FR3149746A1 - COMPARTMENTAL IMMERSION HEATER WITH ELECTRICALLY INSULATING CERAMIC POWDER - Google Patents
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Abstract
Un thermoplongeur (100) configuré pour être mis en contact avec une matière à chauffer (90), notamment un métal non ferreux en fusion, qui comporte :- une gaine (120) délimitant un premier compartiment (150) au moins en partie rempli de poudre électriquement isolante (130), ladite gaine étant configurée pour être mise en contact avec la matière à chauffer,- une paroi (140) disposée à l’intérieur du premier compartiment (150) et délimitant au moins un deuxième compartiment (145), ce dernier pouvant rester vide de matière solide ou pouvant être rempli au moins en partie d’un matériau inerte, - une pluralité d’éléments chauffants (115, 116) disposés dans ladite poudre céramique électriquement isolante (130), entre ladite gaine (120) et ladite paroi (140). Figure pour l’abrégé : [Fig 1] An immersion heater (100) configured to be placed in contact with a material to be heated (90), in particular a molten non-ferrous metal, which comprises: - a sheath (120) delimiting a first compartment (150) at least partly filled with electrically insulating powder (130), said sheath being configured to be placed in contact with the material to be heated, - a wall (140) arranged inside the first compartment (150) and delimiting at least one second compartment (145), the latter being able to remain empty of solid material or being able to be filled at least partly with an inert material, - a plurality of heating elements (115, 116) arranged in said electrically insulating ceramic powder (130), between said sheath (120) and said wall (140). Figure for the abstract: [Fig 1]
Description
La présente invention relève du domaine des équipements de fonderie et concerne surtout la fonderie des métaux non ferreux présentant un point de fusion relativement bas, typiquement au-dessous de 1100 °C.The present invention relates to the field of foundry equipment and relates in particular to the foundry of non-ferrous metals having a relatively low melting point, typically below 1100°C.
L’invention vise un thermoplongeur électrique pour maintenir à l’état liquide un bain de métal préalablement fondu ou pour fondre un lot de métal solide, notamment des alliages ou métaux non alliés d’aluminium, de magnésium ou de zinc.The invention relates to an electric immersion heater for maintaining a previously melted metal bath in a liquid state or for melting a batch of solid metal, in particular alloys or non-alloyed metals of aluminum, magnesium or zinc.
Dans le contexte des équipements de fonderie, on appelle thermoplongeur électrique un dispositif électrique qui comporte une zone chauffante destinée à être mise au contact d’un bain de métal liquide à chauffer, et une zone non chauffante permettant de faire le lien entre la zone chauffante et un boîtier d'alimentation électrique.In the context of foundry equipment, an electric immersion heater is an electrical device that includes a heating zone intended to be placed in contact with a bath of liquid metal to be heated, and a non-heating zone providing a connection between the heating zone and an electrical power supply unit.
Dans un atelier de fonderie, l’utilisation la plus courante d’un thermoplongeur vise à maintenir en température un métal en fusion, préalablement fondu au moyen d’un four à gaz par exemple. À titre d’exemple, ce maintien en température peut se faire dans une poche de traitement de métal liquide, lors du dégazage ou de la filtration du métal liquide. Selon une application plus récente, conçue par la société requérante, un thermoplongeur peut être utilisé pour fondre du métal à l’état solide et éventuellement pour maintenir en température le métal en fusion ainsi obtenu.In a foundry workshop, the most common use of an immersion heater is to maintain the temperature of a molten metal, previously melted using a gas furnace for example. For example, this temperature maintenance can be done in a liquid metal treatment ladle, during degassing or filtration of the liquid metal. According to a more recent application, designed by the applicant company, an immersion heater can be used to melt metal in the solid state and possibly to maintain the temperature of the molten metal thus obtained.
Des thermoplongeurs destinés à chauffer un bain de métal liquide sont connus depuis des décennies, par exemple de GB 1 027 163, FR 2 720 888, ils comprennent en règle générale un ou plusieurs éléments chauffants placés dans une gaine cylindrique qui les séparent du bain qu’il doivent chauffer. Comme enseigné par FR 2 699 038 la gaine peut être réalisée en en matériau céramique inerte, par exemple en nitrure de silicium, nitrure de bore, SiAlON, carbure de silicium. L’élément chauffant peut être réalisé sous la forme d’une céramique chauffante, en SiC par exemple, comme cela est connu de WO 2005/060314, ou en graphite, comme décrit dans FR 2 559 886 et FR 2 622 382.Immersion heaters for heating a bath of liquid metal have been known for decades, for example from GB 1 027 163, FR 2 720 888, they generally comprise one or more heating elements placed in a cylindrical sheath which separates them from the bath which they are to heat. As taught by FR 2 699 038 the sheath can be made of an inert ceramic material, for example silicon nitride, boron nitride, SiAlON, silicon carbide. The heating element can be made in the form of a heating ceramic, for example SiC, as is known from WO 2005/060314, or graphite, as described in FR 2 559 886 and FR 2 622 382.
On connaît également des thermoplongeurs pour chauffer un bain de métal liquide dont la gaine tubulaire comprend une pluralité d’éléments chauffants métalliques qui sont noyés dans une poudre de magnésie électrofondue, qui est un isolant électrique et présente une conductivité thermique convenable. Les thermoplongeurs qui sont actuellement sur le marché utilisent ce principe.Immersion heaters for heating a bath of liquid metal are also known, the tubular sheath of which comprises a plurality of metal heating elements which are embedded in an electrofused magnesia powder, which is an electrical insulator and has suitable thermal conductivity. The immersion heaters which are currently on the market use this principle.
Dans un contexte d’électrification des méthodes industrielles et plus particulièrement des méthodes de fonderie, notamment en vue de limiter l’usage de moyens de chauffage plus traditionnels reposant sur l’usage d’énergie fossiles, il existe un besoin de dispositifs électriques fournissant une puissance électrique, et donc une capacité de chauffage, plus importante que celle offerte par les dispositifs actuels.In a context of electrification of industrial methods and more particularly of foundry methods, in particular with a view to limiting the use of more traditional heating methods based on the use of fossil fuels, there is a need for electrical devices providing electrical power, and therefore a heating capacity, greater than that offered by current devices.
Afin de répondre à ce besoin, plusieurs thermoplongeurs actuellement disponibles peuvent être utilisés de concert dans un même bain. En fonction de la capacité de chauffage nécessaire à apporter à un four, autant de thermoplongeurs que nécessaires sont mobilisés. La durée de vie des gaines dans un bain de métal liquide étant limitée, ces thermoplongeurs doivent être remplacés régulièrement. L’augmentation de leur nombre engendre une augmentation à la fois du coût d’investissement et du coût de maintenance. L’alternative à la multiplication des thermoplongeurs serait de prévoir des thermoplongeurs de capacité et de taille plus importantes. Cependant, l’augmentation de la taille des thermoplongeurs se heurte à certaines difficultés d’ordre technique et économique.In order to meet this need, several immersion heaters currently available can be used together in the same bath. Depending on the heating capacity required to be provided to a furnace, as many immersion heaters as necessary are used. Since the service life of the sheaths in a liquid metal bath is limited, these immersion heaters must be replaced regularly. Increasing their number results in an increase in both the investment cost and the maintenance cost. The alternative to increasing the number of immersion heaters would be to provide immersion heaters with a larger capacity and size. However, increasing the size of immersion heaters comes up against certain technical and economic difficulties.
La société requérante a constaté qu’il n’était pas possible de produire à un prix raisonnable un thermoplongeur de forte puissance. En effet, cette augmentation de puissance est coûteuse en raison des matériaux employés dans la structure d’un thermoplongeur. Comme indiqué ci-dessus, un thermoplongeur comporte usuellement une gaine tubulaire inerte qui entoure un cœur comportant de la poudre céramique électriquement isolante, par exemple de la magnésie électrofondue, dans laquelle sont noyés les éléments chauffants du thermoplongeur ainsi que les conduites d’alimentation électriques nécessaires au fonctionnement de ces éléments chauffants. La poudre céramique électriquement isolante présente un coût de production très important. Par conséquent, l’augmentation du volume du thermoplongeur en vue de positionner dans ledit thermoplongeur davantage d’éléments chauffants ou des éléments chauffant de plus grandes taille et puissance induit un coût, associé à la poudre céramique électriquement isolante nécessaire, qui est trop important. On cherche donc une voie alternative pour diminuer le coût des thermoplongeurs, sans pour autant diminuer leur qualité et longévité.The applicant company found that it was not possible to produce a high-power immersion heater at a reasonable price. Indeed, this increase in power is expensive due to the materials used in the structure of an immersion heater. As indicated above, an immersion heater usually comprises an inert tubular sheath which surrounds a core comprising electrically insulating ceramic powder, for example electrofused magnesia, in which the heating elements of the immersion heater are embedded as well as the electrical supply lines necessary for the operation of these heating elements. The electrically insulating ceramic powder has a very high production cost. Consequently, increasing the volume of the immersion heater in order to position more heating elements or heating elements of larger size and power in said immersion heater induces a cost, associated with the electrically insulating ceramic powder required, which is too high. An alternative way is therefore sought to reduce the cost of immersion heaters, without reducing their quality and longevity.
Ainsi, la présente invention vise à remédier aux limitations décrites ci-avant et notamment à fournir un thermoplongeur offrant une capacité de chauffage augmentée, tout en limitant le coût associé à cette augmentation de puissance.Thus, the present invention aims to remedy the limitations described above and in particular to provide an immersion heater offering increased heating capacity, while limiting the cost associated with this increase in power.
À cet effet, selon un premier objet, l’invention vise un thermoplongeur configuré pour être mis en contact avec une matière à chauffer, notamment un métal non ferreux en fusion, qui comporte :
- une gaine délimitant un premier compartiment au moins en partie rempli de poudre céramique électriquement isolante, ladite gaine étant configurée pour être mise en contact avec la matière à chauffer,
- une paroi disposée à l’intérieur dudit premier compartiment et délimitant au moins un deuxième compartiment, ce dernier pouvant rester vide de matière solide ou pouvant être au moins en partie rempli d’un matériau inerte,
- une pluralité d’éléments chauffants disposés dans la poudre céramique électriquement isolante, entre ladite gaine et ladite paroi.To this end, according to a first object, the invention aims at an immersion heater configured to be placed in contact with a material to be heated, in particular a molten non-ferrous metal, which comprises:
- a sheath delimiting a first compartment at least partly filled with electrically insulating ceramic powder, said sheath being configured to be placed in contact with the material to be heated,
- a wall arranged inside said first compartment and delimiting at least one second compartment, the latter being able to remain empty of solid material or being able to be at least partly filled with an inert material,
- a plurality of heating elements arranged in the electrically insulating ceramic powder, between said sheath and said wall.
Grâce à ces dispositions, une partie du premier compartiment, délimité par la gaine, et qui, dans les thermoplongeurs connus de l’art antérieur, est habituellement rempli de poudre céramique électriquement isolante comporte à la place un matériau inerte ou un gaz dont le coût est bien moindre que le coût de la poudre céramique électriquement isolante.By virtue of these arrangements, a portion of the first compartment, delimited by the sheath, and which, in the immersion heaters known from the prior art, is usually filled with electrically insulating ceramic powder, instead comprises an inert material or a gas whose cost is much lower than the cost of the electrically insulating ceramic powder.
Dans des modes de réalisation, le matériau inerte remplissant au moins en partie le deuxième compartiment délimité par la paroi comporte des fibres à haute tenue en température, par exemple des fibres poly-cristallines de mullite ou des fibres silico-alumineuses.In embodiments, the inert material at least partially filling the second compartment delimited by the wall comprises high temperature resistance fibers, for example polycrystalline mullite fibers or silico-aluminous fibers.
Dans des modes de réalisation, le deuxième compartiment délimité par la paroi reste vide de matière solide. Avantageusement, le deuxième compartiment délimité par la paroi est rempli au moins en partie d’un gaz inerte qui peut être de l’argon ou un autre gaz noble.In embodiments, the second compartment delimited by the wall remains empty of solid material. Advantageously, the second compartment delimited by the wall is filled at least in part with an inert gas which may be argon or another noble gas.
Dans des modes de réalisation, la poudre céramique électriquement isolante est choisie parmi une poudre d’oxyde de zinc, une poudre d’alumine, une poudre d’oxyde de magnésium (magnésie) ou une poudre de nitrure de bore. Elle présente avantageusement une bonne conductivité thermique.In embodiments, the electrically insulating ceramic powder is selected from zinc oxide powder, alumina powder, magnesium oxide (magnesia) powder or boron nitride powder. It advantageously has good thermal conductivity.
Dans des modes de réalisation, la paroi disposée à l’intérieur de la gaine et délimitant un compartiment rempli au moins en partie d’un matériau isolant est formée au moins en partie d’un matériau céramique.In embodiments, the wall disposed within the sheath and delimiting a compartment filled at least in part with an insulating material is formed at least in part from a ceramic material.
Grâce à ces dispositions, la paroi peut être formée d’un matériau de coût comparativement faible par rapport au coût de la poudre céramique électriquement isolante, tout en présentant des caractéristiques de résistance mécanique et de résistance thermique suffisante.By these provisions, the wall can be formed from a material of comparatively low cost compared to the cost of electrically insulating ceramic powder, while exhibiting sufficient mechanical strength and thermal resistance characteristics.
Dans des modes de réalisation, la paroi est formée d’un alliage haute performance, préférentiellement un alliage à base de nickel présentant une faible dilatation à 1100°C. Par exemple, la paroi est formée d’un alliage choisi parmi les alliages Inconel ou les alliages monocristallins CMSX.In embodiments, the wall is formed from a high performance alloy, preferably a nickel-based alloy exhibiting low expansion at 1100°C. For example, the wall is formed from an alloy selected from Inconel alloys or CMSX single-crystal alloys.
On désigne par alliage à haute performance ou superalliage un alliage métallique présentant une excellente résistance mécanique et une bonne résistance au fluage à haute température, une bonne stabilité surfacique ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion et à l'oxydation.A high-performance alloy or superalloy is a metal alloy with excellent mechanical strength and good creep resistance at high temperatures, good surface stability, and good resistance to corrosion and oxidation.
Dans des modes de réalisation, la gaine présente une section circulaire. Avantageusement, la gaine présente un diamètre extérieur supérieur ou égal à 50 millimètres, de préférence supérieur à 75 mm, plus préférentiellement supérieur à 95 mm, et encore plus préférentiellement supérieur à 115 mm.In embodiments, the sheath has a circular section. Advantageously, the sheath has an external diameter greater than or equal to 50 millimeters, preferably greater than 75 mm, more preferably greater than 95 mm, and even more preferably greater than 115 mm.
Grâce à ces dispositions, le thermoplongeur présente des dimensions suffisantes pour comporter d’avantage d’éléments chauffants ou des éléments chauffant de plus grande taille.Thanks to these provisions, the immersion heater has sufficient dimensions to accommodate more heating elements or larger heating elements.
Dans des modes de réalisation, la paroi est un tube de section circulaire. Avantageusement, le centre de la gaine de section circulaire et le centre de la paroi de section circulaire sont sensiblement identiques, de sorte que le premier compartiment, formé entre la gaine et la paroi, et destiné à être rempli au moins en partie de poudre céramique électriquement isolante, présente une section annulaire.In embodiments, the wall is a tube of circular section. Advantageously, the center of the circular section sheath and the center of the circular section wall are substantially identical, such that the first compartment, formed between the sheath and the wall, and intended to be filled at least in part with electrically insulating ceramic powder, has an annular section.
Grâce à ces dispositions, les éléments chauffants peuvent être disposés dans ledit premier compartiment de section annulaire. Les éléments chauffants ainsi positionnés se trouvent proches de la gaine, permettant ainsi une meilleure diffusion de la chaleur vers la gaine et indirectement vers la matière à chauffer.By means of these arrangements, the heating elements can be arranged in said first annular section compartment. The heating elements thus positioned are close to the sheath, thus allowing better diffusion of heat towards the sheath and indirectly towards the material to be heated.
Dans des modes de réalisation, les éléments chauffants sont arrangés en spires sensiblement droites disposées sensiblement parallèles à un axe parcourant le centre de la gaine et dans lequel le thermoplongeur comporte au moins 15 spires, préférentiellement au moins 20 spires, préférentiellement au moins 20 spires, préférentiellement au moins 25 spires, préférentiellement au moins 30 spires. Par exemple, le thermoplongeur comporte 36 spires.In embodiments, the heating elements are arranged in substantially straight turns arranged substantially parallel to an axis running through the center of the sheath and wherein the immersion heater comprises at least 15 turns, preferably at least 20 turns, preferably at least 20 turns, preferably at least 25 turns, preferably at least 30 turns. For example, the immersion heater comprises 36 turns.
On appelle spire une pluralité de résistances chauffantes alimentées par les mêmes amenées de courant et formant un ensemble sensiblement linéaire disposée longitudinalement dans le thermoplongeur, préférentiellement à proximité de la gaine.A coil is a plurality of heating resistors supplied by the same current supplies and forming a substantially linear assembly arranged longitudinally in the immersion heater, preferably close to the sheath.
Comme détaillé précédemment, le thermoplongeur objet de l’invention se distingue tout particulièrement des thermoplongeurs connus en ce que le diamètre du premier compartiment délimité par la gaine peut être augmenté afin d’accommoder d’avantage d’éléments chauffant ou des éléments chauffants de plus grande taille. Ainsi, avantageusement, le thermoplongeur comporte 16, 24, 32 ou 36 spires.As detailed above, the immersion heater object of the invention is particularly distinguished from known immersion heaters in that the diameter of the first compartment delimited by the sheath can be increased in order to accommodate more heating elements or larger heating elements. Thus, advantageously, the immersion heater comprises 16, 24, 32 or 36 turns.
Dans des modes de réalisation, les éléments chauffants sont arrangés en spires sensiblement droites disposées sensiblement parallèles à un axe parcourant le centre de la gaine et dans lequel lesdites spires sont positionnées à proximité du pourtour intérieur de la gaine.In embodiments, the heating elements are arranged in substantially straight turns arranged substantially parallel to an axis running through the center of the sheath and wherein said turns are positioned near the inner periphery of the sheath.
Grâce à ces dispositions, les spires ainsi positionnées se trouvent proches de la gaine, permettant ainsi une meilleure diffusion de la chaleur vers la gaine et indirectement vers la matière à chauffer.Thanks to these arrangements, the coils thus positioned are close to the sheath, thus allowing better diffusion of heat towards the sheath and indirectly towards the material to be heated.
Dans des modes de réalisation, les éléments chauffants comportent des résistances électriques comportant du molybdène ou un alliage choisi parmi un alliage de fer-chrome-aluminium (FeCrAl), un alliage de nickel et un alliage de chrome.In embodiments, the heating elements comprise electrical resistors comprising molybdenum or an alloy selected from an iron-chromium-aluminum (FeCrAl) alloy, a nickel alloy, and a chromium alloy.
Abstraction faite des éléments chauffants et des éléments de connexion électrique vers l’extérieur, le dispositif selon l’invention présente avantageusement une forme cylindrique et une structure coaxiale et symétrique par rapport à l’axe central. On peut envisager également d’autres modes de réalisation dans lesquels le dispositif présente une forme et/ou une structure différente, par exemple une section orthogonale ou une section de diamètre variable.Apart from the heating elements and the electrical connection elements to the outside, the device according to the invention advantageously has a cylindrical shape and a coaxial and symmetrical structure with respect to the central axis. Other embodiments can also be envisaged in which the device has a different shape and/or structure, for example an orthogonal section or a section of variable diameter.
Un deuxième objet de l’invention est représenté par un procédé de fabrication d’un thermoplongeur selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention, dans lequel on approvisionne un gaine, une paroi tubulaire, une pluralité d’éléments chauffants et une poudre électriquement isolante, on place ladite paroi tubulaire à l’intérieur de ladite gaine, on introduit les éléments chauffants dans le premier compartiment entre la gaine et la paroi, puis on remplit ledit premier compartiment de poudre électriquement isolante par étapes, au moins certaines étapes, et de préférence chaque étape, de remplissage étant suivie(s) par au moins une étape de tassement.A second object of the invention is represented by a method of manufacturing an immersion heater according to any one of the embodiments of the invention, in which a sheath, a tubular wall, a plurality of heating elements and an electrically insulating powder are supplied, said tubular wall is placed inside said sheath, the heating elements are introduced into the first compartment between the sheath and the wall, then said first compartment is filled with electrically insulating powder in stages, at least certain stages, and preferably each filling stage being followed by at least one tamping stage.
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du thermoplongeur objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :Other advantages, aims and particular characteristics of the invention will emerge from the following non-limiting description of at least one particular embodiment of the immersion heater which is the subject of the present invention, with reference to the appended drawings, in which:
Les numéros de référence mentionnés sur les figures se rapportent à :
90 un liquide à chauffer
80, 81 une flèche représentant un flux de chaleur
100 un thermoplongeur
110 un moyen d’alimentation en courant électrique
115, 116 des résistances chauffantes
120 une gaine
130 poudre céramique électriquement isolante
140 la paroi tubulaire en céramique
145 un deuxième compartiment
150 un premier compartimentThe reference numbers mentioned in the figures relate to:
90 a liquid to heat
80, 81 an arrow representing a heat flow
100 an immersion heater
110 a means of supplying electric current
115, 116 heating resistors
120 a sheath
130 electrically insulating ceramic powder
140 ceramic tubular wall
145 a second compartment
150 a first compartment
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.This description is given without limitation, each characteristic of an embodiment being able to be combined with any other characteristic of any other embodiment in an advantageous manner.
On observe, sur les figures 1 et 2 un premier mode de réalisation particulier d’un thermoplongeur 100 selon l’invention. En
Le thermoplongeur 100 est un thermoplongeur électrique comportant une zone chauffante 101, et une zone non chauffante 102 permettant de faire le lien entre la zone chauffante et un support du thermoplongeur 100 raccordée à moyen d’alimentation électrique 110. Le thermoplongeur 100 est destiné à être positionné dans une cuve (non représentée) contenant du métal à chauffer. La zone chauffante 102 du thermoplongeur 100 est destinée à être mise au contact du métal, qu’il s’agisse d’un métal en fusion à maintenir en température en vue de le conserver à l’état liquide ou d’un métal solide à chauffer.The immersion heater 100 is an electric immersion heater comprising a heating zone 101, and a non-heating zone 102 making it possible to make the connection between the heating zone and a support of the immersion heater 100 connected to an electrical power supply means 110. The immersion heater 100 is intended to be positioned in a tank (not shown) containing metal to be heated. The heating zone 102 of the immersion heater 100 is intended to be placed in contact with the metal, whether it is a molten metal to be maintained at temperature in order to keep it in the liquid state or a solid metal to be heated.
La zone chauffante 101 du thermoplongeur 100 comporte une pluralité d’éléments chauffants, 115, 116, portés à haute température par le passage d'un courant électrique ; il s’agit d’un chauffage résistif. Comme cela sera expliqué en plus grand détail ci-dessous, chaque élément chauffant comporte un conducteur électrique, qui est en contact avec un matériau électriquement isolant 130 capable de transmettre sa chaleur à une gaine 120 (gaine externe) formant la couche la plus externe du corps du thermoplongeur 100, qui transmet à son tour la chaleur au métal ou à l'alliage à fondre ou à maintenir à l’état liquide.The heating zone 101 of the immersion heater 100 comprises a plurality of heating elements, 115, 116, brought to a high temperature by the passage of an electric current; this is a resistive heating. As will be explained in greater detail below, each heating element comprises an electrical conductor, which is in contact with an electrically insulating material 130 capable of transmitting its heat to a sheath 120 (outer sheath) forming the outermost layer of the body of the immersion heater 100, which in turn transmits the heat to the metal or alloy to be melted or maintained in the liquid state.
Le mécanisme de transmission de la chaleur de la gaine du thermoplongeur vers le métal dans la cuve se fait de manière la plus efficace par conduction, lorsque le thermoplongeur est immergé dans du métal liquide ou lorsque sa gaine touche sur une fraction significative de sa surface du métal solide. En dehors de ces zones de contact direct le transfert thermique entre la gaine et le métal contenu dans la cuve est radiatif et/ou convectif. Le transfert de chaleur depuis l’élément chauffant 115 vers la gaine 120 puis vers la matière à chauffer 90 est représenté par la flèche 80, en figures 1 et 2.The mechanism for transmitting heat from the sheath of the immersion heater to the metal in the tank is most effective by conduction, when the immersion heater is immersed in liquid metal or when its sheath touches solid metal over a significant fraction of its surface. Outside of these areas of direct contact, the heat transfer between the sheath and the metal contained in the tank is radiative and/or convective. The heat transfer from the heating element 115 to the sheath 120 and then to the material to be heated 90 is represented by the arrow 80, in FIGS. 1 and 2.
Le thermoplongeur 100 est par exemple configuré pour maintenir à l’état liquide un métal 90 sous forme liquide comportant un métal non ferreux ou un alliage à base d’un métal non ferreux qui présente une température de fusion suffisamment basse pour être compatible avec l’utilisation d’un thermoplongeur électrique. En particulier, le métal non ferreux peut être tout métal ou alliage présentant une température de fusion qui ne dépasse pas environ 1100°C. Le métal de base peut par exemple être choisi parmi l’aluminium, le zinc, le magnésium, le cuivre, l'étain, le plomb, le lithium, l’argent.The immersion heater 100 is for example configured to maintain in the liquid state a metal 90 in liquid form comprising a non-ferrous metal or an alloy based on a non-ferrous metal which has a melting temperature sufficiently low to be compatible with the use of an electric immersion heater. In particular, the non-ferrous metal can be any metal or alloy having a melting temperature which does not exceed approximately 1100°C. The base metal can for example be chosen from aluminum, zinc, magnesium, copper, tin, lead, lithium, silver.
La gaine 120 du thermoplongeur 100 est préférentiellement formée en nitrure de bore ou nitrure de silicium. Ces matériaux réfractaires ont une forte résistance à la chaleur et sont inertes chimiquement, en plus d’offrir une résistance mécanique satisfaisante. La gaine 120 délimite un premier compartiment 150 à l’intérieur duquel sont disposés les éléments chauffants, 115, 116, du thermoplongeur 100.The sheath 120 of the immersion heater 100 is preferably formed of boron nitride or silicon nitride. These refractory materials have a high heat resistance and are chemically inert, in addition to offering satisfactory mechanical resistance. The sheath 120 delimits a first compartment 150 inside which the heating elements, 115, 116, of the immersion heater 100 are arranged.
Ledit premier compartiment 150 est au moins en partie rempli de poudre céramique électriquement isolante 130. La poudre céramique électriquement isolante 130 est un matériau sélectionné pour ses caractéristiques d’isolant électrique, permettant un contact direct avec les conducteurs électriques de l’élément chauffant, et pour ses caractéristiques de conducteur de chaleur. De plus, la poudre céramique électriquement isolante 130 doit présenter une excellente tenue à la température, elle ne doit pas se dégrader dans la durée, permettant une durée de vie effective du thermoplongeur allant typiquement d’une à plusieurs dizaines de mois d’utilisation en continu. Elle présente avantageusement une bonne conductivité thermique.Said first compartment 150 is at least partly filled with electrically insulating ceramic powder 130. The electrically insulating ceramic powder 130 is a material selected for its electrical insulating characteristics, allowing direct contact with the electrical conductors of the heating element, and for its heat conductor characteristics. In addition, the electrically insulating ceramic powder 130 must have excellent temperature resistance, it must not degrade over time, allowing an effective service life of the immersion heater typically ranging from one to several tens of months of continuous use. It advantageously has good thermal conductivity.
Selon un exemple de réalisation, la poudre céramique électriquement isolante 130 est une poudre de magnésie (oxyde de magnésium : MgO) électrofondue. La poudre de magnésie électrofondue est fabriquée par fusion d’oxyde de magnésium à une température dépassant les 3 000°C. Dans d’autres modes de réalisation la poudre céramique électriquement isolante est choisie parmi une poudre d’oxyde de zinc (ZnO), une poudre d’alumine (Al2O3) ou une poudre de nitrure de bore.According to an exemplary embodiment, the electrically insulating ceramic powder 130 is an electrofused magnesia (magnesium oxide: MgO) powder. The electrofused magnesia powder is manufactured by melting magnesium oxide at a temperature exceeding 3,000°C. In other embodiments, the electrically insulating ceramic powder is selected from a zinc oxide (ZnO) powder, an alumina (Al 2 O 3 ) powder, or a boron nitride powder.
À l’intérieur du premier compartiment 150 délimité par la gaine 120, le thermoplongeur 100 comporte au moins une paroi 140 délimitant un deuxième compartiment 145 fermé, distinct du premier compartiment. Ledit deuxième compartiment a pour fonction de réduire la quantité de poudre céramique électriquement isolante 130 nécessaire à la fabrication du thermoplongeur 100 et ainsi d’en réduire le coût de fabrication. La paroi 140 est une typiquement une paroi tubulaire, sa section en coupe axiale est avantageusement circulaire.Inside the first compartment 150 delimited by the sheath 120, the immersion heater 100 comprises at least one wall 140 delimiting a second closed compartment 145, distinct from the first compartment. Said second compartment has the function of reducing the quantity of electrically insulating ceramic powder 130 necessary for the manufacture of the immersion heater 100 and thus of reducing the manufacturing cost. The wall 140 is typically a tubular wall, its axial section is advantageously circular.
La paroi 140 est formée d’un matériau présentant des caractéristiques de résistance mécanique et de résistance thermique suffisantes, sans nécessiter une bonne conduction thermique. Préférentiellement, la paroi 140 est formée de céramique, par exemple d’alumine. Selon d’autres exemples de mise en œuvre, la paroi 140 est formée en mullite ou cordièrite.The wall 140 is formed from a material having sufficient mechanical strength and thermal resistance characteristics, without requiring good thermal conduction. Preferably, the wall 140 is formed from ceramic, for example alumina. According to other examples of implementation, the wall 140 is formed from mullite or cordierite.
Dans un mode de réalisation préféré, le deuxième compartiment 145 délimité par la paroi 140 reste vide, c’est-à-dire il comporte du gaz qui peut être de l’air. Préférentiellement, l’air est chassé en vue d’être remplacé par un gaz inerte, peu susceptible d’oxyder la paroi, qui peut être par exemple l’argon ou un autre gaz noble. Dans un autre mode de réalisation, ledit deuxième compartiment 145 est au moins en partie rempli d’un matériau inerte sous forme particulaire, pour exercer une contre-pression. Par exemple, ledit matériau inerte comporte des fibres à haute tenue en température, par exemple des fibres poly-cristallines de mullite ou des fibres silico alumineuses. Selon une autre variante, ledit matériau inerte est une poudre d’alumine.In a preferred embodiment, the second compartment 145 delimited by the wall 140 remains empty, that is to say it contains gas which may be air. Preferably, the air is expelled in order to be replaced by an inert gas, unlikely to oxidize the wall, which may be for example argon or another noble gas. In another embodiment, said second compartment 145 is at least partly filled with an inert material in particulate form, to exert a counter-pressure. For example, said inert material contains fibers with high temperature resistance, for example polycrystalline mullite fibers or silico-aluminous fibers. According to another variant, said inert material is an alumina powder.
La gaine 120 présente typiquement une section circulaire. Avantageusement, le diamètre extérieur de la gaine 120 est d’au moins 55 millimètres (ci-après abrévié « mm »), préférentiellement d’au moins 75 mm. Selon une alternative de réalisation, le diamètre de la gaine 120 est supérieur à 95 mm ou supérieur à 115 mm. L’augmentation du diamètre de la gaine 120 permet de placer un nombre plus important d’éléments chauffants 115,116 à l’intérieur du thermoplongeur 100, ce qui permet d’augmenter sa puissance thermique.The sheath 120 typically has a circular section. Advantageously, the outer diameter of the sheath 120 is at least 55 millimeters (hereinafter abbreviated “mm”), preferably at least 75 mm. According to an alternative embodiment, the diameter of the sheath 120 is greater than 95 mm or greater than 115 mm. Increasing the diameter of the sheath 120 makes it possible to place a greater number of heating elements 115, 116 inside the immersion heater 100, which makes it possible to increase its thermal power.
De plus, la paroi 140 est un tube de section circulaire également, formant un deuxième compartiment 145 de forme section ronde. Le premier compartiment 150 formé d’une part par la gaine 120 et d’autre part par la paroi 140 présente ainsi une forme annulaire avantageuse pour le placement des éléments chauffants, 115, 116, comme détaillé dans le paragraphe suivant. Préférentiellement, le tube formant la paroi 140 est de diamètre constant sur toute la hauteur du thermoplongeur.In addition, the wall 140 is a tube of circular section also, forming a second compartment 145 of round section shape. The first compartment 150 formed on the one hand by the sheath 120 and on the other hand by the wall 140 thus has an advantageous annular shape for the placement of the heating elements, 115, 116, as detailed in the following paragraph. Preferably, the tube forming the wall 140 is of constant diameter over the entire height of the immersion heater.
De tels tubes en alumine sont des produits courants qui existent sur le marché pour d’autres utilisations ; de ce fait, leur prix est significativement plus faible que celui de la quantité de poudre de magnésie électrofondue (par exemple) économisée par l’insertion d’un tel tube dans le dispositif selon l’invention.Such alumina tubes are common products that exist on the market for other uses; therefore, their price is significantly lower than that of the quantity of electrofused magnesia powder (for example) saved by the insertion of such a tube in the device according to the invention.
Le thermoplongeur 100 représenté sur les figures 1 et 2 comporte seize éléments chauffants dont seuls les éléments chauffants 115 et 116 sont légendés en figures 1 et 2. Dans d’autres modes de réalisation, le thermoplongeur 100 comporte au moins 20 éléments chauffants, préférentiellement au moins 30 éléments chauffants. Préférentiellement et comme illustré en figures 1 et 2, les éléments chauffants sont positionnés à proximité du pourtour intérieur de la gaine 120 afin de permettre un meilleur transfert de chaleur vers ces dernières. En d’autres termes, si l’on considère une section du thermoplongeur 100 tel qu’illustré en
Préférentiellement, les éléments chauffants sont arrangés en spires sensiblement droites disposées sensiblement parallèles à un axe parcourant le centre de la gaine 120 et lesdites spires sont positionnées à proximité du pourtour intérieur de la gaine 120.Preferably, the heating elements are arranged in substantially straight turns arranged substantially parallel to an axis running through the center of the sheath 120 and said turns are positioned close to the inner periphery of the sheath 120.
Préférentiellement, les éléments chauffants 115, 116 comportent des résistances électriques comportant du molybdène ou un alliage choisi parmi un alliage de fer-chrome-aluminium (FeCrAl), un alliage de nickel et de chrome.Preferably, the heating elements 115, 116 comprise electrical resistors comprising molybdenum or an alloy chosen from an iron-chromium-aluminium alloy (FeCrAl), a nickel and chromium alloy.
Selon un mode de réalisation particulier (non illustré), la paroi 140 tubulaire forme un compartiment de section transversale de forme rectangulaire ou polygonale, par exemple octogonal ou hexagonale.According to a particular embodiment (not illustrated), the tubular wall 140 forms a compartment with a rectangular or polygonal cross-section, for example octagonal or hexagonal.
Selon un mode de réalisation particulier (non illustré), le deuxième compartiment 145 formé par la paroi 140 ne présente pas les mêmes dimensions sur toute la hauteur du thermoplongeur 100. Par exemple, le deuxième compartiment 140 au niveau d’une coupe transversale dans la partie non chauffante du thermoplongeur 100 présente une surface moindre que la surface du deuxième compartiment 140 au niveau d’une coupe transversale dans la partie non chauffante du thermoplongeur 100.
According to a particular embodiment (not illustrated), the second compartment 145 formed by the wall 140 does not have the same dimensions over the entire height of the immersion heater 100. For example, the second compartment 140 at a cross-section in the non-heating part of the immersion heater 100 has a smaller surface area than the surface area of the second compartment 140 at a cross-section in the non-heating part of the immersion heater 100.
Selon un mode de réalisation particulier (non illustré), le thermoplongeur comporte un premier compartiment au moins en partie rempli de poudre céramique électriquement isolante et une pluralité de parois disposées à l’intérieur du premier compartiment, chacune desdites paroi délimitant un compartiment pouvant rester vide de matière solide ou pouvant être rempli au moins en partie d’un matériau isolantAccording to a particular embodiment (not illustrated), the immersion heater comprises a first compartment at least partly filled with electrically insulating ceramic powder and a plurality of walls arranged inside the first compartment, each of said walls delimiting a compartment which can remain empty of solid material or which can be filled at least partly with an insulating material.
Nous décrivons ici un procédé de fabrication du thermoplongeur selon l’invention. Les inventeurs se sont aperçus que le bon contact thermique entre les conducteurs électriques et la gaine 120 dépend de la densité du lit de poudre céramique électriquement isolante avec lequel ces conducteurs sont en contact. Selon l’invention, on approvisionne un gaine 120, une paroi tubulaire 140, une pluralité d’éléments chauffants 115,116 et une poudre électriquement isolante 130, on place ladite paroi tubulaire 140 à l’intérieur de ladite gaine 120, on introduit les conducteurs électriques dans le premier compartiment 150 entre la gaine 120 et la paroi 140, puis on remplit ledit premier compartiment 150 de poudre céramique électriquement isolante par étapes, au moins certaines étapes (et de préférence chaque étape) de remplissage étant suivie(s) par au moins une étape de tassement.We describe here a method of manufacturing the immersion heater according to the invention. The inventors have noticed that good thermal contact between the electrical conductors and the sheath 120 depends on the density of the bed of electrically insulating ceramic powder with which these conductors are in contact. According to the invention, a sheath 120, a tubular wall 140, a plurality of heating elements 115, 116 and an electrically insulating powder 130 are supplied, said tubular wall 140 is placed inside said sheath 120, the electrical conductors are introduced into the first compartment 150 between the sheath 120 and the wall 140, then said first compartment 150 is filled with electrically insulating ceramic powder in stages, at least some filling steps (and preferably each filling step) being followed by at least one compaction step.
Dans un premier mode de réalisation, au cours de cette étape de tassement, on presse la poudre à l’aide d’un outil de tassement forme annulaire ou en section d’anneau, capable de s’insérer par le haut dans l’espace annulaire formé par le premier compartiment 150. Ainsi on remplit progressivement ledit premier compartiment d’un lit dense et tassé de poudre céramique électriquement isolante, qui assure un excellent contact thermique avec les éléments chauffants 115,116.In a first embodiment, during this tamping step, the powder is pressed using a tamping tool in the shape of an annular or ring section, capable of being inserted from above into the annular space formed by the first compartment 150. Thus, said first compartment is gradually filled with a dense, packed bed of electrically insulating ceramic powder, which ensures excellent thermal contact with the heating elements 115, 116.
Dans une première variante de ce procédé, chaque étape d’introduction de la poudre céramique électriquement isolante, ou au moins une de ces étapes, et de préférence au moins la dernière, est suivie d’une étape de tassement par mise en vibration de la gaine 150 et/ou du tube 140.In a first variant of this method, each step of introducing the electrically insulating ceramic powder, or at least one of these steps, and preferably at least the last, is followed by a step of compaction by vibrating the sheath 150 and/or the tube 140.
Dans une autre variante de ce procédé, ledit outil de tassement est réalisé comme un outil de vibrocompactage.In another variant of this method, said compaction tool is made as a vibrocompaction tool.
Ces deux variantes peuvent être combinées.
These two variants can be combined.
Claims (12)
- une gaine (120) délimitant un premier compartiment (150) au moins en partie rempli de poudre céramique électriquement isolante (130), ladite gaine étant configurée pour être mise en contact avec la matière à chauffer,
- une paroi (140) disposée à l’intérieur du premier compartiment (150) et délimitant au moins un deuxième compartiment (145), ce dernier pouvant rester vide de matière solide ou pouvant être rempli au moins en partie d’un matériau inerte,
- une pluralité d’éléments chauffants (115, 116) disposés dans ladite poudre céramique électriquement isolante (130), entre ladite gaine (120) et ladite paroi (140).Immersion heater (100) configured to be placed in contact with a material to be heated (90), in particular a molten non-ferrous metal, characterized in that it comprises:
- a sheath (120) delimiting a first compartment (150) at least partly filled with electrically insulating ceramic powder (130), said sheath being configured to be placed in contact with the material to be heated,
- a wall (140) arranged inside the first compartment (150) and delimiting at least one second compartment (145), the latter being able to remain empty of solid material or being able to be filled at least in part with an inert material,
- a plurality of heating elements (115, 116) arranged in said electrically insulating ceramic powder (130), between said sheath (120) and said wall (140).
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