Brevet FR2559886A1 — publié le 19850823

Dispositif de chauffage électrique comportant un élément chauffant résistif L'invention concerne les dispositifs de chauffage électrique par résistance du type comprenant un élément chauffant résistif entouré par une gaine tubulaire en matériau céramique réfractaire résistant a la corrosion en atmosphère oxydante réductrice ou toute autre habituellement rencontrée dans l'industrie et délimitant. autour de l'élément chauffant, une chambre étanche occupée par un gaz de protection de l'élément. On a déjà proposé un dispositif de chauffage électrique du type ci-dessus défini (DE-A-673 958) afin d'atteindre, dans des fours où règne une atmosphère oxydante. des temp6- ratures aussi élevées que celles que permet d'atteindre l'emploi de combustible fossile. Ce résultat implique une température d1élément chauffant dépassant 1300 C. supérieure a la limite d'emploi des résistances classiques métalliques et que seuls autorisent des éléments chauffants réfractaires. Dans la pratique, des que l'on veut atteindre une température dépassant 17QOOC, on ne peut envisager que-des éléments chauffants en tungstène, molybdène ou graphite. Mais tous ces matériaux subissent une usure très rapide en service lorsqu'ils sont en atmosphère oxydante. Le document DE-A-673 958 tente de lever cette difficulté en plaçant un élément chauffant en molybdène ou en tungstène a l'intérieur d'une gaine réfractaire en alumine ou en zircone délimitant une enceinte occupée par un gaz inerte (azote ou hélium). Un soufflet métallique relie la gaine et l'élément chauffant à l'une de leurs extrémités de façon à absorber les dilatations. Cette solution s'est révélée peu satisfaisante notamment du fait qu'aux températures de fonctionnement envi sagées, la moindre fuite se traduisant par une entrée d'air détruit rapidement l'élément chauffant. Or, la liaison soudée entre soufflet et céramique présente un risque de fissuration important, probablement attribuable à la différence impor tante entre les coefficients de dilatation du métal et de la céramique. De plus, l'élément chauffant en tungstène ou molybdène est difficile à réaliser et très coOteux. Du fait de la faible résistivité du tungstène et du molybdène, l'élément doit être parcouru par un courant très important, qui rend extrêmement difficile la réalisation d-'une liaison entre l'élément chauffant en tungstène et les amenées de courant froides.Enfin, la nécessité d'un circuit de maintien d'une atmosphère de gaz neutre complique notablement l'installation. L'invention vise à fournir un dispositif de chauffage électrique du type ci-dessus défini répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il présente une structure simple, un prix acceptable et une tenue à long terme satisfaisante. Dans ce but, un dispositif de chauffage électrique suivant un premier aspect de l'invention comporte un élément chauffant en graphite protégé contre l'oxydation par une atmosphère contenant du monoxyde de carbone formé à partir de l'élément chauffant lors de la première mise en oeuvre du dispositif. Suivant un autre aspect de l'invention, le dispositif comporte des moyens d'amenée de courant par une extrémité au moins de la gaine qui comporte, entre l'élément chauffant et un élément de traversée d'un joint d'obturation, un élément conducteur présentant une résistance par unité de longueur inférieure à celle de l'élément chauffant de façon à être porté a une température inférieure ; l'étanchéité de la liaison entre la plaque d'une part, l'élément conducteur et la gaine d'autre part, étant assurée par le joint annulaire, la longueur de l'élément conducteur de raccordement étant telle que la température à laquelle est porté le joint annulaire est compatible avec la tenue du matériau qui le constitue, généralement du polytétrafluoroéthylène carboné ou un caoutchouc fluoré type "VITON". L'invention est susceptible d'être mise en oeuvre sous des formes très diverses. En particulier, elle permet de constituer des dispositifs de chauffage électrique dont les connexions d'alimentation sont placées soit du même côté, soit aux deux extrémités. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers d'exécution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est une vue, en élévation et en demicoupe suivant un plan passant par l'axe, d'un dispositif dont les connexions d'alimentation sont placées du même côté, - la Figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la Figure 1, - la Figure 3 est une vue,en élévation et en demi-coupe suivant un plan passant par l'axe, d'une fraction d'un dispositif de chauffage dont les connexions d'alimentation sont placées chacune à une extrémité. Le dispositif de chauffage montré en Figure 1 comporte une gaine 10 en matériau céramique fritté, choisi pour conserver des qualités mécaniques satisfaisantes au-del3 de 14000C. On utilisera généralement l'alumine ou la zircone. La gaine comporte un. renflement terminal 11 dans lequel est ménagée une chambre de diamètre plus important que le passage cylindrique dans la partie courante de la gaine 10. La gaine 10 contient un élément chauffant 12 en graphite. Cet élément se présente sous forme d'un barreau dont la partie chauffante, engagée dans la partie courante de la gaine 10, est tubulaire. Dans cet élément est découpée une fente 13 délimitant une branche aller et une branche retour de courant. La partie terminale 14 de l'élément chauffant 12 qui se trouve placée dans la chambre du renflement 11 présente un diamètre supérieur a celui de la partie chauffante. Dans la pratique, on peut sans difficulté usiner un élément chauffant pour lui donner une forme de ce genre jusqu'à une longueur de 1 m environ. Dans chacune des moitiés de la partie 14 de l'élément chauffant est taraudé un trou de réception d'une tige filetée 15 de connexion électrique, en acier inoxydable ou en cuivre. L'étanchéité est assurée par un système qui comporte un joint d'étanchéité annulaire 16, de forme plate, généralement en polytétrafluoroéthylène carboné, prenant appui sur la tranche terminale du renflement 11. Ce joint est maintenu en compression par une platine 17 reliée par des vis de traction 18 à une plaque de retenue 19 en appui contre l'épaulement de jonction de la partie courante et du renflement 11 de la gaine 10. Les tiges filetées 15 d'amenée de courant appartiennent également au système de fixation de ltélément chauffant 12 sur la platine 17 et d'étanchéité. Ce système comporte de plus, sur chaque tige 15, un écrou de serrage 20 qui prend eDoui sur la platine par l'intermédiaire de rondelles 21 en acier inoxydable et 22 en un matériau isolant résistant à la température gén6- ralement à base d'amiante comprimée. Un tube isolant 23 est de plus interposé entre la tige 15 et le joint 16 et la platine 17. Le joint d'étanchéité 16 et la platine 17 sont protégés de tout contact avec la tige 15 d'amenée de courant par le tube 23. La platine 17 porte un, clapet anti-retour 25 (Figure 2) n'autorisant que la sortie de gaz. L'admission de ce clapet communique avec l'intérieur de la gaine par un trou percé dans la partie de grand diamètre 14 de l'élément chauffant 12. Dans le mode de réalisation montré en Figure 3, où les éléments correspondant à ceux de la Figure 1 portent le même numéro de référence, la gaine 10 se présente sous forme d'un tube en céramique- frittée de diamètre constant. Elle présente une longueur supérieure à celle de l'élément chauffant 12 qu'elle contient, constitué par un barreau cylindrique de graphite dont les deux parties terminales sont filetées. Sur ces extrémités filetées sont vissées deux bagues taraudées 26, en graphite ou en molybdène, présentant une section de passage du courant supérieure à celle offerte par l'élément de chauffage 12 et de longueur telle que la température de cette bague du côté opposé à l'élément chauffant soit inférieure à 8500C lorsque l'élément chauffant est à sa température nominale de fonctionnement.Sur chaque bague est également vissé, à l'opposé de l'élément 12, un élément "froid", en acier inoxydable, constitué en une ou plusieurs pièces assemblées. L'élément 27 constitue un frein thermique supplémentaire. Dans l'extrémité de l'élément 27 élo-ignée de la résistance est ménagé un trou taraudé de réception d'une tige filetée 15 de connexion électrique, munie d'un écrou de serrage 20. La tige filetée 15 porte également un clapet anti-retour 25, relié à l'intérieur de la gaine par un canal 28 perce dans l'élément "froid" 27. Le système d'étanchéité est placé entre la partie terminale de la gaine 10 et un renflement 29 de l'élément 27. Ce système comporte un joint annulaire 16, généralement en polytétrafluoroéthylène carboné ou en caoutchouc fluoré type "VITON", placé en appui contre une colerette 30 délimitant le renflement 29. Il comporte également des moyens de pression formant presse-étoupe, constitués par une bague taraudée 31 vissée sur une portion filetée de l'élément "froid" 27 et un tube 32. Le serrage de la bague 31 provoque le gonflement du joint 16 et son application étanche contre les parois en regard du renflement 29 et de la gaine 10. La longueur de la portion de 1 'élément 27 comprise entre la bague 26 et le renflement 29 est telle qu'elle pro- voque une chute de température d'environ 6000C, de sorte que la température au niveau du joint en polytétrafluoroéthy- lene 16 ne dépasse pas 250"C environ, c'est-à-dire une température supportable par le joint sans destruction et sans fiuage dans les conditions de travail qui sont les siennes. Les deux dispositifs qui viennent d'être décrits peu- vent être montés sans précaution particulière, de sorte que la chambre de la gaine 10 contient de l'air a l'issue du montage. Lors de la première opération de chauffe à l'aide du dispositif, il y a d'abord dilatation de l'air contenu dans la gaine. Une fraction de cet air s'échappe par la soupape 25. Lorsque la température de la résistance dépasse 500"C environ, l'oxygène contenu dans l'air qui reste brûle une très petite fraction du graphite (quelques dixièmes de grammes) et produit du monoxyde l'oxyde de carbone, qui est un gaz réducteur. La réaction s'arrête dès que tout l'oxygène est consommé et que l'atmosphère de la chambre est constituée par un mélange de monoxyde de carbone et d'azote.Si la température continue à s'élever, une partie du monoxyde de carbone et de l'azote s'échappe par la soupape, de sorte que la pression reste voisine de la pression atmosphérique. Lors du fonctionnement, le joint d'étanchéité 16 en PT-FE ou en "VITON" reste soumis à une température acceptable. Dans le cas du mode de réalisation de la Figure 3, on a vu que la longueur de l'élément 27 était choisie pour que cette température reste de I'ordre de 250"C. Le même résultat est atteint dans le mode de réalisation de la Figure 1 en donnant une section et une longueur suffisantes au renflement 14. Lors du refroidissement, le gaz contenu dans la chambre de la gaine 10 se contracte. Mais l'air ne peut pas pénétrer dans la gaine. Celle-ci se retrouve en dépression, mais sa résistance mécanique à froid est toujours largement suffisante pour supporter l'effort d'écrasement da à la pression atmos sphérique. A titre d'exemple, on peut donner quelques indications numériques concernant un dispositif qui a été essayé pendant plusieurs centaines d'heures à 1400"C de température de gaine. La gaine 10 est constituée en alumine pure a 99,7% et contient un élément chauffant en graphite. Cette gaine n'a posé aucun problème de tenue au gradient thermique, de l'ordre de 45000C/m. Le dispositif, du type montré en Figure 1, comporte une platine 17 en acier séparée des tiges filetées par des tubes isolants 23 en céramique. Le joint 16 est constitué par une rondelle élastomère fluoré, du type désigné par la marque "VITON". On a également utilisé d'autres joints, notamment en fibres d'alumine compressée, en mica-amiante, et surtout en PTFE graphité qui a donné les résultats les plus favorables. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage électrique comprenant un élément chauffant résistif (12) entouré par une gaine tubulaire (10) en matériau céramique réfractaire ré-sistant a la corrosion en atmosphère oxydante ou autre ot déJimitant, autour de l'élément chauffant, une chambre étanche occupée par un gaz de protection de l'élément, caractérisé en ce que l'élément chauffant (12) est en graphite protégé contre l'oxydation par une atmosphère contenant du monoxyde do carbone formé à partir de l'élément chauffant lors de la pre mièvre mise en oeuvre du dispositif. 2. Dispositif de chauffage électrique comprenant un élément chauffant résistif (12) entouré par une gaine tubulaire (10) en matériau céramique réfractaire résistant à la carrosionen atmosphère oxydante ou autre et délimitant, autour de l'élément chauffant, une chambre étanche occupée par un gaz de protection de l'élément, caractérisé en ce que le dispositif comporte des moyens d'amenée de courant par une extrémité au moins de la gaine qui comporte, entre l'élément chauffant, avantageusement en graphite, et un élément de traversée d'un joint d'obturation (16), un 6 ment conducteur (26,27) présentant une résistance par unité de longueur inférieure a celle de l'élément chauffant de façon a être porté a une température inférieure, la longueur de l'élément conducteur de raccordement étant telle que la température a laquelle est porté le joint annulaire est compatible avec la tenue du matériau qui le constitue. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caracterisé en ce que le joint st en PUT14 carboné ou en "UlTON" et en ce que l'éliment conducteur est te? que la température du joint ne dépasse pas 25O0C en fonctionnement. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un clapet anti-retour d'évacuation des gaz à partir de la chambre en cas de surpression dans celle-ci. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que l'élément chauffant (12) est en forme de barreau ayant une partie chauffante fendue et une partie terminale (14) renflée pour être portée à une température inférieure a celle de la partie chauffante constituant élément -conducteur, chaque moitié de la partie terminale étant munie d'une tige filetée d'amenée de courant, et en ce que la chambre est rendue étanche par un joint annulaire (16) serré entre la gaine (10) et la partie terminale (14) d'une part, une platine de pression (17) traversée par les tiges d'autre part. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tige porte un écrou de serrage (20) destiné à appliquer la partie terminale (14) contre la platine par l'intermédiaire du joint. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé par des éléments de traction (18) destinés à appliquer la platine (17) contre la gaine par l'intermédiaire du joint. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément chauffant (2) est en forme de barreau dont les extrémités opposées sont reliées chacune par un élément conducteur respectif (26,27) qui sort de la chambre à travers un joint annulaire qui est disposé entre une surface cylindrique dudit élément, éloignée de l'élément chauffant, et la surface cylindrique en regard de la gaine (10) et qui est mis en compression par des moyens de pression (31,32). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit élément conducteur comporte un élément métallique (27) qui fait saillie hors de la gaine et une bague (26) en graphite ou en molybdène, de section supérieure à celle de l'élément chauffant, présentant une liaison filetée avec l'élément chauffant et l'élément métallique.