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Submitted on 1 Jan 1925
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Fours électriques à induction à haute fréquence pour très hautes températures
G. Ribaud
To cite this version:
G. Ribaud. Fours électriques à induction à haute fréquence pour très hautes températures. J. Phys.
Radium, 1925, 6 (9), pp.295-299. �10.1051/jphysrad:0192500609029500�. �jpa-00205218�
FOURS ÉLECTRIQUES A INDUCTION A HAUTE FRÉQUENCE
POUR TRÈS HAUTES TEMPÉRATURES
par M. G. RIBAUD,
Institut de Physique de Strasbourg.
Sommaire. 2014 Il n’a été réalisé jusqu’à maintenant aucun modèle de four à induction à haute fréquence, à éléments chauffants de graphite, prévu pour supporter des tempéra-
tures très élevées et permettant d’introduire commodément à son intérieur les substances que l’on désire chauffer.
Dans le présent travail sont décrits des modèles de fours, susceptibles de servir jus- qu’à 3 000°C, dans lesquels les garnitures de bouchage sont faites de charbon poreux, très peu conducteur de la chaleur. Ces fours peuvent servir à des calcinations ou à des fusions de substances réfractaires, ils peuvent également servir à des réactions en milieu gazeux;
ils sont, en outre, prévus pour des mesures précises de températures au pyromètre optique.
Avec une puissance de 10 kilowatts, les températures maxima réalisées dans ces
fours ont été de 3 000°C pour un volume de 100 cm3; de 2500°C, dans un volume de 300 cm3, et de 1 800°C, dans un volume de 3000 cm3. Avec une puissance de 18 kilowatts, la température atteinte dans un volume de 5 litres a été de 2000°C.
Ces températures sont nettement supérieures, à puissance égale, à celles que l’on réa- lise dans des fours à tube de carbone de même volume intérieur.
i. Dans les fours à induction à haute fréquence utilisés jusqu’à maintenant pour la réalisation de températures très élevées (3 ODOOC), on est amené fréquemment à utiliser comme
substance de chauffe des creusets ou cylindres conducteurs en carbone amorphe aggloméré
ou en graphite ; la calorifugation se fait alors en fermant complètement le creuset par un couvercle de graphite et en entourant le tout d’une couche de noir de fumée. Dans certains modèles de fours, le couvercle est troué et muni d’un tube de graphite traversant le calori-
fuge qui recouvre le creuset, le rôle de ce tube étant de permettre l’échappement des gaz, cle
permettre aussi des visées pyrométriques.
Ces réalisations ont de graves inconvénients ; en particulier, lorsqu’on désire sortir la substance située à l’intérieur du creuset, on est amené, pour éviter que la substance soit souillée par le calorifuge, à retirer l’ensemble du creuset et de son couvercle de l’intérieur du calorifuge; une telle façon d’opérer se prête mal à un travail continu.
D’autre part, un simple tube de graphite fixé au creuset chauffant s’emplit inévitable- ment de fumées qui faussent les mesures pyrométriques.
Nous avions été conduit à étudier des systèmes de bouchage permettant d’ouvrir
commodément le four pour y introduire la substance ou la retirer, permettant également des
mesures précises au pyromètre optique.
Un premier essai de réalisation a été donné ailleurs (1), il convient très bien jusqu’à
des températures atteignant 2 OOO°C ; au-dessus de cette température, les oxydes réfractaires utilisés sont tous réduits par le carbone (9) ; le graphite et les diverses variétés conductrices de carbone amorphe ne peuvent pas davantage servir à constituer des dispositifs de ferme-
ture du four, ces différents corps sont très conducteurs de la chaleur et conduiraient à
allonger très notablement le four pour que les pertes de chaleur ne soient pas trop impor-
tantes.
Nous avons été amené à utiliser les diierses variétés de charbon poreux réalisées dans la pratique industrielle (filtres en charbon, etc.) ; ces charbons poreux, faits de grains assez
gros et peu agglomérés, sont très peu conducteurs de la chaleur et de l’électricité et ils sup-
portent, comme le graphite, des températures pouvant dépasser 3 OOooC.
(1) Fours electriques et Chimie, p. 3’1 [1 vol., Presses uniyersitaires de France, Paris, 92.
1’) Loc, cit., p. 98.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0192500609029500
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2. Détails de réalisation des fours. -- On trouera ci dessous les différents modèles de fours étudiés pour répondre à des buts détermi-
nés : calcination d’objets réfractaires, détermi-
nation des points de fusion de matériaux réfrac- taires, réactions à haute telnpératill’e cll milieu
gazeux. Ces divers fours permettent d’atteindre 3 000’C ; ils sont en outre prévues de façon à pouvoir serYir à des mesures pyrométriques pré-
cises.
Le four représenté sur la figure i comporte
comme parties essentielles d’une part un tube
isolant 1 en quartz fondu ou en toute autre subs- tance isolante susceptible de résister à de hautes
températures et contenant le creuset chauffant et le calorifuge et, d’autre part, un tube 2 sur lequel
est bobiné l’enroulement 3 en tube de l’ensemble des deux tubes 1 et 2 repose sur un
support 4. Le creuset de graphite 5, chauffant
par induction, est prolongé à sa partie supérieure
par une pièce cylindrique G en charbon poreux, les parties extérieures du creuset de graphite et
de cette pièce de charbon poreux étant calori-
fugées par du noir de fumée 7.
Le couvercle S est formé d’une pièce en
charbon poreux dans laquelle sont ménagés deux
trous 9 destinés à laisser échapper les gaz. Le creuset chauffant repose sur une pièce 1() en
’charbon poreux dont la forme est choisie de ma-
nière à offrir une faible conductibilité calori-pig.l.2013Four à haute fréquence à creuset chauf-
fique. La substance à chauffer est indiquée en 11. iant en braphitc, avec dispositif de fermeture
L’ l encharbon poreux.
Il y a grand intérêt, aux températures éle- " ’harboii poreux.
à enrouler le tube de enivre parcouru par un courant d’eau à une certaine llauteur
Fig. 2 et 3,
-Disposilii de fermeture perinetlant d’efîectuer des mesures pyroméLriqucs précises.
au-dessus de la partie supérieure et
au-dessous de la partie inférieure du creuset de façon à refroidir le mieux
possible le calorifuge et l’empècher
de brûler. Pour éviter d’accroitre inutilement la self-induction du four,
on relie la source électrique à haute fréquence non pas aux extrémités du tube de cuivre mais à des spires à
hauteur convenable (;j6 et 37). Le tube 2 est maintenu à une certaine hauteur au- dessus du support 4 de façon à permettre à l’air extérieur de monter entre les tubes 1 et 2 sui- vant les flèches /’pour favoriser ainsi le refroidissement.
Pour les fours de ce modèle des- tincs àfaire des visées pyrométriques précises, la pièce 8 est remplacée par la pièce représentée par les figures 2
et 3. Cette pièce 1:2 est gercée sui-
vaut son ’1xe d’un Lrou 13, prolonge par un tube 14 en charbon poreux ou en une autre subs-
tance réfractaire, muni a sa partie supérieure d’une pièce métallique 15. Cette pièce métal- lique 15 est fermée par une lame de verre 16 portant sur une rondelle élastique 17 sous
l’action de deux vis 18. Un tube latéral 19 permet de faire circuler un gaz inerte dans le canal de visée de façon à chasser les fumées qui risqueraient de fausser les visées pyromé- triques.
Si les pièces 6 et 8 en charbon poreux ont une hauteur suffisante (8 à 10 cm), leur con-
ductibilité calorifique est si faible qu’il est possible (l’enlever à la main le couvercle 8 alors que l’intérieur du four est à 3 000°C. Le charbon poreux utilisé, en raison même de sa très
-
Fig. 4. - Variante du four donne par la figure 1.
°
grande porosité, est extrêmement combustible et il est bon de ne pas le laisser trop long- . temps au contact de l’air lorsqu’il est porté au rouge.
Le four décrit ci-dessus a servi à une étude sur la transformation du diamant à haute
température (1), la température de 2 000°C y était atteinte en 3 minutes avec une puissance prise intentionnellement faible (2), un même four a pu fournir plus de 50 chauffes succes-
sives à cette température sans que l’on ait eu à remplacer les pièces en charbon poreux.
Le four représenté dans la figure 4 est une variante du four précédent dans lequel le
creuset chauffant 50 en graphite est entouré entièrement d’une enyeloppe 2 L en charbon
poreux; la forme inférieure de cette enveloppe est choisie de façon à offrir une conductibilité aussi faible que possible. Le creuset 20 repose sur une pièce amovible 22 en charbon poreux.
Du noir de fumée est disposé en 7 autour de l’enveloppe de charbon poreux. La partie supé-
rieure du four est fermée par une pièce de charbon poreux 23 qui peut être remplacée, pour les visées pyrométriques, par une pièce telle que celle décrite aux figures 2 et 3.
(1) G. FitIEDEL et G.
-Sur une transformation allotropique du diamant à haute température,
C. R., t. 178 (1924), p. f 126; Bull. S’oc. l,.anr. MÙzér., t. 47 (l921), p. 9!~.
(2) Avec un) puiss-an,,e suffisante, la de 3000’C pouvait y élre atteinte en moins de
3 minutes.
.298
Le four de la figure 5, ouvert aux deux bouts, peut servir verticalement ou horizonta- talement (1). Dans ce four, le cylindre de graphite chauffant 24 est prolongé, à sa partie supé- rieure, par une pièce 25 en charbon poreux et par un bouchon en charbon poreux 26, sem-
blable aux éléments correspondants de la figure 1. La partie inférieure du cylindre de gra-
phite est prolongée par une plèce 27 en charbon poreux tandis qu’une autre pièce 28, égale-
ment en charbon poreux, traversant le fond du tube ~., sert de fermeture et éventuellement de support pour les objets 29 placés à l’intérieur du four. Un support dont une forme est
donnée à titre d’exemple en 30, maintient en place le bouchon 28.
Dans certains cas, il est nécessaire de faire circuler un gaz spécial dans le four (par
Fig. 5.
-Four vertical ouvert aux deux extrémités, pour chauffage par courants induits de haute fréquence.
_exemple pour effectuer des réactions gazeuses à l’intérieur de ce four); ce gaz est amené par
un trou 3i traversant le bouchon inférieur 28. Les deux bouchons 26 et 28 peuvent d’ailleurs
être intervertis : le gaz pourra aloi s être amené par le bouchon supérieur 28 muni du dis-
positif représenté à la figure 2 et s’échapper par les trous 9 du bouchon supérieur 26. Des
visées pyrométriques précises pourront être ainsi faites dans cet appareil.
.
Le four ci-dessus peut être également adapté à un service continu, pour la calcination
d’objets réfractaires, par exemple. Les divers objets à calciner seront séparés par des rondelles
en charbon poreux, ou en substance réfractaire, de diamètre égal au diamètre intérieur du four. Un dispositif, facile à imaginer, permet de faire descendre les objets successifs dans la
partie chaude du four et de les en sortir.
°(i Le modèle de la figure est prévu pour fonctionner verticalement, on imaginera aisément un dispo-
sitif de supports permettant d’utiliser le four en position horizontale.
°3. Températures réalisées dans ces divers modèles de fours. - Dans les divers modèles de fours décrits ci-dessus, la rapidité de chauffe et la température maximum
atteintes dépendent évidemment des dimensions du four et de la puissance disponible dans
l’installation de haute fréquence.
Pour un four de dimensions données (par exemple, volume intérieur fixé), la vitesse de
chauffe, à vide, est d’autant plus grande que la capacité calorifique du cylindre chauffant est
plus faible, en particulier son épaisseur plus petite. La température maximum réalisable, elle, ne dépend que de la puissance dépensée ; l’énergie électrique recueillie dans la substance est, nous l’avons montré (1), proportionnelle à l’énergie dépensée ; l’équilibre de tempéra-
ture sera réalisé lorsque cette énergie absorbée sera égale à l’énergie perdue sous forme de
chaleur. Des mesures systématiques faites sur les fours ci-dessus nous ont montré qu’à très
haute température la conductibilité calorifique du calorifuge employé (noir de fumée et
charbon poreux) croit très notablement avec la température; de sorte que la température
maximum réalisable est loin d’être proportionnelle à la puissance dépensée; on peut admettre, comme résultat des mesures effectuées, que la puissance électrique dépensée dans
l’installation varie approximativement comme la puissance troisième de la température
absolue. Un four de 100 cm’ de volume intérieur, qui nécessite environ 2 kw pour atteindre t 000o C, demande une puissance d’environ 7 k»T pour atteindre 3 000° C.
Pour des creusets chauffants de dimensions différentes, il est difficile de donner des indications précises, le rendement électrique (’) et le rendement calorifique dépendant tous
deux des dimensions de la substance et du four, et du nombre de spires de l’enroulement.
Dans chaque cas particulier, il importe de faire une étude systématique de l’influence de ces
divers facteurs, et d’en rechercher les valeurs optima.
°
Avec une puissance de 10 kilowatts, les températures maxima réalisées, dans le gra-
phite, ont été les suivantes : température supérieure à 3 000~ C dans un volume de 100 cm~ ;
~ 500° C, dans un volume de 500 cm3, et 1 800° C, dans un volume de 3 000 c1n3 .
-
Avec une puissance de 18 kilowatts, ces températures ont atteint 2 300° C dans un volume
de 3 litres, et 2 000° C dans un volume de 5 litres.
A ce point de vue,.il est intéressant de comparer le four à haute fréquence avec le four
à résistance de carbone, en particulier dans le cas de fours de grandes dimensions pour
lesquels les courants électriques nécessaires prennent des valeurs très importantes. Le ~
modèle de four à résistance le mieux adapté aux grands volumes semble être le four mis au
point au Nation,,,tl Physical Laboratory par Rosenhain et Coad-Pryor (2); ce type de four, fait d’anneaux de graphite empilés les uns sur les autres, a permis d’atteindre 1 ’I00° C, dans
un volume d’environ 500 cm’, avec une puissance de 10 kilowatts; le four à haute fréquence
décrit ici permet, dans ce même volume et avec la même puissance, la réalisation d’une
température de 2 000, C ; nous ajouterons d’ailleurs que l’uniformité de température dans le
four à haute fréquence est très grande, on sait qu’il n’en est pas de même pour le four à résistance de carbone dans lequel les deux bouts du tube qui. servent à l’arrivée du courant
électrique sont maintenus à la température extérieure par une circulation d’eau.
(1) Loc. rit., p. 360 et suivanles.
(2) ROSEB:HAIX eL COAD PRYOR, Trans. Faraday Soc., t. i4 (i919)1 p 2G!.
-Fours électriques et Chimie, p. 115.
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