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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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Utilisation des éléments chauffants
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5. Conclusion
Les éléments chauffants peuvent entrer pour une part importante dans le coût de maintenance d’un four électrique. L’amélioration de leur fiabilité fait donc toujours l’objet de travaux, qui ont pour objectif de minimiser l’effet des agressions thermiques (niveau de température), mécaniques (fluage), chimiques (oxydation ou corrosion). La durée de vie est d’autant plus réduite qu’il y a combinaison de deux ou trois de ces agressions. C’est pourquoi il est particulièrement important d’apporter une grande attention au choix du matériau constitutif des résistances en fonction des paramètres d’utilisation : température, atmosphère de travail, cycles thermiques…
Les résistances les plus utilisées aujourd’hui sont constituées d’ alliages à base de nickel. On les rencontre pour des opérations ne dépassant pas 1 050 oC dans les fours de traitements thermiques ou thermochimiques, de recuit, de réchauffage, de maintien en température de métaux non ferreux… Elles présentent une bonne résistance mécanique (fluage) et chimique (atmosphères variées), tout en permettant de nombreuses mises en forme (résistances à base de fil ou de ruban, tubulaires mécano-soudées).
Pour des procédés nécessitant des températures supérieures ou des densités de puissance plus élevées (réchauffage d’alliages réfractaires, industrie des céramiques traditionnelles et techniques, laboratoires…), on peut utiliser, jusqu’à 1 200 oC, des alliages FeCrAl dont la résistance à la corrosion est bonne, malheureusement au détriment de la tenue au fluage.
L’utilisation de résistances céramiques (MoSi 2 , SiC, LaCrO3 , ZrO2 , graphite) permet d’atteindre des températures encore supérieures, jusqu’à 1 600 oC industriellement, mais chaque matériau possède des restrictions d’utilisation (atmosphère supportée, alimentation électrique plus ou moins compliquée, tenue aux chocs thermiques…).
Le coût d’une résistance varie fortement en fonction du matériau, de la mise en forme, de la sollicitation électrique (cf. tableau A en [Doc. D 2 620]) :...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BOST (M.) - Les fours industriels à résistances électriques. - Electra Dopee Diffusion, 520 p. (1989).
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(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).
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(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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