Brevet FR2577372A1 — publié le 19860814

La présente invention concerne un procédé de main- tien à l'état fondu d'un métal ou d'une substance analogue, dans un récipient, par chauffage par effet Joule. En outre, l'invention concerne un élément de chauffage destiné à la mise en oeuvre du procédé. - On connaît déjà la transmission d'énergie à un métal fondu par des éléments de chauffage par effet Joule qui peuvent être placés en principe de deux manières diffé- rentes, c'est-à-dire soit au-dessus de la surface fondue ou dans un tube ou dans un autre corps en forme de manchon partiellement immergé dans le métal fondu. Les matériaux classiques utilisés dans de tels éléments de chauffage par effet Joule sont des alliages chrome-nickel et fer- aluminium ainsi que par exemple le carbure de silicium, L5 le graphite et un alliage molybdène-silicium. Lors de l'utilisation d'un procédé mettant en oeuvre des éléments de chauffage par effet Joule placés au-dessus de la surface du métal fondu, l'énergie fournie par les éléments est transférée au métal fondu par rayon- nement par la surface. Cela signifie que le récipient lui-même du métal fondu doit avoir des dimensions qui tiennent compte de la transmission d'énergie calorifique et de l'espace nécessaire au procédé réel de fabrication. En conséquence, le bain métallique doit avoir une quantité de métal fondu bien supérieure à celle qui est nécessaire au processus de production luimême. En conséquence, des investissements importants sont immobilisés, par exemple dans le cas des fours de galvanisation chauffés par le haut. Des inconvénients supplémentaires de ce procédé sont que les éléments de chauffage ne résistent pas bien aux projections des métaux du bain et qu'une protection des éléments de chauffage contre les projections métalli- ques réduit le transfert de chaleur des éléments vers le métal fondu. Dans un autre procédé connu, l'élément métallique reçoit de l'énergie par des éléments de chauffage par effet Joule ayant la forme de tiges et placés dans un tube fermé au fond ou dans un autre corps en forme de manchon qui est partiellement immergé dans le métal fondu, et il n'existe aucun contact conducteur de l'électricité entre l'élément ou les éléments de chauffage et le manchon. Dans ce procédé, la chaleur est transférée par rayonnement de l'élément de chauffage au manchon et ensuite par conduc- tion du manchon au métal fondu. Des éléments de chauffage du type indiqué sont décrits notamment dans les brevets des Etats-Unis d'Améri- que n 1 027 163 et 4 132 886. De tels manchons peuvent être fabriqués en différents types de matériaux. Lorsque le matériau contient des alliages métalliques, la tempéra- ture du manchon est limitée à une valeur relativement faible et provoque donc une réduction du transfert d'énergie qui pourrait être utilisé à partir des éléments de chauffage. Un autre inconvénient des alliages métalliques est qu'ils ne résistent pas bien aux métaux fondus, par exemple le zinc et l'aluminium. Les tubes ou manchons formés d'un matériau par exemple à base de graphite, de carbure de silicium, de nitrure de silicium ou de nitrure d'aluminium, résistent à des températures élevées et peuvent aussi résister à des métaux fondus. Cependant, en pratique, il a été difficile de réaliser un tube ou manchon étanche satisfaisant formé de tels matériaux. Ceci est dû notamment au fait que la surface du manchon ou tube externe tournée vers le métal fondu est soumise à de l'oxygène et provoque une oxydation de la surface externe et/ou du métal fondu près de la surface externe. La couche d'oxyde ainsi formée a un effet isolant et réduit la quantité d'énergie trans- férée. Un autre inconvénient de ces tubes ou manchons est que le maintien de l'échange de chaleur à une valeur constante peut se révéler difficile. L'invention concerne un procédé de chauffage d'un bain métallique ou d'un fluide analogue conducteur de l'électricité, éliminant dans une grande mesure les incon- vénients précités de la technologique connue. Le procédé selon l'invention se caractérise essentiellement en ce que des éléments analogues à des tiges sont immergés partiel- lement dans le métal fondu ou le fluide conducteur de l'élec- tricité analogue, les parties d'extrémité des éléments en forme de tiges qui dépassent du bain étant raccordées à une alimentation électrique, ces parties d'extrémité et les autres parties d'extrémité des éléments étant formées d'un matériau conducteur de l'électricité, la partie centrale relativement longue des éléments, immergée dans le bain ou analogue, étant formée d'un matériau résistif, et le matériau résistif au moins est revêtu d'une couche résistant au métal fondu, conductrice de la chaleur et isolante de l'électricité, si bien que la chaleur créée dans le matériau résistif des éléments est transmise au bain métallique. L'invention concerne aussi un nouvel élément de chauffage, caractérisé en ce que la partie immergée dans le bain métallique et formée d'un matériau résistif clas- sique, est revêtue d'une couche résistante au métal fondu, conductrice de la chaleur et isolante de l'électricité, formée d'un ou plusieurs oxydes de métaux et/ou de métal- loides. Le matériau résistif des éléments de chauffage peut être d'un type classique et, dans le cas de bain métallique, par exemple d'un bain de zinc ou d'aluminium, le matériau résistif est de préférence un matériau semi- conducteur à base de graphite ou de carbure de silicium. En principe, le matériau de revêtement doit être un matériau présentant de bonnes possibilités d'isolation, une bonne conductibilité thermique, de bonnes propriétés de maintien de l'échange de chaleur à une valeur constante, résistant bien aux températures élevées et présentant une résistance élevée au bain métallique. Les matériaux conviennent à cet effet sont des matériaux essentiellement formés d'oxydes de métaux et/ou de métalloïdes, de préférence d'oxydesd'alu- minium, de zinc, de zirconium, de silicium et de magnésium. Le matériau des parties d'extrémité de l'élément en forme de tige ou extrémité froide, peut en principe être formé de tout matériau très conducteur de l'électricité, résistant dans les conditions existantes. Lorsque des éléments analo- gues à des tiges sont raccordés, le matériau de raccordement peut être formé d'un matériau résistif, par exemple celui du corps des tiges, ou d'un matériau très conducteur de l'électricité, par exemple celui des extrémités froides de l'élément chauffant. L'élément chauffant selon l'invention est immergé dans le métal fondu d'une manière telle que seules les parties d'extrémité, portant une couche sur une certaine hauteur au-dessus du bain métallique, dépassent de ce bain. Lorsque les extrémités des éléments dépassant du bain sont raccordées à une alimentation, la partie immergée des éléments formés essentiellement du matériau résistif et d'un revêtement, forme la zone chaude des éléments. Le bain métallique reçoit l'énergie thermique directement par conduction avec ce type d'élément chauffant. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une coupe d'un élément chauffant analogue à une tige partiellement immergé dans un bain métallique; la figure 2 est une coupe d'un élément de chauffage à deux branches partiellement immergé dans un bain métallique; et la figure 3 est une coupe d'un élément chauffant à trois branches partiellement immergé dans un bain métal- lique. Sur la figure 1, un bain métallique porte la réfé- rence 1 et la surface du bain porte la référence 2. Un élément chauffant est immergé dans le bain métallique 1, et il comprend une âme 3 de carbure de silicium qui a une résistance électrique relativement élevée. Aux deux extré- mités de la tige 3 de carbure de silicium, des parties d'extrémité sont montées et sont aussi formées d'un maté- riau à base de carbure de silicium, mais sous forme cris- talline, si bien que ce matériau a de bonnes propriétés de conduction de l'électricité. Les deux parties d'extrémité sont appelées "extrémités froides" des éléments chauffants. La totalité de l'âme 3 et une partie des extrémités froides sont revêtues d'une couche 4 formée essentiellement d'oxyde d'aluminium et d'oxyde de silicium. L'alimentation électrique (non représentée) est reliée à l'élément chauffant à son extrémité froide supérieure 6. Il apparaît que la zone chauffante de l'élément est formée par la partie d'élément O contenant l'âme. Lorsque l'élément chauffant est raccordé à une alimentation, une connexion électrique est ainsi établie par l'intermédiaire du bain métallique entre l'extré- mité froide inférieure de l'élément et par exemple une électrode neutre. Ainsi, il existe une certaine différence de tension entre les deux extrémités froides de l'élément chauffant. Comme la couche forme un isolement électrique par rapport au métal liquide, la différence de tension provoque un dégagement de chaleur dans la zone chaude de l'élément chauffant, cette zone ayant une résistance élec- O trique élevée. Sur les figures 2 et 3, un bain métallique porte la référence 11 et la référence 12 désigne la surface du bain. Les branches analogues à des tiges sont formées d'un matériau résistif 13, du carbure de silicium dans le mode de réalisation considéré, et d'une extrémité froide 15 formée de carbure de silicium, mais sous une forme cris- talline si bien qu'il forme un matériau constituant un bon conducteur de l'électricité. Les branches en forme de tiges sont reliées à l'aide d'un organe 16 de raccordement, sous forme de connexions conductrices de l'électricité, l'organe 16 étant formé du même matériau que les extrémités froides 15. De préférence, le matériau 14 de revêtement est essentiellement formé d'oxyde d'aluminium et d'oxyde de silicium dans le cas considéré, et il recouvre toute la partie immergée de l'élément ainsi qu'une partie des extrémités froides 15 qui dépassent du bain. Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, les parties des extrémités froides se trouvant sous la surface du bain métallique et juste au-dessus ont aussi le matériau de revêtement. L'alimentation électrique, non représentée sur les figures 2 et 3, est reliée aux parties 15 d'extrémité qui dépassent du bain. La zone chauffante des éléments est formée de la partie qui comporte le matériau résistif. Bien qu'on ait indiqué la présence d'oxyde d'alu- minium et de silicium, la couche peut être formée d'un mélange d'au moins deux oxydes d'aluminium, de zirconium, de silicium et de magnésium. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVLNDICATIONS 1. Procédé de chauffage d'un fluide conducteur de l'électricité, tel qu'un métal fondu (1,11) par chauffage par effet Joule, caractérisé en ce que des éléments analo- gues à des tiges sont partiellement immergés dans le fluide conducteur ou le métal fondu (1,11), les parties d'extré- mité (6, 15) des éléments dépassant du bain métallique étant reliées à une alimentation électrique, les parties d'extrémité (6,15) ainsi que les parties restantes de l'extrémité (6,15) des éléments étant formées d'un matériau conducteur de l'électricité alors que la partie centrale relativement longue (3,13) des éléments, immergée dans le bain métallique, est formée d'un matériau électriquement résistif, et le matériau résistif au moins est revêtu d'une couche (4,14) résistant au métal fondu, conductrice de la chaleur et isolante de l'électricité, si bien que la chaleur dégagée dans le matériau résistif des éléments est transmise au bain métallique. 2. Elément de chauffage en forme de tige, destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une partie centrale (3) formée au moins en partie d'un matériau électriquement résistif, cette partie centrale étant, à ses deux extrémités, au contact de parties d'extrémité (5) formées d'un matériau ayant une bonne conductivité, la partie centrale (3) au moins étant revêtue d'une couche (4) résistante au métal, conductrice de la chaleur et isolante de l'électricité, contenant un ou plusieurs oxydes de métaux, de métalloides ou de leurs mélanges. 3. Elément de chauffage destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, et comportant deux ou trois branches chacune analogue à une tige, les parties libres et externes (15) d'extrémité des branches étant formées d'un matériau ayant une bonne conductivité alors que les parties restantes des tiges comprennent notamment un matériau électriquement résistif (13), les branches en forme de tiges, aux extrémités formées d'un matériau électriquement résistif, étant raccordées par un matériau qui est de préférence un bon conducteur de l'électricité (16), ledit élément étant caractérisé en ce que les parties de l'élément qui doivent être immergées dans le métal fondu au moins sont revêtues d'une couche (14) résistant au métal fondu, conductrice de la chaleur et isolante de l'électricité contenant un ou plusieurs oxydes de métaux ou de métalloides ou leurs mélanges. 4. Elément selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite couche (4,14) est essen- tiellement formée d'un mélange d'au moins deux oxydes choisis parmi les oxydes d'aluminium, de zirconium, de silicium et de magnésium. 5. Elément selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'une partie des parties libres d'extrémité (5, 15) formées d'un matériau ayant une bonne conductivité est en outre munie de ladite couche (4,14).