Brevet FR2699038A1 — publié le 19940610

La présente invention concerne la métallurgie et, plus particulièrement, la fusion et le maintien en température de produits aptes à fondre à température élevée. L'invention a plus particulièrement pour objets une canne thermoplongeante longiligne à alimentation électrique pour le chauffage de produits aptes à fondre à température élevée et l'application d'une telle canne notamment au chauffage et à la fusion de l'aluminium. Dans de nombreux domaines et en particulier en métallurgie, on fait appel à des installations de chauffage électrique qui mettent en oeuvre des cannes thermoplongeantes longilignes pour assurer la fusion et le maintien en température de produits aptes à fondre et qui sont liquides à des températures de l'ordre de 800"C, tel l'aluminium, et dont les bains en fusion sont relativement agressifs à ces températures à l'égard des matériaux utilisés pour les cannes, en particulier à proximité de la surface libre du bain de produit fondu où se produit souvent une oxydation notable. Une solution à ce problème du chauffage électrique est, par exemple, décrite dans le document FR 2 480 419. La solution proposée par ce document consiste notamment en une électrode non métallique dont la résistance électrique est supérieure à celle du métal dans lequel elle est immergée de manière à subir, préférentiellement, l'échauffement par effet Joule du passage direct du courant dont le circuit électrique se boucle, se referme dans le métal lui-même. Avec une telle solution, il est nécessaire de procéder à des échanges, relativement fréquents, des électrodes qui se dégradent, se corrodent notamment au contact du métal en fusion dans lequel elles sont plongées. Le but de l'invention est de remédier aux difficultés soulevées par ce type de solution, à l'aide d'une canne thermoplongeante perfectionnée dont les particularités ressortent notamment de la description et des revendications qui suivent. L'invention a pour objet une canne thermoplongeante longiligne à alimentation électrique pour le chauffage de produits aptes à fondre à température élevée. Cette canne thermoplongeante est remarquable en ce qu'elle comprend un élément électriquement conducteur avec au moins une borne extérieure pour son raccordement électrique, une gaine creuse avec un fond clos et avec une embouchure fermée par un embout avec un passage pour la traversée d'une partie de cet élément électriquement conducteur, et en ce que cette gaine est faite en un matériau non métallique contenant du carbone voire une céramique et supportant des températures au moins égales à 800"C environ, et pratiquement non corrodable par les produits en fusion dans lesquels elle est plongée. L'invention a aussi pour objet l'application d'une canne du type indiqué auparavant pour le chauffage et la fusion notamment de l'aluminium. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent, ainsi que de l'examen du dessin annexé donné seulement à titre d'exemple, où - la Figure 1 est une vue en demi-coupe demiélévation d'un mode de réalisation d'une canne thermoplongeante longiligne perfectionnée selon l'invention; et - la Figure 2 est une vue similaire d'une autre variante d'exécution. Les cannes thermoplongeantes à alimentation électriques pour le chauffage de produits aptes à fondre à température relativement élevée et utilisées, notamment, pour la métallurgie de l'aluminium étant bien connues dans la technique, on ne décrira dans ce qui suit que ce qui concerne directement ou indirectement 1 'inven- tion. Pour le surplus, l'homme du métier du secteur technique considéré puisera dans les solutions classiques courantes à sa disposition pour faire face aux problèmes particuliers auxquels il est confronté. Dans ce qui suit, on utilise toujours un même numéro de référence pour identifier un élément homologue, quel que soit le mode de réalisation ou sa variante d'exécution. Pour la commodité de l'exposé, on décrira successivement chacun des constituants d'une canne thermoplongeante longiligne à alimentation électrique pour le chauffage de produits aptes à fondre à température élevée, selon l'invention avant d'en exposer la fabrication s'il y a lieu, et le fonctionnement. Dans ce qui suit, on décrit une canne thermoplongeante longiligne selon l'invention pour son application spécifique à la fusion et au maintien en température d'un bain d'aluminium. Il est clair que l'invention n'est pas limitée à cette application particulière. Une canne thermoplongeante longiligne selon l'invention comprend, essentiellement, un élément 10 électriquement conducteur, une gaine 20 creuse auxquels sont associés, au besoin, un fourreau 30, un joint 40 et un collier de serrage 50. La gaine creuse 20 est munie d'un fond 21 d'un seul tenant pour se présenter en doigt de gant, ou bien rapporté sur la gaine de toute manière appropriée connue, comme illustrée. Cette gaine 20, de préférence cylindrique, a une embouchure 22 fermée par un embout 23 avec un passage 230 pour la traversée d'un partie de l'élément 10 nécessaire en particulier à un raccordement électrique. S'il y a lieu, cette gaine porte à l'exté rieur des ailettes ou similaires appropriées pour favoriser et/ou améliorer les échanges thermiques. Pour le mode de réalisation de la Figure 1, l'élément électriquement conducteur 10 est une résistance électrique avec au moins deux bornes. De préférence, cette gaine est munie à l'extérieur et à proximité de l'embouchure 22 de la gaine 20, d'un fourreau 30 protecteur qui l'entoure étroitement sur une partie de sa longueur où sera située la surface libre du bain lorsque la canne sera plongée dans une masse de produits aptes à fondre. De préférence, le joint 40 approprié assure l'étanchéité entre gaine 20-fourreau 30 et l'atmosphère. Ce joint est, de préférence en graphite expansé. Le collier 50 de serrage maintient, de préférence de manière amovible, la partie du fourreau 30 proche de l'embouchure 22 de la gaine 20. La variante de réalisation illustrée sur la Figure 2 convient particulièrement bien pour le cas où l'élément électriquement conducteur 10 est une électrode avec une seule borne associée à une gaine 20 électriquement isolante. La gaine 20 est faite en un matériau non métallique contenant du carbone voire une céramique et supportant des températures au moins égales à 800"C, et pratiquement non corrodable par les produits en fusion dans lesquels elle est plongée. Ce matériau est choisi, par exemple, parmi le graphite, les composites carbone/carbone, les composites carbone/silicium-carbone, les composites silicium carbone/silicium-carbone, les céramiques de préférence massives. Les céramiques lorsqu'elles sont massives sont à base de nitrure de silicium, de nitrure de bore, de carbure de silicium, de SiAlON, d'alumine. Le matériau du fourreau 30 est choisi de préférence parmi une céramique à base de nitrure de silicium, de nitrure de bore, de carbure de silicium, l'alumine, le SiAlON. Le but essentiel du fourreau est d'assurer la protection de la canne thermoplongeante sur la partie de sa longueur où sera située la surface libre du bain. En effet, c'est sur -cette partie que se manifestent les phénomènes les plus corrosifs à l'égard de la canne, dûs en particulier à la présence de l'oxygène de l'air qui réagit notamment avec les laitiers le plus souvent basiques qui surnagent sur le bain de métal en fusion. C'est pourquoi, de préférence, le fourreau est amovible et fait en matériau(x) relativement peu coûteux. Le collier facilite le remplacement et l'échange du fourreau protecteur qui supporte l'essentiel des dégradations dues à l'oxydation, à la corrosion et aux dépôts de laitiers, particulièrement à l'interface bain/atmosphère. De préférence, la gaine et aussi s'il y a lieu le fourreau, sont traités en surface contre l'oxydation. Le joint en partie haute évite l'oxydation et les remontées de métal dans l'interstice gaine/fourreau. I1 sert aussi à la préhension. Une canne selon l'invention a par exemple une longueur de l'ordre de 900 à 1100 mm et un diamètre au moins égal à 70 mm environ. Selon la nature du matériau de la gaine, l'épaisseur de celle-ci est de l'ordre de 5 à 15 mm environ. Lorsque le matériau de la gaine est du graphite, on utilise de préférence un graphite dont la finesse de grain est de 5 ,um environ et la densité d'au moins 1,80. Un graphite qui convient est celui commercialisé par la société UNION CARBIDE ou par la société POCO sous la dénomination AXF 5Q. Lorsque le matériau de la gaine est un composite carbone/carbone, celui-ci est caractérisé par sa matrice en coke non graphitable. Des matériaux qui conviennent sont ceux commercialisés par la société CARBONE LORRAINE sous la dénomination A223 ou par la société SIGRI sous la dénomination 1501 G. Lorsque le matériau de la gaine est une céramique massive, des céramiques qui conviennent sont celles commercialisées par la société DEGUSSA sous la dénomination Mullite ou alumine pure à 80%. D'autres sont commercialisées par la société HITACHI sous la dénomination SiAlON, par la société ESK sous la dénomination SRBSN ou SiAlON, ou par la société KYOCERA sous la dénomination SiAlON ou RB20. D'autres à base de carbure de silicium qui conviennent sont celles commercialisées par les sociétés TOSHIBA, KANTHAL, CARBORANDUM par exemple. Un traitement de surface permettant de lutter contre la corrosion par l'oxygène est un revêtement obtenu par la technique "CVD" (Chemical Vapor Deposition) de carbure de silicium ou de carbure d'aluminium, ou bien un tube de céramique massive. On peut aussi utiliser un revêtement CVD de carbure de zirconium ou de carbure de titane. Avec une gaine en matériau céramique, la canne selon l'invention peut accepter un flux thermique de l'ordre de 5 à 6 W/cm2. Toutefois, il y a lieu de noter que ce type de gaine présente une sensibilité aux chocs non négligeable. En utilisant d'autres matériaux tel que ceux à base de carbone, une canne selon l'invention peut accepter des flux thermiques jusqu'à 40 W/cm2 environ. Il y a lieu de noter que la transmission du flux thermique à travers la gaine dépend, essentiellement, du matériau de celle-ci, de son épaisseur et de sa température. L'élément électriquement conducteur lorsqu'il est fait d'une résistance électrique est de tout type classique approprié. Des éléments qui conviennent sont par exemple commercialisés par les sociétés CESIWIO, KANTHAL, CARBORONDUM, SIGRI, , CARBONE-LORAINE. Lorsque l'élément électriquement conducteur est fait d'une électrode on utilise un graphite du type indiqué auparavant. Lorsque la canne est équipée d'une résistance électrique, le fourreau sert essentiellement à la protection de la gaine. Lorsque la canne joue le rôle de l'électrode, le fourreau assure aussi l'isolement électrique à l'égard du bain. Une canne selon l'invention présente l'avantage de pouvoir être montée indifféremment verticalement ou horizontalement et d'avoir une longévité de l'ordre de 8000 h, tout en présentant un petit gradient de température lorsqu'elle est plongée dans un milieu homogène. On observera, en outre, que lorsqu'une canne selon l'invention est équipée d'une résistance électrique avec des bornes, il est possible de changer celle-ci sans avoir à enlever la gaine ce qui est un avantage notable pour les techniques de fabrication à flux continu. Dans de telles circonstances, la durée d'un échange de résistance est de l'ordre de 30 min., y compris au besoin le rechargement en azote, si la canne est relativement accessible. On notera que outre les facilités de nettoyage, et de relative grande liberté du choix du matériau de la gaine, il est facile d'adapter la valeur ohmique d'une telle résistance pour la faire fonctionner sous des tensions différentes telles que celles disponibles sur les réseaux classiques de distribution d'énergie électrique, ou autres. Le fonctionnement résulte clairement de ce qui précède. Ce qui précède fait bien ressortir les particularités, les avantages et l'intérêt de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Canne thermoplongeante longiligne à alimentation électrique pour le chauffage de produits aptes à fondre à température élevée, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément (10) électriquement conducteur avec au moins une borne extérieure pour son raccordement électrique, une gaine (20) creuse avec un fond (21) clos et une embouchure (22) fermée par un embout (23) avec un passage (230) pour la traversée d'une partie de l'élément (10), et en ce que cette gaine (20) est faite en un matériau non métallique contenant du carbone voire une céramique et supportant des températures au moins égales à 800"C et pratiquement non corrodable par les produits en fusion dans lesquels elle est plongée. 2 - Canne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau de la gaine (20) est choisi parmi le graphite, les composites C/C, les composites C/SiC, les composites SiC/SiC, les céramiques massives. 3 - Canne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est munie à l'extérieur et à proximité de son embouchure (22), d'un fourreau (30) protecteur l'entourant étroitement sur une partie de sa longueur où sera située la surface libre d'une masse de produits fondus. 4 - Canne selon la revendication 3, caractérisée en ce que le fourreau (30) est choisi parmi une céramique à base de nitrure de silicium , de nitrure de bore, de carbone de silicium, l'alumine, le SiAlON. 5 - Canne selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce qu'un joint (40) notamment en graphite expansé assure l'étanchéité entre gaine (20)-fourreau (30) et l'atmosphère. 6 - Canne selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'un collier (50) de serrage maintient la partie du fourreau (30) proche de l'embouchure (22) de la gaine (20). 7 - Canne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la gaine (20) est en doigt de gant avec un fond (21) d'un seul tenant. 8 - Canne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le fond (21) est rapporté sur la gaine (20). 9 - Canne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est cylindrique. 10 - Canne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'élément (10) est une résistance électrique avec au moins deux bornes. 11 - Canne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'élément (10) est une électrode avec une borne et en ce que la gaine (20) est électriquement isolante. 12 - Canne selon la revendication 11, caractérisée en ce que le matériau de la gaine (20) est choisi parmi les céramiques de préférence massives à base de nitrure de silicium, de nitrure de bore, de carbure de silicium, de SiAlON, d'alumine. 13 - Canne selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le matériau de la gaine (20) voire du fourreau (30) est traité en surface contre l'oxydation. 14 - Application d'une canne conforme à l'une quelconque des revendications précédentes pour le chauffage et la fusion de l'aluminium.