Brevet FR2461912A1 — publié le 19810206

L'invention concerne, d'une manière générale, des disposi- tifs de chauffage de type industriel tels que les fours de trai- tement thermique ou de frittage fonctionnant avec, à l'inté- rieur, une atmosphère gazeuse contrôlée; cette invention con- siste en une nouvelle construction d'un dispositif de chauffage et en un nouveau procédé de fonctionnement de celui-ci. La construction du four et le procédé de fonctionnement suivant l'invention procurent des économies substantielles d'énergie dans le chauffage et la marche des dispositifs de chauffage à atmosphère contrôlée. La conception et la construction des fours de traite- ment thermique, de frittage, etc... sont traditionnellement conformes à deux systèmes éprouvés. Dans un type de four, le gaz particulier de l'atmosphère contrôlée de la chambre de chauffe occupe la totalité de l'appareil, y compris des zones situées au-delà des parois réfractaires constituant la surface chaude du four et délimitant la chambre de chauffe ou de frit- tage, et va jusqu'à l'enveloppe extérieure du four, dont la construction est généralement étanche aux gaz. L'autre type de four à atmosphère contrôlée comprend un moufle étanche aux gaz qui contient et isole entre ses parois le gaz particulier, délimitant ainsi la chambre de chauffe ou de frittage. Dans l'espace extérieur au moufle, espace com- prenant habituellement les dispositifs ou les éléments d'iso- lation thermique et de chauffage, il y a de façon appropriée, une atmosphère d'un gaz compatible avec les composants tels que les dispositifs d'isolation et de chauffage situés dans les parties extérieures du four à moufle, et cette atmosphère peut donc être différente de celle qu'on trouve à l'intérieur du moufle. On trouvera des fours de ce dernier type, c'est-à- dire des fours à moufle ou à enceintes étanches aux gaz, dans les brevets des Etats Unis d'Amérique no 1 472 401 et 2 064 532. Mais les fours à moufle sont relativement chers à cons- truire et présentent souvent un défaut de fiabilité dans cer- tains régimes de marche, tels que l'obtention et le maintien des températures très élevées qui sont souvent nécessaires actuellement dans de nombreuses opérations de fabrication. L'invention concerne des fours du type ordinaire, c'est- à-dire sans moufle, fonctionnant en atmosphère contrôlée et utilisant pour cela un gaz ou plusieurs gaz relativement légers, par exemple l'hydrogène, l'hélium ou l'ammoniac; elle comprend un dispositif pour réduire notablement les pertes de chaleur imputables à la marche de ce type de four avec ces gaz légers. Les fours de l'invention contiennent un composite de composants ou matériaux réfractaires et isolants que l'on dispose de façon à délimiter et à gainer la chambre de chauffe, chacun de ces composants ou matériaux étant placé par rapport aux autres pour obtenir une succession de couches déterminée par leur permé- abilité relative aux gaz, de façon à opposer au flux de gaz et au transfert de chaleur dont il est la cause, une barrière efficace à faible perméabilité. Par ailleurs, en dehors du gaz alimentant normalement la chambre de chauffe de ces fours à at- mosphère contrôlée, on utilise un second gaz, relativement plus lourd que le gaz primaire constituant l'atmosphère de la chambre de chauffe, que l'on envoie soit du côté froid, c'est- à-dire extérieur, du composite de composants ou de matériaux réfractaires et isolants qui constitue la gaine recouvrant la chambre de chauffe, soit dans la zone voisine de celui-ci, et ceci sous une pression supérieure à celle du gaz prévu pour l'atmosphère de la chambre de chauffe. La description qui va suivre se réfère aux figures an- nexées, qui représentent, respectivement: Figure 1, une coupe schématique d'une construction de four de l'invention; et Figure 2, une vue en coupe d'une réalisation d'une cons- truction de four conforme à l'invention. En se reportant aux dessins, et plus particulièrement à la figure 1, on voit que le four 10 comporte:.une enveloppe 12 qui l'entoure complètement; une base ou fondation 14, faite d'une ou de plusieurs pièces de réfractaire du type céramique résistant aux températures élevées; et des parois telles que les parois latérales 18, 18' et la paroi de couverture 18", qui délimitent la chambre de chauffe et constituent sa surface chaude. L'enveloppe 12 est typiquement en acier ou en un autre métal approprié résistant à la chaleur, et sa construction est nor- malement très étanche aux gaz. Les marois 18, 18' et 18" qui délimitent la chambre de chauffe 16 et constituent la surface chaude de celle-ci sont en un réfractaire de céramique appro- prié ayant la résistance voulue à la température pour l'usage prévu, tel que les briques ou les blocs réfractaires du com- merce. Les réfractaires de céramique typiques résistant aux températures élevées présentent une certaine perméabilité aux gaz. Une gaine 20, consistant en au moins une couche de maté- riau réfractaire ou isolant haute température, et qui est de préférence un composite de ces matériaux, entoure et recouvre au moins une partie importante de la surface extérieure ou froide des parois 18, 18' et 18" délimitant la chambre de chauffe 16 du four. La gaine 20, ou ses composants, doivent posséder au moins une certaine perméabilité aux gaz pour per- mettre un passage limité de ceux-ci à travers elle. Toutefois, on peut utiliser ou inclure des métaux imperméables aux gaz dans la gaine 20, à condition que les raccordements, joints ou autres ouvertures qui s'y trouvent soient réalisés dans le composant métallique de façon à permettre aux gaz de passer a travers. Néanmoins, la gaine 20, ou au moins un composant de celle- ci, doit présenter une perméabilité aux gaz relativement faible pour être une barrière efficace s'opposant à tout flux ou mi- gration important ou rapide des gaz à travers elle et par con- séquent, au transfert de chaleur par leur intermédiaire. Les matériaux réfractaires ou isolants résistant aux températures élevées et convenant pour la gaine 20, soit seuls soit combinés à d'autres composants ou matériaux, comprennent les briques ou dalles réfractaires de céramique classiques du commerce, les briques ou dalles réfractaires isolantes, des oxydes métalliques tels que la zircone ou l'alu- mine sous diverses formes physiques telles que planches ou blocs de diverses porosités, et même des métaux résistant aux tempé- ratures élevées, tels que le molybdène et les alliages chrome- nickel. Les matériaux réfractaires ou isolants utilisés, leurs dimensions, leur nombre et leurs combinaisons ou dispositions sont déterminés par les températures de fonctionnement corres- pondant à un four ou à un service donné, ainsi que par les limitations de place et autres considérations pratiques, par- ticulières à chaque situation ou installation. La chambre de chauffe 16 du four, délimitée par les parois 18, 18', 18" et la gaine 20 recouvrant les parois 18 sont toutes deux à l'intérieur de l'enveloppe 12 du four et à une certaine distance de celle-ci, pour ménager ainsi un espace in- termédiaire 22 entre l'enveloppe 12 et la gaine 20 recouvrant les parois 18 de la chambre de chauffe. Le ou les espaces intermédiaires 22 reçoivent un isolant 24 haute température, de très faible densité ou très poreux, tel que les fibres ou les particules d'alumine ou d'alumine- silice. Ce matériau fait de particules et très poreux que sont les fibres ou les granules isolantes possède une perméabilité aux gaz très élevée et une faible résistance au déplacement et au flux du gaz à travers lui. Les dispositifs de chauffage de la chambre de chauffe 16 peuvent être n'importe quel système classique et ne sont donc pas représentés sur les dessins. Par exemple, la source de cha- leur peut être des radiateurs à résistances électriques tels que les appareils Calrod du commerce, ou bien, quand on veut des températures plus-élevées, des radiateurs à résistances en molybdène. Les appareils ou les éléments de chauffage peuvent être fixés ou montés sur les parois latérales ou de couverture, à l'intérieur de la chambre de chauffe 16, ou en tous autres endroits appropriés dans celle-ci. La chambre de chauffe 16 comporte un dispositif permet- tant d'obtenir et de maintenir une atmosphère contrôlée d'un gaz particulier dans la chambre de chauffe 16, tel qu'un conduit 26 reliant la chambre de chauffe 16 à une source d'un gaz approprié tel que l'hydrogène ou l'hélium. On peut aussi prévoir des dis- positifs (non représentés) permettant d'éjecter le ou les gaz et soit de les capter pour les réutiliser soit de les brûler si l'on emploie des gaz combustibles. Suivant l'invention, le ou les espaces intermédiaires 22 contenant un isolant 24 très poreux communiquent, par exemple par des tubes 28, avec une source d'un gaz relativement plus lourd que celui, amené par le conduit 26, qui constitue l'at- mosphère dans la chambre de chauffe 16. De plus, on place dans ces tubes des dispositifs tels que manomètres et clapets qui servent à faire pénétrer le gaz relativement plus lourd dans le ou les espaces intermédiaires 22, ceci sous une pres- sion supérieure à celle du gaz relativement plus léger qui remplit la chambre de chauffe 160 Conformément au procédé de l'invention relatif au fonc- tionnement d'un four ou d'un dispositif de chauffage à atmos- phère contrôlée avec amélioration de son rendement énergétique, outre la création et le maintien de l'atmosphère contrôlée dans la chambre de chauffe par l'introduction continuelle dans cette chambre d'un gaz approprié que le conduit 26 amène d'une source, on envoie aussi un second gaz dans le four 10. On alimente le four 10 a ec le second gaz en l'introduisant par les tubes 28 dans le ou les espaces intermédiaires 22 qui se trouvent entre l'enveloppe 12 du four et la gaine 20 recouvrant les parois 18 et qui contiennent le matériau isolant 24 très poreux. Le second gaz doit être relativement plus lourd que le gaz primaire qui fournit l'atmosphère contrôlée dans la chambre de chauffe 16, ceci grâce au conduit 26. De plus, ce second gaz plus lourd doit être introduit dans le four 10 sous une pres- sion supérieure à celle d'introduction du gaz primaire dans la chambre de chauffe. La figure 2 représente en détail une réalisation parti- culière de l'invention comprenant un four 10 de frittage à atmosphère contrôlée ayant une enveloppe 12 en acier, une base 14 en blocs réfractaires, ainsi que des parois latérales 18, 18' et une paroi de couverture 18", en briques réfractaires délimitant la chambre de chauffe 16 et constituant la surface chaude de celle-ci. Les briques réfractaires des parois de la chambre de chauffe sont des briques d'alumine,alvéolaires,épais- ses de 11,43 cm (NORTON AN599). Dans la présente réalisation, la gaine 20 entourant et recouvrant la surface extérieure ou froide des parois 18, 18' et 18" délimitant la chambre de chauffe 16 du four est un composite de plusieurs matériaux réfractaires et isolants ré- sistant aux températures élevées, certains d'entre eux ayant une perméabilité aux gaz relativement faible. La gaine 20 de cette réalisation de l'invention comporte une couche 30, 30' 30" consistant en"tôles demolybdène, épaisses de 0,25 mm, contigues à la surface extérieure froide des parois 18-de la chambre de chauffe 16, puis une couche 32, 32' 32" consistant en une plaque isolante épaisse de 25,4 mm, en fibre de zircone (ZIRCAR Products 2YF B3), et enfin une couche 34, 34', 34" d'une plaque isolante en alumine épaisse de 25,4 mm (RIM Products A A20). Les espaces intermédiaires 20, 20', 20" entre l'enveloppe 12 du four et la gaine 20 sont remplis d'un matériau isolant, qui est de la fibre ou "laine" réfractaire d'alumine (SAFFIL Alumina HT Fiber) tassée à la densité de 112 kg/m3 environ. Le four comportait des éléments chauffants à résistances électriques en molybdène suspendus à la paroi de couverture 18" délimitant la chambre de chauffe 16. Le four de frittage à atmosphère contrôlée décrit ci- dessus était une réalisation particulière qui a fonctionné. On l'a utilisé pour évaluer les effets de l'invention en prenant comme éprouvettes de frittage des briques d'alumine et comme atmosphère contrôlée dans la chambre de chauffe 16 de l'ammo- niac dissociée arrivant par le conduit 26. L'addition d'un second gaz plus lourd (dans le cas présent l'azote), sous une pression légèrement supérieure à celle de l'ammoniac d'ali- mentation, dans les espaces intermédiaires 22 situés entre l'enveloppe et la gaine s'est traduite par une réduction de 18% de la consommation d'énergie électrique- par le four par rapport à celle qu'avait le four quand il marchait dans les mêmes conditions, la seule différence étant ici l'emploi du second gaz, l'azote. Les gaz légers pouvant convenir au service en atmosphère contrôlée comprennent l'hydrogène, l'hélium, le méthane et l'ammoniac, tandis que les gaz plus lourds pouvant convenir à la mise en oeuvre de l'invention comprennent l'azote, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, le néon, l'argon, le krypton le xénon et le radon, ou des mélanges de ces gaz. 246 1912 R E v E N D I C A T I O N S 1. Four à fonctionnement plus économique pour service en atmosphère contrôlée, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une chambre de chauffe (16) ayant des parois 18, 18' 18" en un matériau perméable aux gaz constituant au moins une partie de la surface chaude de la chambre; (b) une enveloppe (12) de four, sensiblement imperméable aux gaz, enfermant au moins une partie de la chambre de chauf- fe à une certaine distance des parois perméables aux gaz de celle-ci, de façon à constituer entre les deux un espace in- termédiaire (22); (c) un matériau d'isolation thermique très poreux (24) placé dans l'espace intermédiaire entre l'enveloppe du four et les parois perméables aux gaz de la chambre de chauffe; (d) un dispositif (26) qui envoie dans la chambre de chauffe un gaz relativement léger; et (e) un dispositif (28, 28') qui envoie dans l'espace intermédiaire entre l'enveloppe du four et les parois permé- ables aux gaz de la chambre de chauffe un gaz relativement lourd, et ceci à une pression supérieure à celle du gaz rela- tivement plus léger emplissant la chambre de chauffe. 2. Four suivant la revendication 1, ayant en outre une gaine (20) comprenant un matériau relativement peu perméable aux gaz, cette gaine recouvrant au moins une partie de la surface extérieure froide des parois en matériau réfractaire aux gaz qui délimitent la chambre de chauffe. 3. Four suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau réfractaire perméable aux gaz est une céramique et en ce que la gaine résiste à la chaleur. 4. Four suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la gaine comprenant un matériau relativement peu perméable aux gaz inclut plusieurs couches de matériaux réfractaires. 5. Four suivant les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la gaine comprenant un matériau relativement peu per- méable aux gaz inclus une tôle métallique mince. 6. Four suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la tôle métallique mince incluse dans la gaine comprend du molybdène. 7. Four suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la gaine comprenant un matériau relativement peu perméable aux gaz inclut une couche de zircone. 8. Four suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la gaine comprenant un matériau relativement peu perméable aux gaz inclut une couche d'alumine. 9. Four suivant les revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la céramique réfractaire perméable aux gaz des parois de la chambre de chauffe comprend de la brique réfractaire. 10. Four à fonctionnement plus économique pour service en atmosphère contrôlée, caractérisé en ce qu'il comprend a)une chambre de chauffe (16) ayant des parois (18, 18', 18") en une céramique réfractaire perméable aux gaz qui constituent au moins une partie importante de la surface chaude de la chambre et qui délimitent une zone de chauffe du four; b) une gaine (20) en un matériau relativement peu perâêebfe aux gaz, qui recouvre au moins une partie de la surface exté- rieure froide des parois en céramique réfractaire perméable aux gaz délimitant la zone de chauffe, cette gaine incluant une fine tôle mince de molybdène (30, 30', 30") contiguë à la sur- face extérieure froide des parois de la zone de chauffe, une couche de zircone (32, 32',32") contiguë à la tôle de molybdène et une couche d'alumine (34,34', 34") contiguë à la couche de zircone; c) une enveloppe (12) de four, sensiblement imperméable aux gaz, enfermant, au moins une partie de la chambre de chauffe à une certaine distance des parois gainées perméables aux gaz de celle-ci, de façon à constituer entre les deux un espace inter- médiaire (22, 22', 22"); - d) un matériau d'isolation thermique (24, 24', 24") très poreux ayant la forme de particules, placé dans l'espace inter- médiaire entre l'enveloppe du four et les parois gainées per- méables aux gaz de la chambre de chauffe; e) un dispositif (26) qui envoie dans la zone de chauffe de la chambre de chauffe un gaz relativement léger pour y constituer une atmosphère de ce gaz; et f) un dispositif (28, 28') qui envoie dans l'espace inter- médiaire entre l'enveloppe du four et les parois gainées per- méables aux gaz de la zone de chauffe de la chambre de chauffe un gaz relativement lourd, et ceci à une pression supérieure à celle du gaz relativement plus léger constituant une atmos- phère dans la zone de chauffe de la chambre de chauffe. il. Procédé pour rendre plus économique le fonctionne- ment d'un four pour service en atmosphère contrôlée, caractérisé en ce qu'il comprend: a) la réalisation d'une chambre de chauffe pour un four, des parois en un matériau réfractaire perméable aux gaz for- mant au moins une partie de la surface chaude de la chambre de chauffe; b) la réalisation d'un dispositif fournissant de la chaleur à la chambre de chauffe du four; c) la réalisation d'une enveloppe de four, sensiblement imperméable aux gaz, enfermant au moins une partie de la chambre de chauffe à une certaine distance des parois perméables aux gaz de celle-ci, de façon à constituer entre les deux un espace intermédiaire; d) la réalisation d'un matériau d'isolation thermique très poreux que l'on place dans l'espace intermédiaire entre l'enveloppe du four et les parois perméables aux gaz de la chambre de chauffe; e) l'envoi d'un gaz relativement léger dans la chambre de chauffe; et f) l'envoi d'un gaz relativement lourd dans l'espace intermédiaire entre l'enveloppe du four et les parois perméables aux gaz de la chambre de chauffe, et ceci à une pression supé- rieure à celle du gaz relativement plus léger emplissant la chambre de chauffe. 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le gaz relativement léger envoyé dans la chambre de chauffe est de l'hydrogène, de l'hélium, de l'ammoniac, le mé- thane ou un mélange de ces gaz, et en ce que le gaz relative- ment lourd envoyé dans l'espace intermédiaire entre l'enveloppe du four et les parois perméables aux gaz de la chambre de chauffe est de l'azote, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du néon, de l'argon, du krypton, du xénon, du radon, ou un mélange de ces gaz.