Brevet FR2418432A1 — publié le 19790921

La présente invention concerne les fours électriques qui sont utilisés pour assurer la fusion ou le maintien en température de métaux plus particulièrement non ferreux. Pour assumeriez fonctionsci-dessus, les fours électriques connus à ce jour sont de différents types qui ne donnent pas entièrement satisfaction sur le plan général. Un premier type de four fait intervenir un creuset de coulée en matière réfractaire conductrice limitant un volume généralement plus haut que large qui est placé dans une enceinte porteuse réfractaire avec laquelle il délimite intérieurement une chambre contenant des résistances électriques. Une telle réalisation fait intervenir un transfert de calories, principalement par rayonnement et chauffage du milieu gazeux contenu dans la chambre. Il en résulte un mauvais rendement et, par suite, une consommation élevée d'énergie pour l'obtention d'une température maximale capable, le plus souvent, d'assurer plus le maintien en température que la fusion proprement dit. Un deuxième type de four visant à supprimer les inconvénients du type précédent consiste à réaliser un bassin de fusion de grande surface au sein d'une enveloppe réfractaire qui est associée à un couvercle permettant de fermer le bassin èt aussi de supporter des résistances électriques qui sont chargées d'assurer une montée en température à l'intérieur du bassin de fusion par rayonnement au-dessus du métal. Ce type de four permet d'obtenir un rendement un peu supérieur au four traditionnel, bien que, d'une façon générale, en utilisant des résistances susceptibles d'atteindre une température de 1100 de,grés, il ne soit pas possible d'élever la température du métal audessus de 800 degrés.En outre, en raison de la disposition des résistances pouvant etre qualifiées de montée "à ltair libre" dans le couvercle, différents inconvénients majeurs doivent etre relevés et mis au compte de telles constructions. I1 assagit principalement de la fragilité des résistances qui, n'étant pas protégées, peuvent etre facilement rompues ou détériorées soit par des coups, soit encore par des projections de métal en fusion. Dans de tels cas, ces détériorations obligent l'utilisateur à effectuer une réparation sur place lorsque le four est à température maximale, ce qui entrain, bien évidemment, des difficultés difficilement surmontables dues à la température élevée à laquelle les réparateurs sont exposés.De plus, on a remarqué également que de tels fours présentent une mauvaise isolation électrique qui est due au fait que le volume d'air situé entre les résistances et le bain de métal de fusion se charge d'oxydes métalliques se déposant sur les supports isolants. Par ailleurs, de telles réalisations sont onéreuses car,devant offrir une aire d'exposition très importante, elles nécessitent la mise en oeuvre de masses élevées de matériaux réfractaires obligatoirement logées à l'intérieur d'enceintes de grand volume. De façon supplémentaire, il faut également noter que du fait de leur disposition et montage à l'air libre, les résistances transmettent leurs calories principalement par convection dans l'air situé audessus du bain. En outre, la chaleur dissipée par rayonnement est faible du fait que la surface des métaux en fusion est réfléchissante. Il est donc nécessaire de mettre en oeuvre un grand nombre de résistances pour couvrir une grande surface d'exposition, de manière à pouvoir dissiper la chaleur suffisante au maintien en température ou à la fusion de mé taux.A titre indicatif, on peut citer que pour un four d'une capacité de 800 kilogrammes d'aluminium, il est nécessaire de mettre en oeuvre 18 résistances d'une puissance unitaire de 2 kilowatts ayant une longueur utile de 800 millimètres et un diamètre extérieur de 45 millimètres pour obtenir, en fusion continue et à niveau constant, une quantité utile de métal fondu de 50 kilogrammes / heure. Tous ces éléments font qu'un tel four est d'un prix d'achat et d'un prix de revient onéreux bien que présentant un rendement supérieur à celui du premier type. On a proposé également de réaliser, dans la meme application, des fours à inductiol2' qui sont connus pour posséder un meilleur rendement. Toutefois, de tels fours sont de réalisation et d'utilisation délicates, sont fragiles de structure et sont très chers de mise en oeuvre. Leur application est réservée à la production de quantités importantes de métal fondu. li y a lieu également de mentionner les fours à arcs. Ces fours sont utilisés pour atteindre des températures très élevées et sont réservés à des applications particulières: élaboration des aciers spéciaux, fabrication de certains produits réfractaires, etc.. Ils ont quelquefois été utilisés pour la fusion des métaux non ferreux, mais cet emploi a été abandonné car ils provoquent une oxydation importante du métal et, d'autreFart, leur régulation thermique est délicate. La présente invention vise à remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un four électrique dont la conception particulière permet d'atteindre un rendement notablement plus élevé que celui des réalisations connues, tout en faisant intervenir une construction moins onéreuse que celle généralement retenue. Ainsi, pour une meme capacité, il devient, par conséquent, possible de consommer une énergie notablement plus faible que pour les fours traditionnels comparables ou, à consommation égale, d'accroitre la capacité de traitement. Le rendement obtenu étant plus élevé, la conception de l'objet de l'invention permet de réaliser des fours d'encombrement plus réduit que les fours traditionnels et notamment à rayonnement par le dessus du bain et, par suite, de réaliser une économie notable sur le prix de la construction, ainsi qu'un gain en encombrement particulièrement appréciable pour l'implantation dans les petites fonderies ou les ateliers de faible surface. La conception de l'objet de l'invention permet, en outre, d'atteindre une bonne isolation électrique étant donné que le bain de fusion et la partie active de chauffage sont totalement isolés de toute circulation et relation avec le milieu ambiant et, notamment de circulation d'air. Il y a lieu de noter également que la conception de l'objet de l'invention permet de réaliser une protection efficace des organes responsables de la montée en température du four de fusion et, par conséquent, de supprimer les accidents qui risquent de survenir lorsque, par exemple par infiltration, du métal fondu est amené en contact avec des résistances sous tension. Un avantage supplémentaire de l'objet de l'invention réside dans le fait qu'il devient possible, selon la conception du four préconisé, d'utiliser dans le meme encombrement des résistances électriques de puissances supérieures à celles actuellement généralement utilisées et, par conséquent, d'obtenir une montée en température plus rapide ainsi qu'un plafond de température supérieur à celui pouvant etre escompté actuellement et pouvant meme aller jusqu'à la fusion des fontes. Conformément à l'invention, le four électrique de fusion et de maintien en température de métaux est caractérisé en ce qu'il comporte un élément chauffant constitué par une dalle réalisée en un matériau de conductibilité thermique élevée et dans laquelle sont pratiqués des trous dans l'axe desquels sont placées des résistances alimentées en électricité, un certain intervalle étant ménagé entre chaque résistance et la surface intérieure du trou correspondant. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description ci-dessous faite en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe-élévation de l'objet de l'invention. La ftg. 2 est une coupe transversale prise selon la ligne II-$II de de la ilg. I. Selon l'invention, le four électrique est constitué par l'association de trois éléments déncmmés ci-après le fond 1, le corps 2 et le couvercle 3 Le fond 1 est constitué par ure enveloppe métallique 4 étanche contenant la partie chauffante 5 qui comprend deux plateaux métallique s 6 séparés par une couche 7 en matière réfractaire isolante adaptée aux faibles températures. Les plateaux 6 servent de supports à des couches en matières réfractaires isolantes 8 et 9, par exemple en fibres céramiques ou en amiante, adaptées aux hautes températures. Les couches 8 et 9 constituent le support et l'isolant thermique d'un élément chauffant 10. Selon l'invention, 1 l'élément chauffant 10 est constitué par une dalle ou sole qui est réalisée en une matière, d'une part, compatible avec le métal à fondre et, d'autre part, possédant un coefficient de conductibilité thermique le plus élevé possible. A titre d'exemple, la sole ou dalle 10 peut être constituée par un volume en graphite artificiel Qu en carbure de silicium. La sole 10 comporte, dans son épaisseur, des trous 11, par exemple au nombre de trois et qui sont destinés à recevoir et à loger intérieurement trois résis- tances électriques 12 en ménageant r-ar rapport à ces dernières un certain intervalle ou volume.Les parties terminales des résistances sont supportées et maintenues par des logements complémentaires prévus dans les couches latèrales 9. Selon une disposition constructive de l'invention, chaque résistance 12 est constituée par un élément résistant qui est logé à l'intérieur d'un tube 13 en quartz ayant pour fonction, d'une part, d'assurer le @@pport de l'élément résistant, d'autre part, d'isoler électriquement ledit élément résistant de la structure du four et, par ailleurs, de représenter un écran, une barrière ou une gaine protectrice dans le cas d'infiltration de métal fondu, par exemple à la suibe de fissurations intervenant au sein de la masse de la sole ou dalle 10.L'élément résistant 12 est, bien entendu, raccordé à des bornes de contacdt 14 qui sont disposées extérieurement aux couches 9 pour etre placées à l'intérieur de l'enveloppe 4 constitutive du fond 1. Un volume libre est ménagé entre l'enveloppe 4 et les éléments décrits pour recevoir les connexions électriques et les organes de régulation thermique. Ce volume constitue en plus une isolation thermique supplémentaire qui, l'enveloppe 4 étant étanche > peut etre rempli d'un gaz neutre évitant l'oxydation de l'élément chauffant. Le corps 2 est constitué par Une structure porteuse comprenant une virole ou enveloppe métallique 15, un garnissage interne 16 en fibres réfractaires et un revetement intérieur 17 en béton réfractaire constituant une enveloppe interne délimitant, a proprement parlé, un bassin 18 dont le fond est constitué par la sole ou la dalle 10. Le corps 2 est monté sur le fond 1 au moyen de profilés de fixation 19 qui sont adaptés sur des profilés 20 présentés par le rebord supérieur périphérique de l'enveloppe 4. L'adaptation entre le corps 2 et le fond 1 est assurée avec interposition de joints d'étanchéité 21, par exemple en fibres céramiques, s'étendant entre les enveloppes extérieures 4 et 15, ainsi qu'entre les rebords supérieurs des côtés 9 et de la dalle ou sole 10 faisant face aux bords périphériques inférieurs du revetement en béton réfractaire 17.De préférence aussi, des joints de nature semblable 22 sont prévus entre le revetement 17, les profilés 19 et les garnissages 16. Le corps 2 présente, à sa partie supérieure, des profilés 23 de meme conception ou analogue que les profilés 19 et destinés à permettre le montage et la fixation du couvercle 3 qui est constitué par une enveloppe métallique 24 associée à un garnissage 25 en fibres réfractaires, La description qui précède, ainsi que l'examen des dessins annexés, fait apparattre que le four conforme à l'invention délimite un bassin 18 totalement isolé du milieu ambiant et, par conséquent, dans lequel ne s rétablit aucune circulation d'air lorsque le couvercle est fermé.Le chauffage, la montée en température et le maintien à cette température du métal placé dans le bassin 18 sont assurés par l'intermédiaire des résistances 12 qui, montées en température, transmettent leurs calories à la dalle ou sole 10 par rayonnement à travers les tubes en quartz qui est un matériau parfaitement perméable au rayonnement infrarouge. Le graphite ou le carbure de silicium constituant la dalle 10 sont des "corps noirs" absorbant parfaitement le rayonnement infra-rouge et ayant une conductibilité thermique élevéeode sorte qu'il transmet parfaitement par conduction les calories reçues à la masse métallique disposée dans le bassin 18. Ainsi, la disposition constructive consistant à réaliser un four comportant une sole ou une dalle représentant directement l'élément actif de montée en température en contenant, incorporées dans sa masse, les résistances de chauffage, permet de limiter au maximum les pertes et de disposer du maximum de chaleur dissipée pour le maintien en fusion ou la montée en température du métal placé dans le bassin 18. A titre dtindication, pour un four d'une capacité de 400 kilogrammes d'aluminium, il a été possible de réaliser une fusion continue de 80 kilogrammes / heure à niveau de bain constant en ne mettant en oeuvre que trois résistances d'un diamètre extérieur de 42 mm et d'une longueur de 800 mm alimentées chacune pour développer une puissance de 10 kilowatts. L'absorption maximale et la réduction des pertes permettent d'obtenir des fusions rapides de très bonne qualité sans oxydation à température élevée en ne faisant intervenir qu'un nombre restreint de résistances qui peuvent développer une plus grande puissance de chauffage que celles des fours classiques. Il devient ainsi possible de réduire leur nombre pour l'obtention d'une température maximale déterminée et ainsi de diminuer la consommation globale d'électricité d'au moins 3u %. Ces différents avantages permettent,par par conséquent, de réaliser des fours possédant une structure et un encombrement inférieurs à ceux des fours actuels et, par suite, de réaliser également sur ce plan un gain notable permettant d'abaisser le prix de revient et de permettre l'implantation des fours meme dans les locaux ou des emplacements relativement exigus. Un avantage su gplémentaire de la réalisation de la dalle ou sole 10 en ou carbure e cium graphite artificielZréside dans ie fait que ce matériau est bon conducteur de la chaleur tout en étant insensible à l'attaque et à la corrosion des métaux en fusion, de sorte qu'il est possible de réaliser des fours possédant une plus grande sécurité ainsi qu'une durée de vie accrue. Les différents avantages ci-dessus permettent ainsi d'envisager dans des meilleures conditions la mise en oeuvre du four dans de nombreuses applications et,notamment du fait de l'existence du couvercle 3 adapté de façon étanche sur le corps 2, en tant que four pour coulée basse pression. I1 est également possible d'envisager pour la meme raison l'application ou l'utilisation en tant que four à atmosphère contrôlée. Une autre application possible est également la mise en oeuvre de l'ob jet de l'invention en tant que fontaine de fusion en prévoyant alors de relier le creuset 18 à une goulotte d'évacuation pour la fusion continue. Dans ce qui précède, il est précisé que les éléments résistants 12 sont disposés à l1intérieur de tubes en quartz qui sont eux-mêmes logés dans les trous ll présentant un diamètre supérieur à celui des tubes Dans certains cas, il peut etre prévu de supprimer les tubes 13 la première transmission de chaleur intervenant toujours par rayonnement entre les résistances et la dalle. De me me, il peut outre prévu de remplacer les résistances illustrées sous la forme d'enroulement métallique par des résistances électriques à base de graphite ou autres matériaux, ce qui permet d'élever de cette manière la température maximale susceptible d'être atteinte. I1 est à noter aussi que la dalle 10 écrite en tant qu'élément constructif indépendant peut éventuellement faire partie Intégrante a'un creuset monobioc ce qui permet alors, notamment pour des fours de faible capacité, des réalisations simples et pratiques. Dans l'exemple de réalisation décrit et représenté, l'élément chauffant représente la dalle ou le fond du bassin 18 il peut etre prévu aussi de constituer de la meme façon l'élément chauf@ant mais de le réaliser sous la forme d'un côté latéral du bassin 1@, @otamment dans le cas d'un four de fusion à niveau constant. Dans un tel cas, il convient de donner alors au volume de graphite une hauteur maximale aW plus égale au niveau du bain. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réallsation représenté et décrit en détail car diverses modifications peuvent - être apportées ans sortir de son cadre. Il peut etre prévu aussi d'utiliser le four pour le chauffage et le rai te ment de différents matériaux. REVENDICATIONS 1 - Four électrique de fusion et de maintien en température de métaux, caractérisé en ce qu'll comporte un élément chauffant constitué par une dalle réalisée en un matériau de conductibilité thermique élevée et dans laquelle sont pratiqués des trous dans l'axe desquels sont placées des résis- tances alimentées en électricité un certain i Intervalle étant ménagé entre chaque résistance et la surface intérieure du trou correspondant. 2 - Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dalle chauffante comporte des résistances logées dans des tubes en quartz qui sont placés dans l'axe ba trous méragés dans la dalle 3 - Four électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le volume ménagé entre la surface intérieure des trous de la dalle -t les ré- sistances contient un gaz neutre 4 - Four électrique selon lune des revendications 1 a 3, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe métallique contenant un bassin dont le fond propre est constitué par la dalle chauffante 5 - Four électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe métallique contenant un bassin dont l'un des côte@ au moins est constit par la dalle chauffante 6 - Four électrique selon l'une es revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la dalle chauffante est portée par un support en matière réfractafre disposé à l'intérieur de l'enveloppe dont le volume excédentaire est rempli d'un gaz neutre.