Brevet FR2695716A1 — publié le 19940318

Tube de chauffage pour four industriel, four industriel et procédé de chauffage du four L'invention concerne un tube de chauffage poreux céramique, destiné à assurer le chauffage électrique d'un' four industriel, un four industriel équipé de tels tubes de chauffage, ainsi qu'un procédé de chauffage électrique du four. Le chauffage électrique de fours industriels sous forme de ce que l'on appelle le chauffage par résistance est connu depuis longtemps Le chauffage par résistance repose sur le principe que le courant électrique, lorsqu'il passe dans le corps de chauffage correspondant, développe une résistance, faisant que de la chaleur est dégagée. On peut utiliser comme matériau conducteur de la chaleur, tant des matériaux métalliques qu'également des matériaux céramiques. En particulier pour les températures élevées, on utilise des barres de chauffage et des tubes céramiques, fabriqués par exemple à partir de carbure de silicium Tous ces éléments nécessitent des intensités électriques relativement élevées, ce qui conditionne l'utilisation de transformateurs. De tels tubes de chauffage céramiques peuvent en principe être utilisés dans tous les types de fours industriels, mais ils posent des problèmes particuliers lorsqu'existent dans le four des atmosphères "extrêmes". Ainsi par exemple, lors de la calcination de ferrites, en particulier de ferrites douces, il se pose l'obligation d'établir dans le four une atmosphère oxydante à peu près à %, afin d'obtenir un produit de calcination dont les propriétés du matériau sont optimales. A l'inverse, il existe également des cas d'application, dans lesquels l'atmosphère du four doit être à peu près pratiquement complètement réductrice. En cas d'utilisation de barres de chauffage (de tubes de chauffage) céramiques, on observe dans ce cas une réduction drastique de la durée de vie des tubes de chauffage Ceci est à imputer à la nature agressive de l'action exercée par l'atmosphère du four, tout en étant favorisé par le fait que les tubes de chauffage céramiques cités présentent une porosité (également ouverte), pouvant aller jusqu'à 10 à 20 * % en volume Il se produit alors également partiellement une calcination du matériau proprement dit du conducteur de chaleur et, ainsi, une destruction des tubes de chauffage. Il a certes été tenté de prolonger la durée de vie de tels tubes de chauffage céramiques, en les vitrifiant Mais également dans ce cas, il subsiste une porosité résiduelle, de sorte que les effets décrits sont en tout cas amoindris, mais qu'en tout cas ils ne peuvent être empêchés. Avec la destruction du matériau des conducteurs de la chaleur se produit simultanément une augmentation de la résistance Il est certes possible de compenser partiellement ceci en assurant la possibilité de régler le transformateur associé, afin d'adapter en conséquence la tension de sortie (tension secondaire), mais, finalement, la destruction peut aller si loin que ne peut plus être atteinte aucune puissance de chauffage, ou tout au moins une puissance de chauffage suffisante. Dans cette mesure, l'invention à pour but d'offrir un tube de chauffage poreux céramique, pour le chauffage électrique d'un four industriel, qui présente, également dans le cas d'atmosphères extrêmes dans le four, en particulier de conditions oxydantes extrêmes et réductrices extrêmes, une plus grande résistance, également sur des durées plus longues (donc un moindre vieillissement) Simultanément sont proposés un four industriel équipé en conséquence, ainsi qu'un procédé pour son chauffage. L'invention a pour base le fait que la destruction décrite ci-dessus des barres de chauffage (tubes de chauffage) est provoquée par un genre d'infiltration" de l'atmosphère agressive du four, pouvant pénétrer par les pores dans le matériau L'invention part dans ce sens de la supposition d'empêcher autant que possible une telle "infiltration d'atmosphère" A ce sujet, il a été reconnu que cet objectif pouvait être atteint en produisant dans les tubes de chauffage correspondants une surpression, obtenue à l'aide d'un gaz inerte, de sorte que, du fait de la différence de pression partielle formée, le gaz inerte traverse les tubes de chauffage, de l'intérieur vers l'extérieur, et empêche ainsi toute pénétration de l'atmosphère du gaz dans les tubes de chauffage. De cette manière, on assure la protection des tubes de chauffage vis-àvis d'une agression par l'atmosphère du four et il est simultanément réalisé un genre de "ballon de gaz inerte" tout autour des tubes de chauffage. Il suffit alors d'appliquer une surpression de l'atmosphère à gaz inerte à l'intérieur des tubes de chauffage, seulement légèrement supérieure à la pression du gaz dans l'atmosphère du four En théorie, il devrait même suffir que la pression du gaz inerte et la pression du reste de l'atmosphère du four soient égales Du fait que l'atmosphère du four peut cependant fluctuer et qu'il doit être créé une sécurité aussi élevée que possible vis-à-vis des agressions atmosphériques, la pression de gaz inerte est de préférence quelque peu supérieure (de 1 à 5 %) à la pression de l'atmosphère à l'intérieur du four. Cette remarque préliminaire étant faite, l'invention concerne dans sa forme de réalisation la plus générale, un tube de chauffage poreux céramique destiné au chauffage électrique d'un four industriel, qui se distingue par les caractéristiques ci-après: Le tube de chauffage présente au moins, sur une première extrémité, un adaptateur destiné au raccordement d'une amenée de gaz inerte, Le tube de chauffage est réalisé, pour le reste, de manière que le courant de gaz inerte amené par l'intermédiaire de l'adaptateur puisse sortir exclusivement par la surface d'enveloppe du tube de chauffage. Les deux - caractéristiques ensemble mènent au résultat que l'espace intérieur (tubulaire) du tube de chauffage est rempli par le gaz inerte et que le gaz inerte peut y être soumis à une certaine surpression, le courant de gaz inerte pouvant sortir exclusivement par la surface d'enveloppe du tube de chauffage et par exemple ne pas sortir à la deuxième extrémité opposée. Pour assurer ce courant exclusif du gaz inerte sur la surface de l'enveloppe du tube de chauffage, l'invention offre différentes formes de réalisation. Dans le cas le plus simple, le tube'de chauffage est fermé à la deuxième extrémité libre opposée à la première extrémité, située côté raccordement du gaz, de sorte que le courant de gaz inerte ne peut pas sortir par celle-ci Du fait que le courant de gaz inerte est toujours amené sous pression, tout retour du gaz à la première extrémité se trouve simultanément empêché. Selon une variante de réalisation, le tube de chauffage est équipé à la deuxième extrémité, opposée à la première extrémité située côté raccordement du gaz, avec un adaptateur supplémentaire destiné au raccordement d'une amenée de gaz inerte Ici, le gaz inerte entre dans le tube de chauffage par deux côtés, les courants de gaz inerte se rejoignant au milieu et ne pouvant sortir, éventuellement, que par l'enveloppe poreuse du tube de chauffage. Egalement dans cette forme de réalisation, il est possible de fermer la section transversale libre du tube en un endroit, -entre les extrémités de raccordement à l'alimentation en gaz, de sorte que les deux courants de gaz partiels orientés dans des sens opposés ne viennent pas directement au contact l'un de l'autre. Du fait des propriétés de résistance électrique, le tube de chauffage est composé de préférence en carbure de silicium, en carbure de silicium silicé par réaction ou en carbure de silicium infiltré de silicium (Si Si C) Le tube de chauffage peut également cependant être composé d'autres matériaux poreux céramiques, assurant la fonction d'un chauffage par résistance. Il est également possible de réaliser un tube de chauffage avec une surface vitrifiée Dans ce cas, la surface du tube de chauffage bénéficie d'une protection supplémentaire (est rendue plus étanche), bien qu'une étanchéité complète ne puisse pas non plus être atteinte ici, ni ne soit nécessaire Du fait de l'effet de blocage "partiel" offert par la surface vitrifiée, dans cette forme de réalisation, les sorties de gaz inerte sont cependant moindres. Le four industriel chauffé électriquement selon l'invention est équipé de plusieurs tubes de chauffage du type décrit, et comprend au moins un poste de gaz inerte pour amener du gaz inerte par un adaptateur raccordé à une extrémité des tubes de chauffage, à l'intérieur des tubes de chauffage L'agencement des tubes de chauffage peut rester inchangé par rapport à l'état de la technique Usuellement, les tubes de chauffage sont disposés au-dessous du plafond et transversalement dans le canal de four (enceinte de four), en ressortant à l'extrémité, hors des parois du four, de sorte que les adaptateurs correspondants, respectivement les raccordements de gaz correspondants peuvent être montés à l'extérieur du four et ainsi à l'extérieur de la zone soumise à la température. Le poste de gaz inerte peut être composé d'une source de gaz continue, mais également d'une bouteille de gaz Pour le fonctionnement du four, on introduit le courant de gaz inerte dans les tubes de chauffage, de telle façon que le gaz inerte se trouve à l'intérieur des tubes de chauffage en surpression par rapport à l'atmosphère du four. En principe, on peut utiliser tout gaz inerte (gaz de protection) ne produisant pas d'effet négatif sur l'atmosphère du four et ainsi sur la qualité du produit calciné Un gaz inerte économique à cette fin est l'azote (N 2) On peut également utiliser de l'argon. En cas de besoin, le tube de chauffage peut également être utilisé pour opérer une amenée à dessein d'un gaz de protection dans le four, afin d'y assurer, d'y conserver ou d'y établir une atmosphère de gaz protectrice correspondante. L'invention est expliquée plus en détail ci- après à l'aide d'un exemple de réalisation dans lequel: La figure 1 est une vue en coupe d'un tube de chauffage selon l'invention, selon une première forme de réalisation, La figure 2 est une vue en coupe d'un tube de chauffage selon l'invention, dans une deuxième forme de réalisation, La figure 3 est une vue en coupe du four industriel associé, ces représentations étant fortement schématisées. Sur les figures, des éléments de construction identiques ou remplissant les mêmes fonctions sont représentés avec des numéros de référence identiques. Le tube de chauffage représenté sur la figure 1 est globalement désigné par la référence 10 Le tube de chauffage 10 dont l'enveloppe porte la référence 12 est composé de carbure de silicium avec une porosité de 15 %. A une extrémité l Oa (l'extrémité gauche sur la figure) le tube de chauffage 10 est équipé avec un adaptateur 14, qui présente une section transversale plus petite que le tube de chauffage 10 et est raccordé de façon étanche aux gaz à cette extrémité. A la (deuxième) extrémité l Ob opposée, le tube de chauffage 10 est pourvu d'un obturateur fermé 16, également étanche aux gaz. L'exemple de réalisation de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 par le fait que les deux extrémités du tube de chauffage 10 sont équipées des adaptateurs 14 décrits et qu'il y a, à peu près à milongueur du tube de chauffage, une paroi fermée 18, qui divise en deux parties le tube de chauffage 10. La figure 3 représente schématiquement un four industriel (ici un four à sole mobile), réalisé avec, au dessous de son plafond 20, plusieurs tubes de chauffage 10 selon la figure 1, disposés les uns derrière les autres, perpendiculairement au plan du dessin, les tubes de chauffage 10 présentant une largeur supérieure à celle du four, de sorte qu'il traversent les parois de four 22 a, b. L'extrémité fermée l Ob des tubes de chauffage 10 dépasse alors de la paroi de four 22 a représentée sur la gauche sur la figure, tandis que la première extrémité de four, équipée de la tubulure de raccordement 14 ( adaptateur) dépasse de la paroi droite 22 b. En fonctionnement, une conduite de gaz inerte est placée à cet endroit: une conduite d'azote est raccordée à l'adaptateur 14 des différents tubes de chauffage, de sorte que l'azote s'écoule à l'intérieur l Oc des tubes de chauffage 10, une surpression étant chaque fois établie dans le tube de chauffage 10 *par rapport à l'atmosphère régnant dans l'enceinte de four 20 a, atmosphère qui est ici purement oxydante. Le gaz inerte tente alors de traverser l'enveloppe de tube de chauffage 12 et ceci s'effectue enfin par l'intermédiaire du volume à porosité ouverte de l'enveloppe 12, en direction des flèches P. Il est évident que le courant de gaz inerte sort sur toute la surface de l'enveloppe 12 De cette manière il est assuré que, dans le sens inverse, l'atmosphère du four ne peut pénétrer dans l'enveloppe 12 et détruire les tubes de chauffage 10. L'amenée de gaz inerte (flèche I) n'est pas représentée ici en détail Elle se compose d'un poste d'azote avec un dispositif, de mise sous pression correspondant, en vue de transporter le gaz dans les tubes de chauffage 10, qui sont pour le reste évidemment raccordés, de manière connue, à une source électrique. Pour des raisons de clarté, le produit à calciner n'a pas été représenté sur la figure 3 Il s'agit ici de ferrites douces. REVENDICATIONS 1 Tube de chauffage céramique poreux, pour le chauffage électrique d'un four industriel, caractérisé en ce qu'il est équipé au moins à une première extrémité ( 10 a), d'un adaptateur ( 14) destiné au raccordement d'une amenée de gaz inerte et réalisé, pour le reste, de manière que le courant de gaz inerte amené par l'intermédiaire de l'adaptateur ( 14), puisse sortir exclusivement par la surface d'enveloppe ( 12) du tube de chauffage ( 10). 2 Tube de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa deuxième extrémité libre (lob), opposée à la première extrémité ( 10 a) située côté du raccordement de gaz, est fermée. 3 Tube de chauffage selon la *revendication 1, caractérisé en ce que sa deuxième extrémité (l Ob), opposée à la première extrémité (l Oa), située côté raccordement du gaz, est également équipée d'un adaptateur ( 14), en vue du raccordement d'une amenée de gaz inerte. 4 Tube de chauffage selon la revendication 3, dans laquelle la section transversale libre du tube est fermée en un endroit, entre ses extrémités (l Oa, lob), situées côté du raccordement du gaz, à l'aide d'une paroi de séparation ( 18). Tube de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est réalisé en carbure de silicium, en carbure de silicium recristallisé ou en carbure de silicium silicé par une réaction. 6 Tube de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une surface vitrifiée. 7 Four industriel à chauffage électrique, comportant plusieurs tubes de chauffage selon l'une des revendications 1 à 6, ainsi qu'au moins un poste de gaz inerte destiné à amener à l'intérieur des tubes de chauffage du gaz inerte par l'intermédiaire des adaptateurs, raccordés aux extrémités des tubes de chauffage. 8 Procédé de chauffage électrique d'un four industriel selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un courant de gaz inerte est introduit dans les tubes de chauffage, de telle façon que le gaz inerte à l'intérieur du tube de chauffage soit en surpression par rapport à l'atmosphère du four. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le gaz inerte utilisé est de l'azote ou de l'argon.