Brevet FR2740258A1 — publié le 19970425

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une résistance chauffante pour four élec- trique, ainsi qu'à une résistance chauffante obtenue au moyen d'un tel procédé. On connaît des résistances chauffantes réalisées en matière céramique, telles que du chromite de lanthane. De telles résistances ont généralement la forme d'un barreau tubulaire, éventuellement coudé, constitué d'une partie chauffante fortement résistive, provoquant une dissipation de chaleur par effet Joule, lorsqu'elle est parcourue par un courant, et se prolongeant à chacune de ses extrémités par une partie électriquement conduc- trice assurant l'alimentation en courant de la partie chauffante et destinée à permettre la fixation mécanique de la résistance dans le four. Les parties résistives et électriquement conduc- trices sont actuellement fabriquées séparément par pressage d'un mélange de particules de matière céramique. La partie résistive chauffante et les bornes de raccordement ont des compositions différentes, et sont soudées postérieurement à l'opération de frittage. Leur liaison est par conséquent relativement fragile et donc peu fiable. L'invention vise à pallier cet inconvénient. Elle a donc pour objet un procédé de fabrication d'une résistance chauffante pour four électrique, compre- nant les étapes de: - remplissage d'un moule par un mélange de particules de matière céramique dopé destiné à former une partie résistive chauffante, - pressage des particules contenues dans le moule, - frittage des particules contenues dans le moule et pressées en vue d'assurer une cohésion entre lesdites particules du mélange, et - formation de bornes de raccordement électrique et de fixation mécanique pour la partie résistive chauf- fante, caractérisé en ce que ladite étape de formation desdites bornes est réalisée au cours de ladite étape de remplissage du moule, au cours de laquelle on introduit, dans le moule, une couche de formation de la partie résistive chauffante d'un premier mélange de particules de matière céramique faiblement dopé et destiné à former une phase électriquement résistive entre deux couches de formation de bornes d'un deuxième mélange de particules de matière céramique fortement dopé et destiné à former une phase électriquement conductrice et l'on procède à l'opération de frittage pour réaliser simultanément ladite partie résistive chauffante et les parties d'ex- trémité formant bornes de fixation mécanique et de raccordement électrique. L'invention peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes: - le procédé comporte en outre les étapes consis- tant à fabriquer des barreaux de matière céramique formant rallonge compatibles avec le matériau constitutif des bornes et à souder, après l'étape de frittage, un desdits barreaux sur chaque extrémité desdites bornes de fixation mécanique et de raccordement électrique pour la partie résistive; - l'étape de remplissage du moule consiste à disposer dans le moule un mélange de particules d'oxyde de lanthane, d'oxyde de chrome et de particules dopantes de carbonate de calcium, d'oxyde d'yttrium et d'oxyde de samarium; - ledit mélange de particules de matière cérami- que comporte en outre un liant pour assurer une adhésion entre les particules au cours de l'étape de pressage; - le procédé comporte en outre une étape de traitement thermique d'élimination dudit liant, préalable à l'étape de frittage; - le premier mélange comporte de 61 à 65% en poids d'oxyde de lanthane, de préférence 63,1%, de 29 à 32% en poids d'oxyde de chrome, de préférence 31,1%, et de 0 à 3,3% en poids de particules dopantes, de préfé- rence 1%, le reste comprenant ledit liant organique; - le deuxième mélange comporte de 46 à 62% en poids d'oxyde de lanthane, de préférence 55,7%, de 28 à 36% en poids d'oxyde de chrome, de préférence 32,2%, et de 3,3 à 22,5% en poids de particules dopantes, de préférence 8,4%, le reste comprenant ledit liant organi- que. L'invention a également pour objet une résistance chauffante pour four électrique, comprenant une partie résistive chauffante longitudinale prolongée à chaque extrémité par une borne de raccordement électrique et de fixation mécanique pour la partie chauffante, caractéri- sée en ce qu'elle est obtenue au moyen d'un procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, chaque zone de jonction entre ladite partie chauffante et une borne de fixation mécanique et de raccordement électrique corres- pondante comportant une concentration décroissante en particules électriquement conductrices en direction de la partie chauffante. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un moule utilisé pour la fabrication d'une résistance conformément au procédé selon l'invention; - la figure 2 est une vue de profil d'une résis- tance en cours de fabrication, obtenue après l'opération de pressage; - la figure 3 est une vue de profil d'une résis- tance chauffante fabriquée au moyen du procédé selon l'invention; et - la figure 4 est une vue schématique de profil d'un deuxième mode de réalisation d'une résistance chauffante obtenue au moyen du procédé selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un moule utilisé pour la fabrication de résistance chauffante en chromite de lanthane, désigné par la référence numérique 10. Dans la suite de la description, on supposera que les résistances à réaliser ont une forme cylindrique. Cependant, l'invention s'applique également à la fabrica- tion de résistances chauffantes de forme tubulaire rectiligne ou coudée, le moule ayant alors une forme correspondante. Le moule 10 a une forme cylindrique. Il comporte une enveloppe déformable 11 dans laquelle est placé un mandrin central 12 muni à une de ses extrémités d'un bouchon de centrage 14 obturant une extrémité correspon- dante du moule 10, dont l'autre extrémité est munie d'un dispositif de remplissage 16, de type connu. Le moule 10 est complété par un support 18 constitué par une gaine de maintien du moule 10 en position verticale pour son remplissage. La première étape du procédé de fabrication de la résistance chauffante consiste à préparer un premier mélange de particules de matière céramique constitué d'un mélange d'oxyde de lanthane, d'oxyde de chrome et de particules dopantes à très faible concentration destiné à former une phase électriquement conductrice à très faible concentration, et à préparer un deuxième mélange de particules de matière céramique, sensiblement identi- que au premier mélange, mais comportant une concentration plus élevée en particules dopantes pour former une phase électriquement conductrice. On conçoit que le deuxième mélange ayant une concentration en éléments dopants plus élevée, il pré- sente une résistivité plus faible que celle du premier mélange. Avantageusement, le premier mélange est constitué d'oxyde de lanthane, dans une proportion allant de 61 à 65% en poids du mélange, de préférence 63,1%, d'oxyde de chrome, dans une proportion allant de 29 à 32% en poids, de préférence 31,1%, et de particules dopantes destinées à former une phase électriquement résistive, constituées de carbonate de calcium, d'oxyde d'yttrium et d'oxyde de samarium présentes dans le mélange dans une proportion allant de 0 à 3, 3% en poids, de préférence 1% le reste du mélange est constitué par un liant organique ou par des composés de remplissage de type connu. Par ailleurs, le deuxième mélange est constitué d'oxyde de lanthane, dans une proportion allant de 46 à 62% en poids du mélange, de préférence 55,7%, d'oxyde de chrome, dans une proportion allant de 28 à 36% en poids, de préférence 32,2%, de particules dopantes destinées à former une phase électriquement conductrice, également constituées de carbonate de calcium, d'oxyde d'yttrium et d'oxyde de samarium dans une proportion allant de 3,3 à 22,5%, de préférence 8,4%, le reste étant constitué par un liant organique ou des composés de remplissage égale- ment de type connu. Les premier et deuxième mélanges, entrant dans la constitution de la résistance chauffante, sont introduits dans le moule 10 au moyen du dispositif de remplissage 16 de la manière suivante. On introduit tout d'abord dans le moule 10 le deuxième mélange, selon une hauteur prédéterminée, comme représenté sur la figure 1, sur laquelle la référence numérique 19 désigne la couche du deuxième mélange introduite dans le moule 10. On introduit ensuite le premier mélange, également selon une hauteur prédétermi- née, que l'on recouvre d'une autre couche du second mélange. On obtient ainsi une couche du premier mélange disposée entre deux couches du deuxième mélange de manière à former dans la résistance une partie chauffante fortement résistive prolongée à chacune de ses extrémités par une partie électriquement conductrice formant borne de fixation mécanique et de raccordement électrique de la partie chauffante. Il est à noter qu'au cours de cette étape de remplissage, il se produit une diffusion de particules dopantes de la zone fortement dopée en direction de la zone faiblement dopée. On obtient ainsi des zones de jonction entre la partie chauffante et les bornes de fixation mécanique et de raccordement électrique compre- nant une concentration décroissante en particules conduc- trices en direction de la partie résistive chauffante. On conçoit qu'au cours du procédé de fabrication de la résistance chauffante les particules dopantes réagissent avec les matériaux constitutifs de la matière céramique pour former des particules électriquement conductrices selon des concentrations différentes pour la partie résistive et les parties conductrices. Au cours de l'étape suivante, les particules de matière céramique placées dans le moule sont soumises à une étape de pressage visant à mettre en forme le cylin- dre de chromite de lanthane par compression des particu- les sur le mandrin métallique 12 à l'intérieur de l'enve- loppe déformable 11. Le moule rempli est fermé de matière étanche puis plongé dans une chambre de compression contenant de l'huile ou en variante de l'eau. Lorsque la pression augmente dans la chambre, l'huile transmet cette pression sur le moule qui se déforme et transmet à son tour la pression aux particules. Ces dernières sont comprimées, par exemple jusqu'à une pression de 1000 bars. On obtient ainsi, après démoulage, un cylindre, dont la structure est représentée sur la figure 2, comprenant une partie chauffante 20, fortement résistive se prolongeant à chacune de ses extrémités par une borne de faible résistivité, désignée par les références 22 et 24, et destinée à assurer une fixation mécanique de la résistance et l'alimentation en courant de la partie chauffante 20, avec interposition de zones de jonction, désignées respectivement par les références 26 et 28, comprenant une concentration décroissante en carbonate de calcium en direction de la partie chauffante 20. Il est à noter que chaque séparation entre une partie résistive et une partie conductrice est une séparation fictive qui n'est en fait pas visible. On voit également sur cette figure 2 que l'on peut doter la résistance mécanique d'une zone de préhen- sion 30 prolongeant l'extrémité libre d'une des bornes de fixation mécanique, telle que 22, réalisée à partir de particules de matière céramique, et dont la constitution est identique à celle de la partie chauffante 20. Dans ce cas, il se forme une zone de jonction 32 interposée entre la zone de préhension 30 et la partie de fixation mécani- que correspondante 22, ayant une concentration croissante en carbonate de calcium en direction de celle-ci. La zone de préhension 30 est munie d'un trou 34 pour le passage d'une goupille en vue du maintien de la résistance au cours des étapes ultérieures du procédé. Il est à noter que, de par la géométrie du moule, les extrémités de la résistance ont, à ce stade, une forme évasée. Ces zones évasées seront par la suite tronçonnées comme cela sera décrit par la suite. On soumet ensuite la résistance chauffante à un traitement thermique constitué de plusieurs étapes au cours desquels on soumet la résistance à des températures allant jusqu'à 1100 C par paliers, de manière à assurer une dégradation du liant en vu de son élimination. On soumet ensuite la résistance à une étape de frittage permettant de résorber la porosité de la résis- tance et d'obtenir une cohésion entre les particules entrant dans sa constitution. Cette étape de frittage est réalisée en fixant une goupille à la zone de préhension et en insérant la résistance dans un four adapté pour soumettre la résistance à des températures allant jusqu'à 1750 C sans air. La résistance ainsi rigidifiée est ensuite soumise à une étape de finition au cours de laquelle on la découpe de manière à éliminer d'une part la zone de préhension 30 ainsi que la zone de jonction 32 correspon- dante et d'autre part l'extrémité libre de la borne de fixation mécanique 24 opposée. On projette ensuite un dépôt métallique sur les deux extrémités libres des bornes de la résistance pour permettre une connexion électrique efficace. On obtient ainsi une résistance, représentée sur la figure 3 comprenant une partie fortement résistive 36 reliée par des zones de jonction 38 et 40 à deux bornes de fixation mécanique et de raccordement électrique 42 et 44, dont les extrémités libres 46 et 48 sont métallisées. En variante, et comme représenté sur la figure 4, pour augmenter la taille de la résistance, par exemple pour obtenir des résistances de longueur supérieure à 700 mm il est possible de prévoir une partie centrale chauffante 50 de plus grande dimension encadrée de deux zones de jonction 52 et 54 avec des bornes de fixation mécanique 56 et 58 de longueur plus faible. Dans ce cas, on fabrique des rallonges consti- tuées de barreaux de matière céramique fortement dopée et formant une phase électriquement conductrice, de composi- tion identique à celle des bornes, par moulage, pressage et frittage, comme mentionné précédemment. Les bornes de fixation mécanique 56 et 58 forment chacune un embout sur lequel est soudée une rallonge, 60 et 62 dont les extrémités, respectivement 64 et 66 sont également de préférence métallisées. On conçoit que les rallonges ayant une composi- tion compatible à celle des bornes, c'est-à-dire ayant un même coefficient de dilatation, la soudure est très fiable. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une résistance chauffante pour four électrique, comprenant les étapes de: - remplissage d'un moule (10) par un mélange de particules de matière céramique dopé destiné à former une partie résistive chauffante (20,36;50), - pressage des particules contenues dans le moule, - frittage des particules contenues dans le moule et pressées en vue d'assurer une cohésion entre lesdites particules du mélange, et - formation de bornes (22,24,42,44;56,58) de raccordement électrique et de fixation mécanique pour la partie résistive chauffante (20,36;50), caractérisé en ce que ladite étape de formation desdites bornes est réalisée au cours de ladite étape de remplissage du moule (10), au cours de laquelle on introduit, dans le moule (10), une couche de formation de la partie résistive chauffante (20,26;50) d'un premier mélange de particules de matière céramique faiblement dopé et destiné à former une phase électriquement résis- tive entre deux couches de formation de bornes d'un deuxième mélange de particules de matière céramique fortement dopé et destiné à former une phase électri- quement conductrice et l'on procède à l'opération de frittage pour réaliser simultanément ladite partie résistive chauffante (20,36; ) et les parties d'extrémité formant bornes (22,24,42, 44;56,58) de fixation mécanique et de raccordement électrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes consistant à fabriquer des barreaux de matière céramique formant rallonge compatibles avec le matériau constitutif des bornes et à souder après l'étape de frittage, un desdits barreaux (60,62) sur chaque extrémité desdites bornes (56,58) de fixation mécanique et de raccordement électri- que pour la partie résistive. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étape de remplissage du moule consiste à disposer dans le moule (10) un mélange de particules d'oxyde de lanthane (La203), d'oxyde de chrome (Cr203) et de particules dopantes de carbonate de calcium (CaCO3), d'oxyde d'yttrium (Y203) et d'oxyde de samarium (Sm203). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que ledit mélange de particules de matière céramique comporte en outre un liant pour assurer une adhésion entre les particules au cours de l'étape de pressage. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de traitement thermique d'élimination dudit liant, préalable à l'étape de frittage. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le premier mélange comporte de 61 à 65% en poids d'oxyde de lanthane, de préférence 63,1%, de 29 à 32% en poids d'oxyde de chrome, de préférence 31,1%, et de 0 à 3,3% en poids de particules dopantes, de préférence 1%, le reste comprenant ledit liant organique. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le deuxième mélange comporte de 46 à 62% en poids d'oxyde de lanthane, de préférence 55,7%, de 28 à 36% en poids d'oxyde de chrome, de préférence 32,2%, et de 3,3 à 22,5% en poids de particules dopantes, de préférence 8,4%, le reste comprenant ledit liant organique. 8. Résistance chauffante pour four électrique, comprenant une partie résistive chauffante (20,36;50) longitudinale prolongée à chaque extrémité par une borne (22,24,42,44;56,58) de raccordement électrique et de fixation mécanique pour la partie résistive chauffante, caractérisée en ce qu'elle est obtenue au moyen d'un procédé de fabrication selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7. 9. Résistance chauffante selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque zone de jonction entre ladite partie résistive chauffante (20, 36;50) et une borne (22,24,42,44;56,58) de fixation mécanique et de raccordement électrique correspondante comporte une concentration décroissante en particules électriquement conductrices en direction de la partie chauffante (20, 36;50).