Brevet FR2626430A1 — publié le 19890728

La présente invention concerne des dispositifs de chauffage servant à produire des températures élevées. On sait que V on peut produire des températures élevées en faisant circuler un courant électrique dans une résistance. La température maximale, que l'on peut ainsi obtenir, dépend du matériau, dont est constitué l'élément chauffant, c'est-à-dire la résistance. Pour des températures très élevées, les éléments chauffants sont habituellement réalisés en graphite. Etant donné que le graphite possède une faible résistivité électrique et afin de s'assurer que la valeur résistive de l'élément chauffant est suffisante pour l'obtention de la chaleur devant être produite, on peut augmenter la valeur résistive de l'élément chauffant soit en augmentant sa longueur, soit en réduisant sa surface en coupe transversale, soit en mettant en oeuvre ces deux dispositions. Cependant, la résistance mécanique et la durée de vie de l'élément chauffant peuvent être réduites de façon importante, si la surface en coupe transversale choisie est trop faible. C'est pourquoi, on choisit les dimensions utilisables de l'élément chauffant en graphite de manière que cet élément possède une valeur résistive électrique suffisamment élevée et, simultanément, possède une résistance mécanique adéquate. Pour accroître la longueur et par conséquent la valeur résistive de l'élément chauffant en graphite, on peut le réaliser sous la forme d'une spirale. On peut également produire des températures élevées en faisant circuler un courant électrique dans une colonne constituée par des morceaux de coke. La valeur résistive de la colonne formée de morceaux de coke est inversement proportionnelle au nombre et à la surface des points de contact entre les particules de coke, ainsi qu'au type de coke utilisé. La valeur résistive de la colonne de coke est nettement supérieure à celle d'une barre de graphite possédant des dimensions analogues, étant donné que la surface de contact entre les particules de coke est faible. La colonne de de coke doit être supportée mécaniquement. Ceci peut être obtenu au moyen de l'insertion de la colonne de de coke dans un récipient cylindrique réalisé en un matériau réfractaire comme de l'alumine, de la magnésie, etc. Cependant, la température maximale admissible pour les éléments réfractaires mentionnés ci-dessus est inférieure à 2000" Celsius. En théorie, on peut obtenir des températures de l'ordre de 4500. Celsius, si l'on utilise du graphite pour constituer le récipient de support, à la place du récipient formé des matériaux réfractaires mentionnés plus haut. Cependant, étant donné que le graphite est bon conducteur de l'électricité, le courant électrique circule dans le récipient en graphite au lieu de traverser le coke, ce qui empêche d'atteindre la température désirée. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif de chauffage, qui supprime cette difficulté. Conformément à l'invention, il est prévu un dispositif de chauffage comportant un corps constitué de deux ou un plus grand nombre de couches de particules réfractaires électriquement conductrices, un élément de support réalisé en un matériau réfractaire disposé entre des couches adjacentes, et des moyens pour faire circuler un courant électrique dans le corps. En fonctionnement, le corps peut être disposé dans un four ou dans un dispositif à haute température, dans une position verticale, horizontale ou inclinée. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le corps possède une pluralité d'éléments de support. 26Z6430 Les éléments de support peuvent avoir n'importe quelle -configuration géométrique appropriée et peuvent posséder par exemple une forme triangulaire, carrée, rectangulaire, polygonale ou circulaire. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, les éléments de support possèdent la forme de cuvettes ou de plaques, comportant ou non un orifice central. On peut utiliser n'importe quel matériau réfractaire approprié pour les particules et les éléments de support, par exemple des carbures, des nitrures ou des borures. Cependant, dans cette forme de réalisation préférée de l'inventioh, les particules de coke forment les couches, tandis que les éléments de support sont réalisés en graphite. On utilise le coke car il est relativement bon marché, et le graphite en raison de sa capacité à résister à des températures élevées. En outre, le dispositif de chauffage peut comporter des moyens servant à produire un arc électrique ou un arc de plasma étendu. L'arc électrique ou l'arc de plasma est, dans ce cas, produit entre la colonne de coke et l'électrode en graphite. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, on fait circuler un gaz dans le dispositif de chauffage de manière à obtenir un gaz possédant une température élevée. Le dispositif conforme à l'invention peut être utilisé en tant que creuset de fusion. Dans ce cas, on introduit directement du minerai et des agents réducteurs dans la colonne de coke chaude, dans laquelle le minerai est réduit sous la forme métallique. On peut également utiliser le dispositif conforme à l'invention pour réaliser la fusion, la vaporisation et la distillation de métaux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée 262643Q ci-aprest prise en référence aux dessins annexes, sur les- quels: - la figure 1 représente une vue en coupe trans- versale passant par l'axe central du dispositif de chauf- fage utilisé comme élément chauffant; - la figure 2 représente une coupe prise suivant la ligne A-A sur la figure 1; % - la figure 3 représente une coupe transversale verticale passant par l'axe central du dispositif de chauffage utilisé-dans un générateur de plasma; - la figure 4 représente une coupe prise suivant la ligne B-B sur la figure 3; - la figure 5 représente une coupe transversale verticale passant par l'axe central du dispositif de chauffage utilisé en tant que creuset de fusion; - la figure 6 représente une coupe prise suivant la ligne C-c sur la figure 5; - la figure 7 représente une coupe verticale passant par l'axe central d'un élément chauffant tubulaire installé dans le dispositif des figures 9 et 10; - la figure 8 représente une coupe prise suivant la ligne D-D sur la figure 7; - la figure 9 représente une coupe transversale passant par l'axe médian du dispositif de chauffage, uti- lisable pour réaliser une fusion; et -- la figure 10 représente une coupe, prise suivant la ligne E-E sur la figure 9. Sur les figures 1 à 10, on a représenté différentes applications du dispositif de chauffage con- forme à l'invention. Les figures 1 et 2 montrent un seul élément chauffant. L'élément chauffant est constitué par plusieurs cuvettes annulaires en graphite 1 remplies par du coke 2 et superposées les unes aux autres. Une source d'alimentation en énergie électrique est raccordée à l'élément chauffant au moyen d'électrodes en graphite 3 et 4, par l'intermédiaire de bornes 5 et 6. On notera que, compte tenu de la configuration creuse des cuvettes 1, on obtient une colonne centrale continue de particules de coke en contact réciproque. Cependant, étant donné que les cuvettes 1 sont espacées les unes des autres en étant équidistantes, un court-circuit produit par le passage d'un courant électrique dans ces cuvettes est évité. La valeur résistive de l'élément chauffant est réglée à l'aide du nombre de cuvettes présentes dans la colonne et au moyen de la surface en coupe transversale de cette dernière. Les cuvettes en graphite peuvent être réalisées en un graphite à bas prix, étant donné que la résistance mécanique des cuvettes n'est pas importante. La durée de vie de l'élément conforme à l'invention est pratiquement illimitée. Les particules de coke, qui se consument pendant le chauffage, sont remplacées de façon continue par des particules voisines de coke dans la colonne. Au stade ok une proportion importante de parti- cules de coke est consumée, on recharge simplement les cuvettes avec du coke neuf. L'application de l'invention sous la forme d'un chalumeau à plasma est représentée sur les figures 3 et 4. On place l'élément chauffant représenté sur les figures 1 et 2 dans un creuset en graphite 7. On immerge ce dernier dans une fine poudre réfractaire 13, qui est, elle-même, contenue dans un cylindre métallique 9. Une source d'alimentation en énergie électrique est raccordée à l'élément chauffant au moyen d'une électrode creuse en graphite et d'une coupelle métallique 11, par l'intermédiaire de bornes 5 et 6. La coupelle métallique 11 est en contact électrique avec le creuset en graphite 7 et avec le cylindre métallique 9. Le gaz devant être chauffé circule dans une canalisation métallique 12, traverse la colonne de coke chauffé électriquement et, finalement, le fond perforé 17 du creuset 7, à partir duquel il est dirigé par une buse 14 en direction de l'objet devant être chauffé. La buse 14 est recouverte par une poudre réfractaire 13 logée dans un bottier métallique 15. La poudre réfractaire 13, qui est en contact avec la buse 14, fond. La buse 14 possède un filetage extérieur, le long duquel descend la poudre réfractaire fondue, sous l'action de la pesanteur, jusqu aà la pointe de la buse 14, ce qui a pour effet de protéger la buse contre l'oxydation. La buse et le bottier métallique 15 sont des parties consommables du chalumeau. Le chalumeau à plasma est fixé sur un pied 16 au moyen d'un support 8. Le chalumeau à plasma représenté sur les figures 3 et 4 convient pour réaliser une opération de fusion, de coupage, de soudage ou un traitement thermique de différents matériaux, en particulier de matériaux, qui ne sont pas électriquement conducteurs et pour lesquels, par conséquent, on ne peut pas appliquer des procédés clas- siques basés sur un arc électrique ou un arc de plasma. Dans le cas de matériaux électriquement conduc- teurs, on peut accroître de façon supplémentaire la température du gaz des plasmas en utilisant un arc élec- trique entre la buse 14 et l'objet électriquement conduc- teur. Dans ce cas, la source d'alimentation en énergie électrique est alors raccordée à la borne 6 et à l'objet électriquement conducteur. Dans le cas o on utilise un gaz de plasma pour accroître la température d'un processus métallurgique, on peut utiliser le chalumeau à plasma décrit, mais sans la buse 14. Le chalumeau à plasma conforme à l'invention est moins onéreux que des types classiques de chalumeaux à plasma et est d'un fonctionnement plus commode. L'application de la présente invention pour la fusion d'un minerai est illustrée sur les figures 5 et 6. Un mélange contenant un minerai et un agent réducteur est envoyé par l'intermédiaire d'une canalisation 20 sur une colonne de coke chaude constituée par des cuvettes creuses en graphite 1, remplies par du coke 2. Le mélange envoyé est chauffé par un arc élec- trique établi entre une électrode en graphite 18 et le coke 2, ainsi qu'au moyen de la chaleur produite par le courant électrique circulant dans la colonne de coke. La masse fondue descend dans la colonne de coke, puis traverse la grille 21 et est collectée dans une petite chambre 22 située au-dessous de cette grille. La masse fondue est retirée en continu du dispositif de fusion au moyen d'une canalisation 23. L'énergie électrique est envoyée à la colonne au moyen d'électrodes 18 et 19, qui sont raccordées à des bornes 5 et 6. Le gaz produit par la réaction traverse la colonne de coke et pénètre dans une chambre à gaz 25. Une chambre à gaz 25 est entourée par un plafond 24 et une enveloppe 26. Le gaz sortant de la chambre a gaz 25 est retiré au moyen d'une canalisation 27. Les caractéristiques principales du dispositif de fusion sont celles indiquées ci-après. Le dispositif de fusion peut fonctionner à des températures extrêmement élevées, allant jusqu'à atteindre le point de fusion du graphite, c'est-àdire 4500 Celsius. Ceci peut être avantageux pour atténuer la difficulté, qu'on rencontre pour réduire des oxydes tel que le bioxyde de zirconium. La durée de vie du four est longue étant donné que la masse fondue ne vient pas en contact avec le garnissage extérieur du four. Le taux de consommation du coke contenu dans la colonne de coke est faible, pourvu qu'un agent réducteur contenu dans le mélange d'alimenta- tion soit sous la forme d'une fine poudre bien mélangée au minerai. Les dimensions du dispositif de fusion sont inférieures, d'un ordre de grandeur, à celles d'un four électrique à arc submergé, possédant le même débit de sortie de métal. La réduction intervenant dans un four électrique à arc immergé se produit dans une petite région située au- dessous de l'électrode, tandis que, dans le dispositif de fusion conforme a l'invention, la réaction se produit dans l'ensemble de la région embrassée par les cuvettes en graphite. Le dispositif de fusion convient pour des processus en continu et pour les processus effectués à une basse pression, en raison de la perméabilité élevée de la colonne de coke aux gaz. Des substances volatiles contenues dans l'agent réducteur se consument dans les réactions de réduction, et par conséquent on peut utiliser, pour la réduction, des agents réducteurs contenant une proportion importante de substances volatiles. Le gaz mis en oeuvre dans les réactions de réduction est filtré lors de sa sortie du coke chaud de la colonne de coke. Le four est particulièrement approprié pour réaliser la fusion de minerais fins. La résistance électrique du dispositif de fusion peut être réglée au moyen de la hauteur et de la surface en coupe transversale de la colonne de coke. Le four utilisable pour la fusion de métaux est représenté sur les figures 9 et 10. Ce four est équipé de l'élément chauffant tubulaire représenté sur les figures 7 et 8. L'élément chauffant tubulaire est constitué par des anneaux 28 possédant un profil en V et remplis par du coke 2. Les anneaux 28, remplis par le coke 2, sont disposés les uns au-dessus des autres. La chaleur présente dans l'élément chauffant est produite sous l'effet de la circulation d'un courant élec- trique dans cet élément, par l'intermédiaire d'électrodes 29 et 30 raccordées à des bornes 5 et 6. La chaleur est produite principalement au niveau des points de contact entre les particules de coke et entre les particules de coke et les anneaux. Un mode paxtilier de réaisation de l'élment chauffant tubulaire placé dans un four servant à réaliser la fusion de métaux est représentée sur les figures 9 et 10. La charge 31 placée dans le creuset 32 repose sur une base en graphite 34. La base en graphite 34 est placée sur une base 35 réalisée en un matériau isolant. Le creuset 32 reposant sur les bases 34 et 35 est inséré dans le four A l'aide d'un piston 36. Le creuset 32 est renfermé dans une chambre comprenant un plafond 37 et un cylindre en graphite 41. Le creuset en graphite 32 est chauffé par le rayonnement émanant de l'élément chauffant tubulaire déjà décrit. Le cylindre en graphite 41, qui agit en tant que réflecteur du rayonnement, est isolé par des blocs de matériau réfractaire- 38 placés entre le cylindre 41 et le bo$tier métallique 33. Un courant électrique est envoyé au moyen des bornes 5 et 6. Le courant électrique circule dans l'électrode 39, à l'intérieur de l'élément chauffant, traverse le fond du cylindre en graphite 41 et aboutit à l'électrode en graphite 40. L'élément chauffant tubulaire est applicable à différents types d'enceintes réactionnelles, de fours et de colonnes de distillation possédant une configuration géométrique cylindrique. La présente invention n'est pas limitée aux d&tails précis de réalisation, et bon nombre de modifications de détails peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. VNICATIONS 1. Dispositif de chauffage, caractérisé en ce qu'il comporte un corps comprenant deux ou plusieurs cou- ches de particules réfractaires électriquement conductri- ces (2), un élément de support (1) réalisé en un matériau réfractaire et situé entre des couches adjacentes, et des moyens (3,4,5,6) permettant de faire circuler un courant électrique à l'intérieur du corps. 2. Dispositif de chauffage selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que chaque élément de support (1) possède la forme d'une cuvette ou d'une plaque de forme triangulaire, rectangulaire ou polygonale. 3. Dispositif de chauffage selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que la cuvette ou la plaque (1) possède un orifice central. 4. Dispositif de chauffage selon l'une des re- vendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la cuvette ou la plaque (1) possède une concavité tournée vers le haut. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une plu- ralité d'éléments de support (1). 6. Dispositif de chauffage selon l'une quel- conque des revendications i à 5, caractérisé en ce que les couches de particules réfractaires (2} de la colonne sont formées de particules de coke. 7. Dispositif de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments supportant la colonne de particules réfractaires (2) sont réalisés en graphite. 8. Dispositif de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens(3,4,5,6), qui servent à faire circuler un courant électrique à l'intérieur du corps, incluent un couple d'électrodes (3,4) et en outre des moyens (18) servant à produire un arc électrique ou un arc de plasma étendu entre une électrode et le corps- du dispositif. 9. Dispositif de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (20,27) permettant de faire circuler un gaz à l'intérieur de la colonne de manière à obtenir un gaz à température élevée. 10. Dispositif de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 a 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'amenée d'un matériau qui doit être fondu, réduit, vaporisé, distillé, raffiné ou dégazé, à une extrémité du corps du dispositif