Brevet FR2898460A1 — publié le 20070914

Thermoplongeur électrique pour bains de métaux liquides Domaine de l'invention La présente invention concerne les thermoplongeurs électriques destinés à maintenir en fusion un bain de métal liquide. Par métal liquide, nous entendons tous les métaux purs (aluminium, magnésium, zinc, plomb, étain...) mais également tous leurs alliages dont la température de fusion est généralement comprise entre 200 et 1000 C. Exposé de l'art antérieur Les thermoplongeurs électriques sont déjà largement utilisés dans l'industrie afin de maintenir à température constante des fours de fusion. Ils se présentent pour la plupart sous la forme d'un élément axisymétrique placé verticalement dans le four. Ils sont généralement suspendus par la paroi supérieure du four. Le thermoplongeur comporte une zone chauffante qui doit être immergée dans le produit à chauffer et une zone non chauffante permettant de faire le lien entre la zone chauffante et le boîtier d'alimentation électrique. La partie inférieure du thermoplongeur étant plongée dans le liquide, elle est nécessairement fermée et étanche, par conséquent toutes les connections électriques se font par la partie supérieure du thermoplongeur. La zone chauffante comporte un élément chauffant interne porté à haute température par le passage d'un courant électrique. Cet élément chauffant interne transmet sa chaleur à une gaine constituant le corps du thermoplongeur, qui transmet à son tour la chaleur au métal ou à l'alliage en fusion. Les principales caractéristiques de ce type de refroidisseur concernent la température de fonctionnement élevée (par exemple de l'ordre de 800 C au niveau de la gaine dans le cas d'un bain d'aluminium liquide), la densité de puissance élevée au niveau de la zone chauffante et la forte agressivité chimique des bains de métal en fusion (notamment à proximité de l'interface libre des matériaux fondus). Cette agressivité impose l'emploi de matériaux spécifiques pour la réalisation de la gaine : carbure de silicium, sialon, nitrure de silicium, composite carbone/carbone, graphite, alumine, nitrure de bore, ... Par exemple, la demande française 272088 décrit le cas du nitrure d'aluminium utilisé soit en tant que matériau massif pour la réalisation de la gaine, soit en tant que revêtement sur un substrat standard. Le brevet australien AU-B-52441/86 reprend le même concept en cherchant à appliquer un revêtement protecteur ayant le même coefficient de dilatation que le métal constituant la gaine ce qui permet de résister aux contraintes de dilatations différentielles. Les éléments chauffants sont généralement réalisés sous la forme d'un fil métallique résistif (demandes françaises FR-A-2623043, 2641930), d'un élément en carbone placé dans une atmosphère inerte afin d'éviter son oxydation à haute température (demandes françaises FR-A-2864416, 2622382, 2559886, brevet européen EP0510701A2), d'un matériau de type semi-conducteur placé entre deux électrodes (brevet US 4039737). Les matériaux doivent permettre de supporter une température de fonctionnement en continu de l'ordre de 1000 à 1200 C au niveau du fil résistif. C'est la raison pour laquelle on retrouve, dans les résistances de type métallique, les alliages à base de nickel-chrome, de tungstène ou de molybdène. Les résistances à base de carbure de silicium ou de bisiliciure de molybdène peuvent être utilisées sous une atmosphère oxydante (air) tandis que le carbone ou les composites à base de carbone nécessitent de fonctionner sous une atmosphère neutre ou réductrice. Cependant l'utilisation de résistances non métalliques nécessite généralement l'emploi de transformateur électrique permettant d'adapter les caractéristiques du réseau principal à celles de la résistance. Ce point est d'autant plus crucial que certains éléments chauffants présentent des variations de résistance en fonction de la température mais également en cours de vieillissement (notamment les carbures de silicium). Résumé de l'invention La présence invention vise un thermoplongeur de forme allongée permettant de chauffer des bains de métal liquide tout en supportant les contraintes liées à ces bains (température de fonctionnement élevée, résistance au chocs thermiques, résistances à la corrosion, durée de vie importante). Un autre objet de l'invention consiste à utiliser une résistance électrique de type métallique permettant une alimentation électrique directe du thermoplongeur à partir du réseau principal sans utilisation de transformateur. Un autre objet de l'invention est de pouvoir proposer un branchement permettant 25 une alimentation directe du thermoplongeur sous un réseau triphasé. Un autre objet de l'invention est d'assurer une durée de vie suffisante et une fiabilité permettant l'utilisation du thermoplongeur dans un cadre industriel. Dans ce but, la présente invention prévoit la mise en place d'une résistance électrique métallique sur une âme réfractaire. Deux zones peuvent alors être considérées : - une zone chauffante sur laquelle la résistance est enroulée en hélicoïde. Cette résistance peut être constituée d'un seul fil pour une alimentation sous une tension monophasée ou de trois fils reliés en un point commun permettant une alimentation sous une tension triphasée. Dans ce cas les 3 fils décrivent trois hélicoïdes imbriquées les unes dans les autres. une zone froide sur laquelle le fil métallique est placé dans l'axe longitudinal du thermoplongeur et pour laquelle le fil métallique a une valeur ohmique plus faible que dans la zone froide. Cette zone froide permet de faire le lien électrique entre le réseau électrique externe et la zone chauffante. Le matériau constituant l'âme doit être réfractaire afin de supporter la température maximale des fils métalliques lors du fonctionnement, isolant électrique afin de ne pas mettre les fils métalliques en court circuit et conducteur thermique afin de favoriser le refroidissement des fils métalliques constituant la résistance. L'ensemble ainsi constitué est placé dans une gaine en céramique ou en métal avec revêtement protecteur. Cette gaine est ensuite placée dans le métal en fusion afin de maintenir ce dernier en température. Le diamètre extérieur de l'âme réfractaire équipée des fils résistifs étant inférieur au diamètre intérieur de la gaine, il est nécessaire de placer un matériau conducteur thermique et isolant électrique entre l'âme et la gaine. Ce matériau doit également supporter la température de fonctionnement des fils résistifs et être compatible avec les différents matériaux employés. II peut, par exemple, être obtenu par compactage d'une poudre réfractaire et thermiquement conductrice. Il est essentiel d'assurer un bon transfert thermique par conduction entre les fils et la gaine sinon les échanges thermiques auront lieu essentiellement par rayonnement avec pour conséquence une forte augmentation de la température du fil pouvant conduite à sa destruction (surchauffe, fusion...). Par ailleurs, ce transfert thermique doit être stable dans le temps afin d'assurer une durée de vie suffisante au produit. Le transfert thermique ne doit pas se dégrader sous l'effet des cycles thermiques et des écarts de dilatation différentielle entre les différents matériaux. L'âme réfractaire pourra être percée longitudinalement en son centre sur une partie de sa longueur afin de recevoir un thermocouple permettant une mesure de température de l'élément chauffant. Cette mesure peut être utilisée pour la régulation en température du bain de métal en fusion ou pour un contrôle des surchauffes du thermoplongeur. La partie supérieure du thermoplongeur doit ensuite être fermée de manière étanche afin d'empêcher l'humidité, ou d'autres pollutions, d'entrer dans le thermoplongeur. Cette fermeture peut avantageusement être réalisée avec un mastic silicone ou acrylique permettant d'obtenir une bonne étanchéité avec la gaine et les fils d'amenée de courant tout en ayant une bonne tenue en température. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'exemples de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 donne une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation classique d'un thermoplongeur dans le cas d'une alimentation monophasée ; la figure 2 donne une vue en coupe du thermoplongeur suivant la ligne II-II de la figure 1 ; la figure 3 donne une vue en coupe du thermoplongeur suivant la ligne IV-IV de la figure 1 ; la figure 4 donne une vue en perspective de l'âme réfractaire sur la partie 30 chauffante dans le cas d'une alimentation monophasée ; la figure 5 donne une vue en perspective de l'âme réfractaire sur la partie chauffante dans le cas d'une alimentation triphasée ; la figure 6 donne une vue en perspective de l'âme réfractaire au niveau de la zone de transition dans le cas d'une alimentation monophasée ; la figure 7 donne une vue en perspective du thermoplongeur au niveau de la transition entre zone chauffante et zone froide dans le cas d'une alimentation monophasée. Description détaillée 10 La figure 1 présente, à titre d'exemple, une coupe d'un thermoplongeur dans le cas où ce dernier est alimenté par une source monophasée. Ce thermoplongeur est destiné à être monté sur un four ou une poche contenant le métal en fusion 6. Ce 15 métal 6 a préférentiellement un point de fusion compris entre 200 C et 1000 C. II s'agit usuellement d'aluminium, de magnésium, de plomb ou de zinc ainsi que de leurs alliages respectifs. Le thermoplongeur est habituellement monté sur la paroi supérieure du four 5 mais des implantations en face latérales ou inférieures sont également permises. Le thermoplongeur comporte deux zones sur sa longueur : 20 une zone chauffante (partie chaude) Lc qui doit nécessairement être immergée dans le métal en fusion 6 sous peine d'entraîner une destruction du thermoplongeur. La distance minimale entre la surface libre du liquide et le haut de la zone chauffante doit être de 3 à 6 cm. - une zone non chauffante (partie froide) Lf permettant de faire le lien entre la 25 zone chauffante Lc et l'alimentation électrique 7. La température le long de cette zone froide Lf, varie de la température de fonctionnement à la température ambiante. La puissance dissipée par le thermoplongeur sur cette zone froide Lf doit être aussi faible que possible afin d'éviter des surchauffes du thermoplongeur lorsque ce dernier est dans l'air ou dans un 30 manchon isolant comme par exemple lors de la traversée de la paroi 5. L'élément chauffant 8 du thermoplongeur est constitué d'une âme 9 en matériau réfractaire supportant le fil résistif 10 et les fils d'amenée de courant 16. Cette âme 9 comporte deux zones sur sa longueur : une zone sur laquelle sont réalisées des rainures hélicoïdales. Cette zone correspond à la zone chauffante Lc du thermoplongeur. - une zone sur laquelle sont réalisées des rainures droites. Cette zone correspond à la zone froide Lf du thermoplongeur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, cette âme 9 est réalisée en céramique ayant une bonne tenue aux chocs thermiques et une bonne tenue à la température comme par exemple du nitrure de bore, de l'alumine, du nitrure d'aluminium, du carbure de silicium... Dans le cas d'un bain d'aluminium en fusion, la température du bain étant de 750 C environ, la température du fil chauffant 10 sera de l'ordre de 1000 à 1050 C. Le matériau choisi doit donc supporter ce niveau de température en continu. Différents procédés peuvent être envisagés pour la réalisation de cette âme (par exemple l'usinage, le moulage ou le pressage isostatique). Le procédé sera retenu en fonction du matériau et en en fonction du nombre de pièce à réaliser. Comme les fils chauffants 10 sont enroulés sur l'âme 9, il est nécessaire que cette âme soit électriquement isolante afin d'éviter les courts circuits entre les fils 10. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention il est possible d'utiliser une âme en métal réfractaire à condition d'appliquer un dépôt sur cette âme afin de réaliser l'isolation électrique pour des tensions usuelles de quelques centaines de Volt. Ce dépôt peut, par exemple, être à base d'alumine, de silice, de nitrure d'aluminium ou de carbure de silicium. Le coefficient de dilation du matériau constituant le dépôt doit être proche de celui du matériau constituant l'âme afin d'éviter l'apparition de craquelures ou de fissures au cours du temps qui pourraient nuire à l'isolation électrique des fils résistifs 10 et donc nuire à la durée de vie du thermoplongeur. Le fil résistif 10 est placé dans les rainures hélicoïdales de l'âme 9. Ce fil résistif 30 est de préférence de nature métallique comme par exemple à base de nickel/chrome, de tungstène ou d'alliage de chrome... Le fil d'amenée de courant 16 est placé dans les rainures droites de l'âme 9. Ce fil d'amenée de courant est également de préférence de nature métallique (chrome, nickel, cuivre ....). L'élément chauffant 8 ainsi constitué est placé dans une gaine 11 partiellement immergée dans le métal en fusion 6. Cette gaine doit résister à des températures proches de 1000 C, être bonne conductrice thermique afin d'assurer un bon transfert thermique entre l'élément chauffant 8 et le métal en fusion 6 et être compatible avec les bains de métaux fondus dans lesquels elle est plongée. A titre d'exemple, les matériaux constituant cette gaine peuvent être des composés à base de : carbure de silicium, sialon, nitrure de silicium, alumine, composite carbone/carbone, graphite, nitrure de bore... De plus cette gaine ne doit pas être poreuse afin d'éviter la pénétration de l'alliage dans le thermoplongeur. Le diamètre externe de l'élément chauffant 8 étant inférieur au diamètre interne de la gaine 11, il est nécessaire de combler l'espace annulaire ainsi créé par un matériau 12 réfractaire, isolant électrique et bon conducteur thermique permettant d'assurer le transfert thermique entre les fils résistifs 10 et la gaine 11. Ce matériau 12 peut avantageusement être obtenu sous la forme d'une poudre céramique, compactée, permettant un contact intime avec les fils résistifs 10 et avec la gaine 11. A titre d'exemple, ce matériau 12 peut être obtenu à partir d'une poudre de nitrure de bore, de nitrure d'aluminium ou de magnésie. L'âme réfractaire 9 peut être percée longitudinalement par un trou 13 permettant le passage d'un thermocouple 14. Ce thermocouple 14 peut être positionné de préférence au niveau de la partie supérieure de la zone chauffante Lc. La mesure de température peut être utilisée par exemple pour réguler le bain en température ou pour protéger le thermoplongeur de surchauffes éventuelles notamment lors de l'ouverture du four où en cas d'abaissement du niveau de métal liquide au-dessous de la zone chauffante. La partie supérieure du thermoplongeur comporte une fermeture 15 permettant de faire une étanchéité de l'élément chauffant par rapport au milieu extérieur afin de le protéger contre toute pollution (poussière, humidité) qui pourrait réduire sa durée de vie. Compte tenu de l'environnement du thermoplongeur et de sa position au-dessus du four, la température peut atteindre une centaine de degré. II est donc conseiller d'utiliser un matériau de type mastic silicone ou acrylique afin de s'assurer de cette étanchéité. La liaison entre le réseau électrique principal 7 et les amenées de courant 14 est 5 effectué selon les règles de l'art avec des fils électriques standards connectés aux amenées 14 par l'intermédiaire de manchon 16. La figure 2 donne une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. Cette coupe est donc réalisée au niveau de le zone chauffante Lc du thermoplongeur. L'âme 9 10 comporte des rainures hélicoïdales 20 à l'intérieur desquelles est placé le fil résistif 10. L'ensemble est placé dans la gaine 11. Le jeu annulaire est rempli du matériau réfractaire 12 (isolant électrique et conducteur thermique). A titre d'exemple, le diamètre intérieur de la gaine 11 est de 16 mm, le diamètre de l'âme 9 est de 13 mm et les fils chauffants ont un diamètre de 0,5 mm. Le jeu annulaire rempli par 15 le matériau réfractaire 12 a donc un rayon de 1,5 mm. L'utilisation d'une poudre compactée est particulièrement pertinente puisqu'elle permet un contact intime avec la gaine 11 d'une part, mais aussi avec le fil résistif 10 : la poudre compactée, utilisée en tant que matériau réfractaire 12, permet d'assurer un bon contact thermique entre le fil résistifs 10 et l'âme 9 au niveau des rainures hélicoïdales 20. 20 Ce bon contact permet de réduire les points chauds au niveau du fil et donc d'assurer une durée de vie suffisante et une fiabilité permettant l'utilisation du thermoplongeur dans un cadre industriel. 25 La figure 3 donne une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 1. Cette coupe est donc réalisée au niveau de la longueur froide Lf du thermoplongeur. L'âme 9 comporte des rainures droites 21 à l'intérieur desquelles sont placés les fils d'amenée de courant 16 permettant de faire la liaison électrique entre le fil résistif 10 de la zone chauffante Lc et l'extérieur du thermoplongeur. Le fil 16 peut être de 30 même nature que le fil 10. Cependant, la puissance thermique dissipée sur la zone froide doit être aussi faible que possible car le thermoplongeur n'est pas immergé dans le métal. Par conséquent, la résistance électrique du fil d'amenée de courant 16 doit être aussi faible que possible. Il est donc préférable d'avoir un fil 16 de nature différente de celle du fil 10, par exemple du cuivre ou du molybdène (métaux bons conducteurs électriques), ou un fil ayant une section nettement supérieure à celle du fil 10 (par exemple un diamètre de 2 mm). Ces deux paramètres peuvent être conjugués afin de diminuer au maximum la résistance des fils d'amenée 16. La figure 4 donne une vue en perspective de l'âme 9 au niveau de la longueur chauffante dans le cas d'une alimentation électrique en monophasé. L'âme 9 comporte 2 rainures hélicoïdales 20a et 20b recevant les fils résistifs 10. Les dimensions des rainures 20 (pas, profondeur, largeur) peuvent être ajustées aux dimensions des fils 10 afin d'ajuster les performances du thermoplongeur aux caractéristiques électriques de la source et aux besoins de l'utilisateur. Le fil résistif 10 est placé dans les rainures. A l'extrémité de l'âme 9, les fils résistifs placés dans chaque rainure 20a et 20b sont reliés afin d'assurer la continuité électrique. La figure 5 donne une vue en perspective de l'âme 9 au niveau de la longueur froide dans le cas d'une alimentation électrique en triphasé. L'âme 9 comporte 3 rainures hélicoïdales 20a, 20b et 20c recevant les fils résistifs 10. Ces trois rainures indépendantes, dont les dimensions sont également ajustées en fonction des performances demandées au thermoplongeur, permettent de recevoir les fils résistifs 10. Afin de réaliser un montage de type étoile sous un réseau triphasé, les 3 fils placés dans les trois rainures hélicoïdales 20 sont reliés entre eux à l'extrémité de l'âme 9 (par exemple par frettage ou par soudure). La figure 6 donne une vue en perspective de l'âme 9 au niveau de la zone froide dans le cas d'une alimentation électrique en monophasé. Cette âme comporte deux rainures droites 21a et 21b permettant de recevoir les fils d'amenée de courant 16. Ces deux rainures 21 sont judicieusement réparties sur la périphérie de l'âme 9 afin d'être alignées avec les rainures hélicoïdales 20 lorsque les zones chaude et froide sont reliées. Le même principe est utilisé pour les liaisons entre les deux zones dans le cas 5 d'une alimentation en triphasé. 10 Revendications 1. Thermoplongeur électrique, notamment pour bain de métal en fusion, caractérisé en ce qu'il contient : - une âme, réfractaire, isolante électrique et conductrice thermique comportant des rainures de forme hélicoïde sur la partie chauffante du thermoplongeur, de forme longitudinale sur la partie non chauffante, une résistance métallique est placée dans les rainures hélicoïdales de l'âme au niveau de la zone chauffante du thermoplongeur, - des fils d'amenée de courant placés dans les rainures longitudinales de 15 l'âme au niveau de la zone froide du thermoplongeur. - une gaine externe en matériau réfractaire, inerte vis à vis des métaux en fusion, - un moyen de transfert, de préférence une poudre de nitrure de bore compactée, permettant d'assurer le transfert thermique entre l'âme 20 réfractaire comportant l'élément chauffant et la gaine externe. 2. Thermoplongeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'âme réfractaire comporte deux rainures en hélicoïde permettant une alimentation 25 électrique en monophasé. 3. Thermoplongeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'âme réfractaire comporte trois rainures en hélicoïde avec un point commun en 30 extrémité de zone chauffante permettant une alimentation électrique en triphasé (montage en étoile). 4. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'âme réfractaire est réalisée en céramique obtenue par usinage, pressage ou moulage. 5. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'âme réfractaire est de nature métallique mais revêtue d'un dépôt réfractaire et isolant électrique permettant d'assurer l'isolement des fils résistifs même sous l'effet des cycles thermiques et des niveaux de température élevés. 6. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les rainures longitudinales présentes sur la partie non chauffante de l'âme, ont une section supérieure à celles rencontrée sur la partie chauffante, afin de pourvoir augmenter la section des fils résistifs et ainsi réduire l'échauffement thermique au niveau de la zone non chauffante. 7. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau constituant les fils dans la zone froide est de nature différentes de celui constituant les fils de la zone chauffante. 8. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'âme comporte un trou dans son axe longitudinal permettant la mise en place d'un thermocouple pour la mesure de la température de la zone chauffante. 30 9. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'âme réfractaire se présente sous la forme d'un tube pour des applications où la gaine externe du thermoplongeur est de grand diamètre. 5