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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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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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Matériaux céramiques
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2. Alliages
Le tableau 1 répertorie les propriétés des alliages métalliques, austénitiques à base de nickel et ferritiques, utilisés comme résistances électriques. Les caractéristiques mécaniques sont données dans l’état recuit. Lorsque la température n’est pas précisée, il s’agit des conditions ambiantes (20 oC). On pourra utilement se reporter, dans le traité Matériaux métalliques, aux articles Aciers et alliages réfractaires [10].
2.1 Alliages austénitiques à base de nickel
Les alliages à base de nickel peuvent être utilisés industriellement comme résistances, avec des températures allant jusqu’à 1 100 oC ou même 1 200 oC dans des cas exceptionnels, correspondant à des durées de vie recherchées faibles (coût des résistances négligeable devant le coût des produits traités, corrosion très rapide à 1 200 oC comme à 1 100 oC alors qu’on ne peut utiliser d’autre moyen de chauffage…).
Ce sont des alliages robustes dont le prix reste compatible avec des utilisations industrielles.
Les matériaux à structure austénitique ont un réseau cristallin cubique faces centrées. Ils ont de meilleures propriétés mécaniques à chaud que les matériaux à structure ferritique (cubique centré).
HAUT DE PAGE2.1.1 Composition. Élaboration
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Les alliages à base de nickel contiennent entre 20 et 80 % de nickel et 20 à 30 % de chrome. Les nuances les plus pauvres en nickel contiennent également du fer. Des ajouts divers (silicium Si, manganèse Mn…) sont effectués pour diminuer le grossissement de grains, améliorer la résistance à l’oxydation. Les nuances les plus couramment utilisées sont les alliages Ni80-Cr20, Ni70-Cr30 ou des nuances moins nobles telles que Ni30-Cr20-Fe.
Des nuances contenant de l’aluminium telles que l’Inconel 601 (1 à 1,7 %) ou le Haynes 214 (4,5 %) offrent une bonne résistance à l’oxydation tout en conservant les propriétés mécaniques intéressantes...
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Alliages
BIBLIOGRAPHIE
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(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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