur la bride annulaire supérieure.
Comme on l'a vu en référence à la figure précédente, la partie supérieure de la poche, située en dehors de la zone de JO chauffage a, est constituée par une virole métallique 3 compor-tant, à son extrémité inférieure, une bride annulaire plate 6 :~
perforée d'ouvertures 19 pour le passage des ex-trémités filetées :~

~L~8~ 6 des tirants 4. Ces derniers sont, dans l'exernple décrit, formés d'une seule pièce et leurs extrémités ont été usinées pour leur donner une forme appropriée de manière à pouvoir traverser les ou-vertures précitées. La virole supérieure 3 comporte en outre une couronne annulaire 18 placée au-dessus de la bride 6, et consti-tue, comme on l'a dit, un moyen de support de la poche, lorsque celle-ci est installée dans une cuve de chauffage à induction, en prenant appui sur les bords de l'ouverture de cette dernière.
L'assemblage isostatique des tirants 4 avec la bride 5 est assuré
par un écrou de serrage 20 par l'intermédiaire de rondelles d'ap-pui 21 et de joints plats 22. Les orifices 19 de la bride 6 pré-sentent un diamètre légèrement supérieur à celui de l'extrémité
des tirants, de manière à permettre l'installation d'un joint 23 du type "canon".
On comprend que la présence des joints 22 et 23 se jus-tifie par les lmpératifs d'isolation électrique des tirants par rapport à la bride de serrage 6, qui est également métallique. -Le choix du matériau constitutif de ces joints sera fait en te-nant compte des caractéristiques qu'il doit présenter et qui, en substance, sont similaires à celles définies précédemment à pro-pos des cales insérées entre les tirants (figure 1). En consé-quence, un matériau tel que du "Syndanio" fera également très bien l'aEEaire.
Il est à noter que ces dispositions se retrouvent de fa-çon identique au niveau de la bride inférieure 7 solidaire du fond de la poche 2 et, pour cette raison, n'ont pas été représen-tées sur cette figure.

.
Il est à noter également que les tirants 4 sont tubu-laires et que leur conduit axial 24 débouche à l'extérieur par l'extrémité de sortie 17.

En se reportant à présent à la figure 3, on constate que, conformément à une réalisation de l'invention, les tirants ~ .

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4 présentent une section de *orme trapézoïdaIe, la petite base 25 étant du côté de l'intérieur de la poche.
Cette disposition particulière permet de ménager entre deux tirants consécutifs un passage longitudlnal, egalement de forme trapézoidale, mais dont la position des bases est inversée par rapport à celle des tirantsO Il en résulte que la largeur de ces passages (mesurée sur le périmètre de la poche) va en di-minuant depuis l'intérieur vers l'extérieur de la poche.
Ces passages, précédemment désignés par "espaces" (ou "lacunes") sont occupés p~ar les cales 5 qui, comme on l'a vu en référence à la figure 1, sont avantageusement confectionnées à
partir d'un matériau tel que du "Syndanio". Ces cales peuvent 8tre insérées de force par l'intérieur de la poche ou être mon-tées alternativement avec les tirants lors de la construction de la poche.
Comme on le comprend facilement au vu de la figure, ces cales sont bloquées dans leur logement et ne peuvent être " éjectées vers llextérieur de la poche sous l'effet des pressions internes lors de la mise en service de l'appareil. Par contre, lors des opérations de réfection, ils peuvent être facilement délogés vers l'intérieur par simple pression contre leur petite base 26. L'enceinte ainsi réalisée présente une continuité méca-nique sur tout le pourtour de la poche et sa paroi interne 27 constitue une base d'appui pour les plaquettes ou briques 28 du revêtement réfractaire interne. Une telle disposition améliore la tenue mécanique des briques réfractaires. Toutefois même en cas de rupture de celles-ci sous l'effet des contraintes thermi-ques et des dilatations qui en résultent, l'étanchéité de l'en- ;
ceinte ainsi constituée est suffisante pour que les fuites de mé-30 tal liquide à l'extérieur de la poche ne soient pas à craindre.
Dans le mode de mise en oeuvre décrit, on a prévu une couche d'amiante 29 entre l'enceinte et les briques réfractaires.
' ' : ', Il s'agit d'une protection thermique supplémentaire, souhaitable mais nullement indispensable.
D'autre part, il est clair que le fait que les tirants soient tubulaires, comme le montre la figure 3, n'est nullement limitatif de l'objet de l'invention décrit en référence à cette -figure et que les tirants peuvent ici être indiféremment creux ou pleins.
- Bien entendu, l'invention ne saurait se limiter aux modes de réalisation décrits. C'est ainsi que doit être consi-dérée comme entrant dans le cadre de la présente invention l'u-tilisation de tirants métalliques qui, sans être parfaitement trapézoidaux, présentent néanmoins une conformation telle que les espaaes longitudinaux qu'ils définissent entre eux rétrécis-sent en largeur en traversant l'enceinte vers l'extérieur de la poche. De même, la forme cylindrique de la poche n'est pas li-mitative de l'invention, toute autre forme géométrique, même plus complexe, peut également convenir, dans la mesure où elle demeure tubulaire et où la rigidité mécanique de la structure .
métallique est assurée dans la zone de chauffage par des tirants longitudinaux.

De meme encore, le sens remontant de la circulation du fluide refroidissant dans les tirant~ n'est nullement une carac-téristique indispensable ~ l'invention. Il n'a été retenu, dans les exemples décrits, qu'en raison des commodités de la mise en oeuvre. Et on peut fort bien envisager des variantes, certes moins avantageuses et plus encombrantes, mais permettant de réa-liser, si on le désire, une circulation descendante du fluide de refroidissement en alimentant les tirants par leur extrémité su-périeure. Notamment on peut prévoir des conduits, tels que 16 (fig. 1) piqués sur le canal annulaire 13 et remontant extérieure-ment le long de la poche. On peut également prévoir par exemple de transférer le canal annulaire 13 au-dessus de la bride de ser-rage supérieure.

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Claims (3)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:-

1. Poche métallurgique destinée à être soumises à l'action de moyens inductifs pour le traitement de métaux, et comprenant une enceinte garnie intérieurement d'un revêtement réfractaire, cette enceinte étant composée d'un fond métallique, d'une virole métallique supérieure et d'une partie latérale intermédiaire re-liant le fond à la virole, cette partie latérale étant constitu-ée, au moins dans la zone de chauffage, par des tirants métalli-ques longitudinaux maintenus à leurs extrémités par serrage sur deux brides annulaires métalliques solidaires respectivement du fond de la poche et de la virole supérieure, poche caractérisée en ce que les tirants sont conformés de manière à ménager entre eux des espaces longitudinaux dont la largeur se rétrécit en traversant l'enceinte de l'intérieur vers l'extérieur de la po-che, et en ce que lesdits espaces sont occupés par des cales, en matériau réfractaire et isolant de l'électricité, épousant étroi-tement la forme de leur logement.

2. Poche selon la revendication 1 caractérisée en ce que les tirants présentent une section transversale de forme trapé-zoïdale dont la petite base est disposée en regard de l'intérieur de la poche.

3. Poche selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les tirants sont tubulaires, et en ce que des moyens sont prévus pour permettre une circulation de fluide refroidissant à
l'intérieur des tirants.