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Auteur(s)
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Gilles GREFFIER : Ingénieur-Chercheur à la Direction des Études et Recherches d’Électricité de France (Groupe Effet Joule)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Cet article traite plus particulièrement des résistances électriques dissipant une puissance élevée par effet Joule. Fonctionnant à haute température (au-delà de 400 oC), elles sont constituées de matériaux réfractaires. Elles sont un composant de première importance dans les installations de chauffage par effet Joule (fours électriques, dispositifs de mise en forme à chaud…). Les rhéostats de démarrage et de freinage des moteurs électriques font également appel aux mêmes matériaux réfractaires.
Pour les autres résistances, le lecteur pourra se reporter aux articles Résistances. Potentiomètres [12], Céramiques semiconducteurs [13] et Varistances [14], dans le traité Électronique, et, pour les varistances céramiques, aux articles Composants spécifiques de protection contre les perturbations [8] [9] dans ce traité.
Après avoir rappelé le fonctionnement des résistances électriques ou « éléments chauffants » dans le cas des fours électriques, on présente les différents matériaux réfractaires utilisés, en s’attachant à définir les limites, la durée de vie et les applications actuelles. Pour avoir une vue plus complète sur l’ensemble des composants d’un four (isolants, régulation, alimentation électrique…), le lecteur pourra se référer à l’article Électrothermie. Chauffage par effet Joule dans ce traité [5].
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4. Graphite et composites carbone-carbone
Le graphite est utilisé depuis de nombreuses années dans les fours sous vide pouvant atteindre des températures de plus de 2 000 oC. Les résistances à base de composites carbone-carbone C–C sont beaucoup plus récentes et font toujours l’objet de développements [6].
4.1 Composition. Élaboration
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Le graphite utilisé pour les éléments chauffants est en fait constitué d’un mélange de carbone amorphe et de petits cristaux de graphite obtenus à partir de coke. Les propriétés de ce matériau sont isotropiques, ce qui n’est pas le cas de tous les graphites synthétiques. Des traitements peuvent être effectués pour diminuer la porosité, purifier le matériau ou combattre l’oxydation pour un fonctionnement sous air atteignant 600 oC au lieu de 450 oC.
Les résistances sont obtenues à partir de barreaux, tubes, plaques en graphite synthétique, usinés à la forme voulue. Il n’existe donc pour ainsi dire pas de forme géométrique prédéfinie.
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Les composites carbone-carbone sont issus de l’industrie aéronautique. Ils ont toutes les propriétés du graphite mais présentent une plus faible masse volumique tout en ayant une plus haute résistance à la flexion et un module d’élasticité supérieur.
Les tissus de carbone sont imprégnés de brai ou de résine avant le traitement de carbonisation. Les propriétés des matériaux obtenus dépendent des procédés d’empilage, des cycles d’imprégnation- recarbonisation et des températures de carbonisation et graphitation (2 900 oC). Le matériau se trouve sous forme de plaques que l’on usine pour obtenir la surface d’échange et la résistance souhaitées.
Différents paramètres interviennent dans la fiabilité ultérieure de la résistance en C–C :
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la propreté de manipulation ;
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la teneur en calcium et en fer ;
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le traitement thermique (recuit à 2 500 o C).
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4.2 Propriétés
La température limite d’utilisation sous vide est 2 300 oC....
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOST (M.) - Les fours industriels à résistances électriques. - Electra Dopee Diffusion, 520 p. (1989).
-
(2) - SACADURA (J.F.) - Initiation aux transferts thermiques. - Technique et documentation, 445 p. (1980).
-
(3) - DESCHAMPS (G.) - Résistances tubulaires et tubes à passage direct de courant. Conception, mise en œuvre et applications industrielles. - Publication EDF Industrie disponible à l’Espace ELEC, CNIT La Défense sous la référence 1.42.1.01.8., 51 p. (1990).
-
(4) - CHAUDRON (G.), TROMBE (F.) - Les hautes températures et leurs utilisations en physique et chimie. - Masson, Tome 1, 550 p. (1973).
-
(5) - HEURTIN (J.), MAZOYER (J.-L.) - Électrothermie. Chauffage par effet Joule. - D 824, déc. 1992 (supprimé en 8-2000). A paraître : OBERLIN (C.) et coll. – Fours à résistances : caractéristiques. D 5 910 et Fours à résistances : applications. D 5 911, 11-2004.
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ANNEXES
1 Constructeurs - Fournisseurs
Le tableau 1 (p. 2) présente les principaux fournisseurs avec les caractéristiques des résistances qu’ils commercialisent.
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