Brevet FR2568362A1 — publié le 19860131

1. " Tête de four refroidie pour four à résistances et à courant fort". L'invention concerne une tète de four pour des fours à résistances et à courant fort, tête de four comportant une maçonnerie résistant au feu et au moins une électrode refroidie insérée dans cette maçonnerie. Les fours à résistances et à courant fort sont des fours dans lesquels le produit mis en oeuvre, empilé entre les électrodes, est chauffé à des températu- res de 2000 C et plus en étant traversé directement par le courant à des intensités de courant élevées. Des re- présentants typiques de ce type sont des fours pour la graphitisation de produits carbonés, et qui, en général, sont constitués d'une sole de four garnie de substances granulées résistant au feu, de têtes de four c8té frontal, et de parois latérales mobiles. Dans le four de graphitisa- tion Acheson le produit à graphiter est empilé entre les têtes de four alternativement avec des couches d'une masse résistante granuleuse, et l'enpilage est entouré d'une masse isolante granuleuse. L'échauffement à _a tempErature de graphitisation d'environ 3000 K s'effectue par chauffa- ge par résistanrces, le courant électrique étant a-ené à l' empilage par l'intermédiaire d'électrodes en graphite insérées dans les têtes de four. Lorsque la température croit, le produit mis en oeuvre se dilate tout d'abord ré- gulièrement, puis brusquement, lorsqu'à lieu la libération 2.- du soufre contenu dans la substance carbonée, puis, avec l'augmentation de l'ordonnance cristalline ou du degré de graphitisation, le volute du produit mis en oeuvre diminue. Toutes ces modifications de volume sont alors prises es- sentiellement en charge par le matériau résistant granu- leux, dont la densité de conditionnement se modifie de façon appropriée, de sorte qu'il ne s'exerce pas sur les électrodes d'efforts trop importants libérés par les modifications de volume du produit mis en oeuvre. Il se forme cependant des intervalles entre la maçonnerie et l'électrode, intervalles provoqués surtout par les coeffi- cients de dilatation thermique différents et la différence de température entre la maçonnerie et l'électrode. Dans le four de graphitisation tout d'abord proposé par Castner, et qui est scuvent désigné sous le terme de four de graphitisation longitudinale, le produit à graphiter, par exemple sous la forme de structures car- bonées cylindriques, est serré entre les électrodes de graphite des têtes de four, sans couche intermédiaire d'un matériau granuleux résistant. Une électrode au moins est mobile en direction de l'axe longitudinal du four et est pressée, pour établir une basse résistance de contact, contre le cordon s'appliquant sur l'électrode antagoniste et constitué en règle générale,de plusieurs structures de substances carbonées. La modification de longueur de ce cordonlors du processus de graphitisation, et qui est dans la phase de chauffage de l'ordre + 0,5 à 1 % et dans la phase de refroidissement du four de l'ordre de -1 à 1,5 %, est absorbée par un déplacement en sens con- traire des électrodes en direction de l'axe longitudinal du four. La condition préalable pour permettre un aéplace- ment de l'électrode par rapport à la maçonnerie de la tète du four est un jeu entre cette électrode et la maçon- nerie. Les parties des électrodes faisant saillie 3.- hors de la maçonnerie,sur le côté opposé au four de la tête de four, sont en règle générale refroidies. Dans le cas de très petits fours, le fluide de refroidissement est directement pulvérisé sur la surface des électrodes, mais en règle générale, on utilise des plaques de refroi- dissement ou des mâchoires de refroidissement parcourues par les fluides de refroidissement. Cette solution permet, dans la phase de refroidissement du four, de récupérer-une partie de l'énergie stockée sous forme de chaleur. Mais, la température de l'électrode n'est abaissée au-dessous de la température de réaction critique que dans une zone rédui- te, de sorte que la plus grande partie de l'électrode réagit avec l'oxygène de l'air pénétrant dans le four à travers des intervalles entre la maçonnerie et l'électro- de. Par suite de la réaction, la largeur de l'intervalle s'accroit, le taux d'usure croit et,finalement, l'électro- de doit 4tre remplacée. La formation nuisible d'un inter- valle est encore provoquée par les différences de tempéra- tures entre la maçonnerie et l'électrode résultant de la résistance thermique plus réduite de l'électrode et la production de chaleur par effet Joule. L'invention a pour but d'empêcher la des- truction des électrodes par des réactions chimiques dans les têtes de four à résistances et à courant fort ou/ tout au moinsde prolonger notablement la durée des élec- trodes. Selon un autre but de l'invention, la récupéra- tion de chaleur à partir des foyers à résistances et à courant fort doit être anmliorée et davantage d'énergie doit être obtenue pour une tepm:rature très élevée. Ce but est atteint grâce à une tête de four du type initialement menticrâné, en ce que des dis- positifs de refroidissement s'étendant sur la totalité de la longueur de l'électrode s;nt inclus dans celle-ci, la température de l'électrode étant susceptible d'Utre réglée à la température de la maçonnerie par régulation 4.- du refroidissement. L'invention est basée sur la notion que la durée de l'électrode est notablement prolongée lorsque-le refroidissement effectif de l'électrode s'étend à la tota- lité du volume eten conséquence, à la totalité de la sur- face. Pour supprimer la formation d'un intervalle entre la maçonnerie et l'électrode> il est alors essentiel de régler le débit du fluide de refroidissement de façon que les températures de l'électrode et de la maçonnerie soient identiques. A cet effet, des sondes de température sont disposées dans l'électrode et la maçonnerie et au moins une soupape de réglage est disposée sur l'arrivée du flui- de de refroidissement, soupape sur laquelle la différence de température agit comme grandeur de réglage. Les élec- trodes de forme cylindrique ou parallèlèpipèdique sont constituées de graphite, d'un matériau métallique résis- tant à la température, par exemple du molybdène ou du tungstène, ou bien d'un noyau en un métal présentant une conductibilité électrique et thermique importante et de plaques de recouvrement protégeant le noyau au moins con- tre le contenu du four et constituées d'un matériau ré- sistant à la température, tel que du graphite. Les dis- positifs de refroidissement ne s'étendent pas jusqu'aux plaques de recouvrement. Dans le cas d'électrodes sans pla- ques de recouvrement, les éléments de refroidissement ne se prolongent pas jusqu'aux surfaces de la tête, c8té four, de l'électrode, et pour la protection mécanique et thermique des éléments de refroidissement, il y a lieu de prévoir une zone d'une épaisseur de quelques centimètres ne comportant pas d'éléments de refroidissement. Les dispositifs de refroidissement sont cons- titués de simples tubes métalliques, de préférence nervurés, avantageusement de tubes à double enveloppe, qui sont insé- rés dans des perçages de l'électrode. Pour abaisser la ré- sistance thermique entre le tube de refroidissement et 5.- la paroi du perçage, l'intervalle entre les éléments est avantageusement rempli avec un conducteur thermique pulvé- rulent, de préférence avec un mélange de poudre de cuivre et de poudre de graphite. Selon une réalisation préférée de l'invention, le dispositif de refroidissement est un tube échangeur ther- mique. Ce tube échangeur thermique est placé, soit dans un perçage de l'électrode, et la résistance thermique en- tre ces deux parties est abaissée grâce à un conducteur thermique pulvérulent, ou bien le tube échangeur thermi- que s'applique directement sur la maçonnerie résistant au feu de la tête du four. L'extrémité antérieure chaude du tube échangeur thermique est munie, dans cette réalisation, d'un capot de protection en graphite faisant saillie dans le four à résistances et à courant fort. L'autre extré- mité du tube échangeur thermique est entourée d'un échan- geur thermique ou bien constitue une partie de cet échan- geur. Les tubes échangeurs thermiques sont connus en soi. Ils sont constitués d'un récipient fermé de façon étanche avec un remplissage constituant un système capil- laire, par exemple des tissus, des treillis, un matériau fritté, etc... Comme agent caloporteurles capillaires con- tiennent une faible quantité de liquide. Si une différen- ce de température existe entre les deux extrémités du tube échangeur de chaleur, le liquide se vaporise à l'ex- trémité chaude, la vapeur s'écoule vers l'extrémité fron- tale du tube échangeur de chaleur, se condense et le con- densat s'écoule sous l'effet des forces capillaires vers l'extrémité chaude. La conductibilité thermique effective d'un tube échangeur de chaleur est un multiple de la conductibilité thermique du cuivre. Les températures su- perficielles isothermes sont également avantageuses pour l'invention. Un fluide de fonctionnement préféré pour le tube échangeur de chaleur est l'eau qui est utilisée, 6.- avantageusement comme fluide de refroidissement dans d'au- tres dispositifs de refroidissement. Un autre avantage du tube échangeur de cha- leur réside en ce que les parois de ce tube échangeur de chaleur peuvent être utilisées comme conducteurs pour le courant à amener au four de graphitisation. L'extrémité ex- terne du tube échangeur de chaleur est,à cet effet reliée par vissage à des barres de courant des câbles de courant ou analogues. L'épaisseur de parois du tube échangeur de chaleur est telle qu'il n'en résulte aucun échauffement propre important du fait de l'effet Joule pour l'inten- sité maximale du courant de fonctionnement du four à ré- sistances et à courant fort. Une épaisseur de paroi d'en- viron 20 mm esten général suffisante pour des tubes échan- geurs de chaleur constitués d'aciers faiblement alliés. Pour abaisser la résistance électrique, il est avantageux de réaliser au moins une partie de la paroi d'un métal bon conducteur, par exemple en cuivre. Dans cette forme de réalisation, deux tubes sont placés concentriquement l'un dans l'autre. Le tube externe est constitué, par exemple} d'acier, le tube interne de cuivre. Sur l'extrémité anté- rieure du tube échangeur de chaleur, un capot de protection en graphite est vissé ou bien collé, ce capot protégeant thermiquement le tube échangeur vis à vis du four. De nombre des tubes de refroidissement ou des tubes échangeurs de chaleur insérés dans l'électrode est déterminé en détail par la charge thermique de la tête du four. La puissance de refroidissement doit être prévue de fagon que la surface de l'électrode ne dépasse pas la température critique de réaction du matériau de l'élec- trode, soit pour des électrodes en graphite à environ 500 C, et que la température de l'électrode ne diffère pas sensiblement. de la température de la maçonnerie. Dans ces conditions, il n'y a pratiquezent aucune usure par oxydation de l'électrode. La puissance de refroidissement 7.- élev6e permet également dans la phase de refroidissement la récupération et l'utilisation de la chaleur emmagasinée dans le four. L'invention va être ci-après exposée à titre d'exemple en se référant aux dessins schématiques ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une tête de four, - la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une coupe d'une tête de four comportant un tube échangeur de chaleur. Sur les figures 1 et 2, une électrode 2 en graphite est insérée dans la maçonnerie 1, résistante au feu, de la tète de four, le courant de chauffe étant amené à cette électrode par l'intermédiaire d'un câble flexible 3. L'électrode 2 est munie de perçages 4 dans lesquels sont placés des tubes à double enveloppe 5. Ces tubes s'étendent presque jusqu'à la surface frontale 7 de l'électrode, de sorte qu'une température essentiellement constante peut être réglée sur la totalité du volume de l'électrodei Pour réduire la résistance thermique, l'intervalle annulaire en- tre le tube 5 et l'électrode 2 est rempli d'une couche de poudre de graphite et de poudre de cuivre. Non représentés sur le dessin, on a des détecteurs de températures dans la maçonnerie et l'électrode, et une régulation de l'arrivée de fluide de refrcidissement, indiquée par des flèches. Sur a figure 3, le tube échangeur de chaleur 8 est inséré dans la maçonnerie 1 de la tête de four pour jouer le rôle d'électrode, un capot de graphite 9 étant vis- sé sur l'extrémité chaude 8' de ce tube. Sur l'extrémité froide 8" de ce tube, s'applique l'échangeur de chaleur 10, et le courant de chauffe est amené par l'intermédiaire de bandes de cuivre flexibles 11. L'écoulement du fluide de refroidissement est indiqué par des flèches, le débit du 8. fluide de refroidissement est réglé par l'intermédiaire de sondes de température et de soupapes, non représentées sur le dessin. g9. - R E V E N D I C A T IONS 1.- Tête de four pour des fours à résistances et à courant fort, tête de four comportant une maçonnerie (1) résistant au feu et au moins une électrode (2) refroidie insérée dans cette maçonnerie, tête de four caractérisée en ce que des dispositifs de refroidissement (5,6) s'étendant sur la totalité de la longueur de l'électrode (2) sont inclus dans celle-ci, la température de l'électrode (2) étant sus- ceptible d'être réglée à la température de la maçonnerie (1) par régulation du refroidissement. 2.- Tête de four selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de refroidissement est constitué par des tubes (5) à nervures. 3.- Tête de four selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le dispositif de refroidissement est constitué par des tubes (5) à double enveloppe. 4.Tête de four selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'intervalle entre le tube (5) de refroidissement et l'électrode (1) est rempli avec un mélange (6) de poudre de cuivre et de poudre de graphite. 5.- Tête de four selon l'une quelconque des revendications 1 et 4, caractérisée en ce que l'électrode (2) contient, comme dispositif de refroidissement, un tube échan- geur de chaleur (10). 6.- Tête de four selon l'une quelconque des revendications 1 et 5, caractérisée en ce que le tube échan- geur de chaleur (10) s'applique sur la maçonnerie (1) résis- tante au feu de la tête de four, tandis que l'extrémité antérieure de ce tube échangeur de chaleur est munie d'un capot (9) de protection en graphite. 7.- Tête de four selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le dispositif de refroidissement constitue le conducteur de courant (3) pour le courant de chauffe du four. 1.0. - 8.- Tête de four selon l'une quelconque des revendications 1 et 5 à 6, caractérisée en ce que la paroi du tube échangeur de chaleur (10) constitue le conducteur de courant pour le courant de chauffe du four.