Brevet FR2342619A1 — publié le 19770923

La présente invention concerne un dispositif permettant le chauffage par induction en atmosphère oxydante, à de très hautes températures. On sait que le problème de l'atmosphère est important pour de nombreux cas d'utilisation, dans lesquels sont requises de très hautes températures, soit pour la protection des produits traités, soit pour celle du four. Lorsqu'on veut contrarier cette atmosphère, on est amené inévitablement à utiliser des éléments chauffés par l'énergie électrique, puisqu'un tel type de chauffage permet de s'affranchir des problèmes de combustion, ainsi que des gaz issus de cette dernière. Les procédés de chauffage électrique les plus plus utilisés sont: d'une part, le chauffage par effet Joule, et, d'autre part, le chauffage par induction. Le chauffage par effet Joule permet, à condition de choisir judicieusement la nature de l'élément de chauffe et de son atmosphère protectrice, d'obtenir des températures pouvant atteindre 3000"C. Les matériaux utilisables pour ce type d'application, notamment des métaux réfractaires et le graphite, nécessitent comme atmosphère de protection soit le vide, soit des atmosphères neutres ou réductrices, et, le plus souvent, avec un point de rosée aussi bas que possible. On peut constater qu'aucun de ces matériaux n'est compatible avec une atmosphère oxydante. Seuls, les oxydes métalliques réfractaires sont envisageables. Parmi les divers oxydes métalliques commercialisés et utilisables dans les conditions requises, l'oxyde de zirconium ou zircone apparaît comme particulièrement intéressant.L'étude de ses propriétés de structure et de ses propriétés électriques démontre l'utilité d'un tel matériau pour des applications comme élément chauffant à haute température (2000"C), en atmosphère oxydante. La résistivité électrique de la zircone stabilisée est, à la température ordinaire, supérieure à 106 JI cm, ce qui en fait un isolant. Elle présente une très forte variation négative de résistivité avec la température. Pour cette raison, les fours actuellement connus chauffés par effet Joule à l'aide de résistances en zircone stabilisée sont préchauffés par dea éléments chauffants classiques permettant de porter l'élément chauffant en zircone à une température de l'ordre de 1000 à 1100"C, température à laquelle l'élément atteint une résistivité compatible avec une alimentation électrique sous tension raisonnable. Ces fours connus nécessitent la connaissance d'une technologie bien particulière, et requièrent une étude de l'élément chauffant, de manière à ce que les points de connexion soient à une température suffisante pour être conducteurs, et à une température pas trop élevée pour permettre la connexion avec des éléments métalliques indispensables au raccordement avec la source d'alimentation en courant électrique. Ce type de four, bien qu'intéressant, présente un certain nombre de limitations, notamment dimensionnelles, et, par ailleurs, le dispositif de préchauffage de ces fours nécessite une installation importante. L'invention se propose d'apporter un dispositif de chauffage permettant de conserver les divers avantages précisés ci-dessus, résultant de l'utilisation de la zircone stabilisée à haute température, tout en l'affranchissant des diverses contraintes technologiques rencontrées dans son utilisation comme élément chauffant par effet Joule. L'invention test, en particulier, fixé comme objectif de réaliser un dispositif de chauffage dans lequel les contraintes dimensionnelles sont moins limitatives, et dans lequel on s'est affranchi des alimentations électriques pour obtenir des éléments chauffants de forme plus simple, et, par conséquent, de court moins élevé. Le but à atteindre par l'invention est donc l'obtention d'un élément chaud, en zircone stabilisée, de forme aussi simple que possible et pouvant fonctionner à 2000 "C en atmosphère oxydante. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un élément chauffant en zircone constitué d'un cylindre ouvert aux deux extrémité tés, un inducteur cylindrique dans lequel est disposé ledit élément en zircone et des éléments de calorifugeage à chaque extrémité ; ce dispositif est en outre caractérisé en ce que l'on introduit, à l'intérieur dudit élément chauffant, une pièce cylindrique pouvant store, par exemple, en acier inoxydable réfractaire, sur laquelle, à température ambiante, s'effectue le couplage inductif, cette pièce rayonnant thermiquement vers la surface interne de l'élément chauffant en zircone, dont la température s'élève, et qui devient suffisamment conductrice pour se coupler inductivement directement sur l'inducteur. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence au dessin annexé, d'un exemple de réalisation non limitatif. La Figure unique du dessin est une coupe axiale longitudinale d'un dis positif de chauffage selon l'invention. On voit en 1 l'élément chauffant en zircone, constitué d'un tube cylindrique ouvert à ses deux extrémités. Cet élément chauffant est disposé à l'intérieur d'un inducteur cylindrique 2. L'ensemble est calorifugé, à chaque extrémité, par des pièces 3 se présentant, par exemple, sous la forme de produits frittés allégés ou de feutres, l'extérieur du calorifugeage 4, situé dans des zones moins élevées en température, étant realisé, par exemple, en alumine fibreuse ou sous forme de feutre, ou sous toute autre forme compatible avec la température considérée, et avec une isolation thermique aussi efficace que possible. Etant donné qu'à la température ambiante, la zircone est isolante, il ne se produit pas de couplage inductif direct entre l'élément chauffant 1 et 1' inducteur 2. I1 faut donc prévoir un moyen de préchauffage. A cet effet, on introduit, selon l'invention, à l'intérieur du tube de zircone 1 et selon son axe, une pièce cylindrique 5, par exemple en acier inoxydable réfractaire. A la température ambiante, le couplage inductif s'effectue sur la-pièce 5. L'énergie électrique se dissipe sur la "peau" de ce conducteur 5, qui rayonne vers l'intérieur de l'élément chauffant en zircone 1. La température de ce dernier s'élève, et, par conséquent, sa résistivité s'abaisse, ce qui permet un couplage inductif direct de la surface intérieure du tube de zircone. A ce moment, le conducteur 5 devient inutile, et on peut l'enlever, tout en laissant le système en fonctionnement.Au fur et à mesure que la température s'élève, un gradient thermique -et, par conséquent, un gradient de résistance électrique- s' établit dans la section utile de ltélément chauffant en zircone. La position d'équilibre dépend donc des pertes, et donc de la géométrie choisie. Ce dispositif permet de réaliser une zone chaude cylindrique de longueur pouvant autre déterminée en fonction des applications et des possibilités de fabrication des éléments chauffants en zircone. Parmi les diverses applications du dispositif de l'invention en atmosphère oxydante, on peut citer, à titre non limitatif: - le filage de conducteurs optiques, en quartz par exemple - le tirage de monocristaux, la fusion de zone ou la zone flottante. I1 demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de chauffage par induction, notamment en vue de traitements en atmosphère oxydante, caractérisé en ce qu'il comprend un élément chauffant (1) en zircone ouvert aux deux extrémités, un inducteur cylindrique (2) dans lequel est disposé ledit élément chauffant, et des moyens de calorifugeage (3-4), ce dispositif étant en outre caractérisé en ce que l1on introduit à l'intérieur de l'élément chauffant (1) un conducteur (5) sur lequel, à température ambiante, s'effectue le couplage inductif, ce conducteur rayonnant thermiquement vers la surface interne de l'élément chauffant (1), dont la température s'élève, et qui devient suffisamment conducteur pour se coupler inductivement directement sur l'inducteur (2). 2 - Dispositif selon la revendication (1), caractérisé en ce que ledit conducteur (5) est une pièce cylindrique en acier inoxydable réfractaire. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble est calorifugé à chaque extrémité par des pièces (3) se présentant sous la forme de produits frittés allégés ou de feutres. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extérieur du calorifugeage (4) est réalisé enlumine fibreuse ou sous forme de feutre.