FR2898460A1 - Electrical immersion heater for molten metal bath, comprises electrically insulating-thermally conducting refractory core having helicoid grooves on a heated part of the heater and longitudinal grooves on a non-heated part of the heater - Google Patents

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Christian Tantolin
Claude Godet
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    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02Details
    • H05B3/03Electrodes

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  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

The electrical immersion heater for molten metal bath, comprises electrically insulating-thermally conducting refractory core (9) having helicoid grooves on the heated part of immersion heater and longitudinal grooves on the non-heated part, a metallic resistance, an electrical wire, an external refractory sheath material, and a boron nitride powder transfer unit. The metallic resistance is placed in helicoidal grooves of core at the heated part of the heater, and the electrical wire is placed in the longitudinal grooves of core in the non-heated part of the heater. The electrical immersion heater for molten metal bath, comprises electrically insulating-thermally conducting refractory core (9) having helicoid grooves on the heated part of immersion heater and longitudinal grooves on the non-heated part, a metallic resistance, an electrical wire, an external refractory sheath material, and a boron nitride powder transfer unit. The metallic resistance is placed in helicoidal grooves of core at the heated part of the heater, and the electrical wire is placed in the longitudinal grooves of core in the non-heated part of the heater. The boron nitride powder transfer unit allows to ensure a thermal transfer between refractory core having heating element (8) and the sheath material. The refractory core has two helicoid grooves, which allows a single phase electric supply, and has three helicoid grooves with a common point at an end of heated part of the heater to allow a triphased electric supply (star system). The refractory core is made up of ceramics obtained by processing, pressing or molding. The refractory core is metallic but coated with a refractory deposition. The electrically insulating core ensures an insulation of resistance wire to the effects of thermal cycles and increased temperature level. The longitudinal grooves have an upper section on the heated part to increase the section of resistant wire and to reduce thermal heating at the non-heated part. The material constituting the wire in non-heated part of the heater is different from the wire in the heated part of the heater. The core comprises a hole (13) in its longitudinal axis for fixing a thermocouple (14) to measure a temperature of the heated part. The refractory core is in a form of an application tube, where the external sheath of immersion heater is of large diameter.

Description

Thermoplongeur électrique pour bains de métaux liquides Domaine deElectric immersion heater for liquid metal baths Domaine de

l'invention La présente invention concerne les thermoplongeurs électriques destinés à maintenir en fusion un bain de métal liquide. Par métal liquide, nous entendons tous les métaux purs (aluminium, magnésium, zinc, plomb, étain...) mais également tous leurs alliages dont la température de fusion est généralement comprise entre 200 et 1000 C.  The present invention relates to electric immersion heaters for maintaining a molten metal bath. By liquid metal, we mean all pure metals (aluminum, magnesium, zinc, lead, tin ...) but also all their alloys whose melting temperature is generally between 200 and 1000 C.

Exposé de l'art antérieur Les thermoplongeurs électriques sont déjà largement utilisés dans l'industrie afin de maintenir à température constante des fours de fusion. Ils se présentent pour la plupart sous la forme d'un élément axisymétrique placé verticalement dans le four. Ils sont généralement suspendus par la paroi supérieure du four. Le thermoplongeur comporte une zone chauffante qui doit être immergée dans le produit à chauffer et une zone non chauffante permettant de faire le lien entre la zone chauffante et le boîtier d'alimentation électrique. La partie inférieure du thermoplongeur étant plongée dans le liquide, elle est nécessairement fermée et étanche, par conséquent toutes les connections électriques se font par la partie supérieure du thermoplongeur. La zone chauffante comporte un élément chauffant interne porté à haute température par le passage d'un courant électrique. Cet élément chauffant interne transmet sa chaleur à une gaine constituant le corps du thermoplongeur, qui transmet à son tour la chaleur au métal ou à l'alliage en fusion. Les principales caractéristiques de ce type de refroidisseur concernent la température de fonctionnement élevée (par exemple de l'ordre de 800 C au niveau de la gaine dans le cas d'un bain d'aluminium liquide), la densité de puissance élevée au niveau de la zone chauffante et la forte agressivité chimique des bains de métal en fusion (notamment à proximité de l'interface libre des matériaux fondus). Cette agressivité impose l'emploi de matériaux spécifiques pour la réalisation de la gaine : carbure de silicium, sialon, nitrure de silicium, composite carbone/carbone, graphite, alumine, nitrure de bore, ... Par exemple, la demande française 272088 décrit le cas du nitrure d'aluminium utilisé soit en tant que matériau massif pour la réalisation de la gaine, soit en tant que revêtement sur un substrat standard. Le brevet australien AU-B-52441/86 reprend le même concept en cherchant à appliquer un revêtement protecteur ayant le même coefficient de dilatation que le métal constituant la gaine ce qui permet de résister aux contraintes de dilatations différentielles. Les éléments chauffants sont généralement réalisés sous la forme d'un fil métallique résistif (demandes françaises FR-A-2623043, 2641930), d'un élément en carbone placé dans une atmosphère inerte afin d'éviter son oxydation à haute température (demandes françaises FR-A-2864416, 2622382, 2559886, brevet européen EP0510701A2), d'un matériau de type semi-conducteur placé entre deux électrodes (brevet US 4039737). Les matériaux doivent permettre de supporter une température de fonctionnement en continu de l'ordre de 1000 à 1200 C au niveau du fil résistif. C'est la raison pour laquelle on retrouve, dans les résistances de type métallique, les alliages à base de nickel-chrome, de tungstène ou de molybdène. Les résistances à base de carbure de silicium ou de bisiliciure de molybdène peuvent être utilisées sous une atmosphère oxydante (air) tandis que le carbone ou les composites à base de carbone nécessitent de fonctionner sous une atmosphère neutre ou réductrice. Cependant l'utilisation de résistances non métalliques nécessite généralement l'emploi de transformateur électrique permettant d'adapter les caractéristiques du réseau principal à celles de la résistance. Ce point est d'autant plus crucial que certains éléments chauffants présentent des variations de résistance en fonction de la température mais également en cours de vieillissement (notamment les carbures de silicium).  BACKGROUND OF THE INVENTION Electric immersion heaters are already widely used in industry to maintain constant temperature melting furnaces. They are mostly in the form of an axisymmetric element placed vertically in the oven. They are usually suspended from the top wall of the oven. The immersion heater comprises a heating zone which must be immersed in the product to be heated and a non-heating zone for connecting the heating zone and the power supply box. The lower part of the immersion heater being immersed in the liquid, it is necessarily closed and sealed, therefore all the electrical connections are made by the upper part of the immersion heater. The heating zone has an internal heating element carried at high temperature by the passage of an electric current. This internal heating element transmits its heat to a sheath constituting the body of the immersion heater, which in turn transmits heat to the molten metal or alloy. The main characteristics of this type of chiller concern the high operating temperature (for example of the order of 800 C at the sheath in the case of a liquid aluminum bath), the high power density at the level of the heating zone and the strong chemical aggressivity of molten metal baths (especially near the free interface of molten materials). This aggressiveness requires the use of specific materials for producing the sheath: silicon carbide, sialon, silicon nitride, carbon / carbon composite, graphite, alumina, boron nitride, etc. For example, the French application 272088 describes the case of aluminum nitride used either as a solid material for producing the sheath, or as a coating on a standard substrate. The Australian patent AU-B-52441/86 uses the same concept by seeking to apply a protective coating having the same coefficient of expansion as the metal constituting the sheath which makes it possible to withstand the constraints of differential expansions. The heating elements are generally made in the form of a resistive wire (French applications FR-A-2623043, 2641930), a carbon element placed in an inert atmosphere to prevent its oxidation at high temperature (French applications FR-A-2864416, 2622382, 2559886, European Patent EP0510701A2), a semiconductor-type material placed between two electrodes (US Pat. No. 4,039,737). The materials must be able to withstand a continuous operating temperature of the order of 1000 to 1200 C at the resistive wire. This is the reason why one finds, in the resistances of the metallic type, alloys based on nickel-chromium, tungsten or molybdenum. Resistors based on silicon carbide or molybdenum bisilicide can be used under an oxidizing atmosphere (air) while carbon or carbon-based composites require operation under a neutral or reducing atmosphere. However, the use of non-metallic resistors generally requires the use of an electrical transformer to adapt the characteristics of the main network to those of the resistor. This point is all the more crucial as some heating elements exhibit resistance variations as a function of temperature but also during aging (in particular silicon carbides).

Résumé de l'invention La présence invention vise un thermoplongeur de forme allongée permettant de chauffer des bains de métal liquide tout en supportant les contraintes liées à ces bains (température de fonctionnement élevée, résistance au chocs thermiques, résistances à la corrosion, durée de vie importante).  SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to an elongated immersion heater for heating liquid metal baths while supporting the constraints related to these baths (high operating temperature, resistance to thermal shock, corrosion resistance, service life significant).

Un autre objet de l'invention consiste à utiliser une résistance électrique de type métallique permettant une alimentation électrique directe du thermoplongeur à partir du réseau principal sans utilisation de transformateur.  Another object of the invention is to use a metal-type electrical resistor allowing a direct power supply of the immersion heater from the main network without the use of a transformer.

Un autre objet de l'invention est de pouvoir proposer un branchement permettant 25 une alimentation directe du thermoplongeur sous un réseau triphasé.  Another object of the invention is to be able to propose a connection allowing a direct supply of the immersion heater under a three-phase network.

Un autre objet de l'invention est d'assurer une durée de vie suffisante et une fiabilité permettant l'utilisation du thermoplongeur dans un cadre industriel.  Another object of the invention is to ensure a sufficient life and reliability allowing the use of the immersion heater in an industrial setting.

Dans ce but, la présente invention prévoit la mise en place d'une résistance électrique métallique sur une âme réfractaire. Deux zones peuvent alors être considérées : - une zone chauffante sur laquelle la résistance est enroulée en hélicoïde.  For this purpose, the present invention provides for the introduction of a metallic electrical resistance on a refractory core. Two zones can then be considered: - a heating zone on which the resistance is helically wound.

Cette résistance peut être constituée d'un seul fil pour une alimentation sous une tension monophasée ou de trois fils reliés en un point commun permettant une alimentation sous une tension triphasée. Dans ce cas les 3 fils décrivent trois hélicoïdes imbriquées les unes dans les autres. une zone froide sur laquelle le fil métallique est placé dans l'axe longitudinal du thermoplongeur et pour laquelle le fil métallique a une valeur ohmique plus faible que dans la zone froide. Cette zone froide permet de faire le lien électrique entre le réseau électrique externe et la zone chauffante. Le matériau constituant l'âme doit être réfractaire afin de supporter la température maximale des fils métalliques lors du fonctionnement, isolant électrique afin de ne pas mettre les fils métalliques en court circuit et conducteur thermique afin de favoriser le refroidissement des fils métalliques constituant la résistance. L'ensemble ainsi constitué est placé dans une gaine en céramique ou en métal avec revêtement protecteur. Cette gaine est ensuite placée dans le métal en fusion afin de maintenir ce dernier en température. Le diamètre extérieur de l'âme réfractaire équipée des fils résistifs étant inférieur au diamètre intérieur de la gaine, il est nécessaire de placer un matériau conducteur thermique et isolant électrique entre l'âme et la gaine. Ce matériau doit également supporter la température de fonctionnement des fils résistifs et être compatible avec les différents matériaux employés. II peut, par exemple, être obtenu par compactage d'une poudre réfractaire et thermiquement conductrice. Il est essentiel d'assurer un bon transfert thermique par conduction entre les fils et la gaine sinon les échanges thermiques auront lieu essentiellement par rayonnement avec pour conséquence une forte augmentation de la température du fil pouvant conduite à sa destruction (surchauffe, fusion...). Par ailleurs, ce transfert thermique doit être stable dans le temps afin d'assurer une durée de vie suffisante au produit. Le transfert thermique ne doit pas se dégrader sous l'effet des cycles thermiques et des écarts de dilatation différentielle entre les différents matériaux. L'âme réfractaire pourra être percée longitudinalement en son centre sur une partie de sa longueur afin de recevoir un thermocouple permettant une mesure de température de l'élément chauffant. Cette mesure peut être utilisée pour la régulation en température du bain de métal en fusion ou pour un contrôle des surchauffes du thermoplongeur. La partie supérieure du thermoplongeur doit ensuite être fermée de manière étanche afin d'empêcher l'humidité, ou d'autres pollutions, d'entrer dans le thermoplongeur. Cette fermeture peut avantageusement être réalisée avec un mastic silicone ou acrylique permettant d'obtenir une bonne étanchéité avec la gaine et les fils d'amenée de courant tout en ayant une bonne tenue en température.  This resistance may consist of a single wire for a supply under a single-phase voltage or three son connected to a common point for supplying a three-phase voltage. In this case the 3 wires describe three helicoids nested in each other. a cold zone on which the wire is placed in the longitudinal axis of the immersion heater and for which the wire has a lower ohmic value than in the cold zone. This cold zone makes it possible to make the electrical connection between the external electrical network and the heating zone. The material constituting the core must be refractory in order to withstand the maximum temperature of the metal son during operation, electrical insulation in order not to put the metal son in short circuit and thermal conductor to promote the cooling of the metal son constituting the resistance. The assembly thus formed is placed in a ceramic sheath or metal with protective coating. This sheath is then placed in the molten metal in order to maintain the latter in temperature. Since the outer diameter of the refractory core equipped with the resistive wires is smaller than the inside diameter of the sheath, it is necessary to place a thermally conductive and electrical insulating material between the core and the sheath. This material must also support the operating temperature of the resistive wires and be compatible with the different materials used. It can, for example, be obtained by compacting a refractory and thermally conductive powder. It is essential to ensure a good thermal transfer by conduction between the son and the sheath otherwise heat exchange will take place essentially by radiation with consequent a sharp increase in the temperature of the wire which can lead to its destruction (overheating, melting ... ). Furthermore, this heat transfer must be stable over time to ensure a sufficient life of the product. Thermal transfer must not be degraded by thermal cycling and differential expansion differences between different materials. The refractory core may be drilled longitudinally at its center over a portion of its length to receive a thermocouple for a temperature measurement of the heating element. This measurement can be used for temperature regulation of the molten metal bath or for overheating of the immersion heater. The upper part of the immersion heater must then be sealed to prevent moisture or other pollution from entering the immersion heater. This closure may advantageously be performed with a silicone or acrylic sealant to obtain a good seal with the sheath and the current supply son while having a good temperature resistance.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'exemples de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 donne une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation classique d'un thermoplongeur dans le cas d'une alimentation monophasée ; la figure 2 donne une vue en coupe du thermoplongeur suivant la ligne II-II de la figure 1 ; la figure 3 donne une vue en coupe du thermoplongeur suivant la ligne IV-IV de la figure 1 ; la figure 4 donne une vue en perspective de l'âme réfractaire sur la partie 30 chauffante dans le cas d'une alimentation monophasée ; la figure 5 donne une vue en perspective de l'âme réfractaire sur la partie chauffante dans le cas d'une alimentation triphasée ; la figure 6 donne une vue en perspective de l'âme réfractaire au niveau de la zone de transition dans le cas d'une alimentation monophasée ; la figure 7 donne une vue en perspective du thermoplongeur au niveau de la transition entre zone chauffante et zone froide dans le cas d'une alimentation monophasée.  These and other objects, features and advantages of the present invention will be set forth in detail in the following description of particular embodiments given in a non-limiting manner in relation to the attached figures, in which: FIG. longitudinal sectional view of an exemplary conventional embodiment of an immersion heater in the case of a single-phase supply; Figure 2 gives a sectional view of the immersion heater along the line II-II of Figure 1; Figure 3 gives a sectional view of the immersion heater along the line IV-IV of Figure 1; Figure 4 is a perspective view of the refractory core on the heating portion in the case of a single-phase supply; Figure 5 gives a perspective view of the refractory core on the heating part in the case of a three-phase power supply; Figure 6 gives a perspective view of the refractory core at the transition zone in the case of a single-phase power supply; Figure 7 gives a perspective view of the immersion heater at the transition between heating zone and cold zone in the case of a single-phase power supply.

Description détaillée 10Detailed Description 10

La figure 1 présente, à titre d'exemple, une coupe d'un thermoplongeur dans le cas où ce dernier est alimenté par une source monophasée. Ce thermoplongeur est destiné à être monté sur un four ou une poche contenant le métal en fusion 6. Ce 15 métal 6 a préférentiellement un point de fusion compris entre 200 C et 1000 C. II s'agit usuellement d'aluminium, de magnésium, de plomb ou de zinc ainsi que de leurs alliages respectifs. Le thermoplongeur est habituellement monté sur la paroi supérieure du four 5 mais des implantations en face latérales ou inférieures sont également permises. Le thermoplongeur comporte deux zones sur sa longueur : 20 une zone chauffante (partie chaude) Lc qui doit nécessairement être immergée dans le métal en fusion 6 sous peine d'entraîner une destruction du thermoplongeur. La distance minimale entre la surface libre du liquide et le haut de la zone chauffante doit être de 3 à 6 cm. - une zone non chauffante (partie froide) Lf permettant de faire le lien entre la 25 zone chauffante Lc et l'alimentation électrique 7. La température le long de cette zone froide Lf, varie de la température de fonctionnement à la température ambiante. La puissance dissipée par le thermoplongeur sur cette zone froide Lf doit être aussi faible que possible afin d'éviter des surchauffes du thermoplongeur lorsque ce dernier est dans l'air ou dans un 30 manchon isolant comme par exemple lors de la traversée de la paroi 5.  Figure 1 shows, by way of example, a section of an immersion heater in the case where the latter is powered by a single-phase source. This immersion heater is intended to be mounted on an oven or a ladle containing the molten metal 6. This metal 6 preferably has a melting point of between 200 ° C. and 1000 ° C. It is usually aluminum, magnesium, lead or zinc and their respective alloys. The immersion heater is usually mounted on the top wall of the furnace 5, but side or bottom side implantations are also permitted. The immersion heater has two zones along its length: a heating zone (hot part) Lc which must necessarily be immersed in the molten metal 6, otherwise the immersion heater will be destroyed. The minimum distance between the free liquid surface and the top of the heating zone should be 3 to 6 cm. a non-heating zone (cold part) Lf making it possible to make the connection between the heating zone Lc and the electric power supply 7. The temperature along this cold zone Lf varies from the operating temperature to the ambient temperature. The power dissipated by the immersion heater on this cold zone Lf must be as low as possible in order to avoid overheating of the immersion heater when the latter is in the air or in an insulating sleeve such as for example when crossing the wall. .

L'élément chauffant 8 du thermoplongeur est constitué d'une âme 9 en matériau réfractaire supportant le fil résistif 10 et les fils d'amenée de courant 16. Cette âme 9 comporte deux zones sur sa longueur : une zone sur laquelle sont réalisées des rainures hélicoïdales. Cette zone correspond à la zone chauffante Lc du thermoplongeur. - une zone sur laquelle sont réalisées des rainures droites. Cette zone correspond à la zone froide Lf du thermoplongeur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, cette âme 9 est réalisée en céramique ayant une bonne tenue aux chocs thermiques et une bonne tenue à la température comme par exemple du nitrure de bore, de l'alumine, du nitrure d'aluminium, du carbure de silicium... Dans le cas d'un bain d'aluminium en fusion, la température du bain étant de 750 C environ, la température du fil chauffant 10 sera de l'ordre de 1000 à 1050 C. Le matériau choisi doit donc supporter ce niveau de température en continu. Différents procédés peuvent être envisagés pour la réalisation de cette âme (par exemple l'usinage, le moulage ou le pressage isostatique). Le procédé sera retenu en fonction du matériau et en en fonction du nombre de pièce à réaliser. Comme les fils chauffants 10 sont enroulés sur l'âme 9, il est nécessaire que cette âme soit électriquement isolante afin d'éviter les courts circuits entre les fils 10.  The heating element 8 of the immersion heater consists of a core 9 of refractory material supporting the resistive wire 10 and the current supply wires 16. This core 9 has two zones along its length: an area on which grooves are made helical. This zone corresponds to the heating zone Lc of the immersion heater. an area on which straight grooves are made. This zone corresponds to the cold zone Lf of the immersion heater. According to a preferred embodiment of the invention, this core 9 is made of ceramic having good resistance to thermal shock and good resistance to temperature such as boron nitride, alumina, aluminum nitride , silicon carbide ... In the case of a bath of molten aluminum, the bath temperature being about 750 C, the temperature of the heating wire 10 will be of the order of 1000 to 1050 C. The material chosen must therefore support this level of temperature continuously. Various methods can be envisaged for producing this core (for example machining, molding or isostatic pressing). The process will be selected depending on the material and depending on the number of pieces to be made. As the heating wires 10 are wound on the core 9, it is necessary for this core to be electrically insulating in order to avoid short circuits between the wires 10.

Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention il est possible d'utiliser une âme en métal réfractaire à condition d'appliquer un dépôt sur cette âme afin de réaliser l'isolation électrique pour des tensions usuelles de quelques centaines de Volt. Ce dépôt peut, par exemple, être à base d'alumine, de silice, de nitrure d'aluminium ou de carbure de silicium. Le coefficient de dilation du matériau constituant le dépôt doit être proche de celui du matériau constituant l'âme afin d'éviter l'apparition de craquelures ou de fissures au cours du temps qui pourraient nuire à l'isolation électrique des fils résistifs 10 et donc nuire à la durée de vie du thermoplongeur. Le fil résistif 10 est placé dans les rainures hélicoïdales de l'âme 9. Ce fil résistif 30 est de préférence de nature métallique comme par exemple à base de nickel/chrome, de tungstène ou d'alliage de chrome...  According to another preferred embodiment of the invention it is possible to use a refractory metal core provided to apply a deposit on this core in order to achieve electrical insulation for usual voltages of a few hundred volts. This deposit may, for example, be based on alumina, silica, aluminum nitride or silicon carbide. The coefficient of expansion of the material constituting the deposit must be close to that of the material constituting the core in order to avoid the appearance of cracks or cracks over time which could harm the electrical insulation of the resistive wires 10 and therefore adversely affect the life of the immersion heater. The resistive wire 10 is placed in the helical grooves of the core 9. This resistive wire 30 is preferably of a metallic nature, for example based on nickel / chromium, tungsten or chromium alloy.

Le fil d'amenée de courant 16 est placé dans les rainures droites de l'âme 9. Ce fil d'amenée de courant est également de préférence de nature métallique (chrome, nickel, cuivre ....). L'élément chauffant 8 ainsi constitué est placé dans une gaine 11 partiellement immergée dans le métal en fusion 6. Cette gaine doit résister à des températures proches de 1000 C, être bonne conductrice thermique afin d'assurer un bon transfert thermique entre l'élément chauffant 8 et le métal en fusion 6 et être compatible avec les bains de métaux fondus dans lesquels elle est plongée. A titre d'exemple, les matériaux constituant cette gaine peuvent être des composés à base de : carbure de silicium, sialon, nitrure de silicium, alumine, composite carbone/carbone, graphite, nitrure de bore... De plus cette gaine ne doit pas être poreuse afin d'éviter la pénétration de l'alliage dans le thermoplongeur. Le diamètre externe de l'élément chauffant 8 étant inférieur au diamètre interne de la gaine 11, il est nécessaire de combler l'espace annulaire ainsi créé par un matériau 12 réfractaire, isolant électrique et bon conducteur thermique permettant d'assurer le transfert thermique entre les fils résistifs 10 et la gaine 11. Ce matériau 12 peut avantageusement être obtenu sous la forme d'une poudre céramique, compactée, permettant un contact intime avec les fils résistifs 10 et avec la gaine 11. A titre d'exemple, ce matériau 12 peut être obtenu à partir d'une poudre de nitrure de bore, de nitrure d'aluminium ou de magnésie. L'âme réfractaire 9 peut être percée longitudinalement par un trou 13 permettant le passage d'un thermocouple 14. Ce thermocouple 14 peut être positionné de préférence au niveau de la partie supérieure de la zone chauffante Lc. La mesure de température peut être utilisée par exemple pour réguler le bain en température ou pour protéger le thermoplongeur de surchauffes éventuelles notamment lors de l'ouverture du four où en cas d'abaissement du niveau de métal liquide au-dessous de la zone chauffante. La partie supérieure du thermoplongeur comporte une fermeture 15 permettant de faire une étanchéité de l'élément chauffant par rapport au milieu extérieur afin de le protéger contre toute pollution (poussière, humidité) qui pourrait réduire sa durée de vie. Compte tenu de l'environnement du thermoplongeur et de sa position au-dessus du four, la température peut atteindre une centaine de degré. II est donc conseiller d'utiliser un matériau de type mastic silicone ou acrylique afin de s'assurer de cette étanchéité. La liaison entre le réseau électrique principal 7 et les amenées de courant 14 est 5 effectué selon les règles de l'art avec des fils électriques standards connectés aux amenées 14 par l'intermédiaire de manchon 16.  The current feed wire 16 is placed in the straight grooves of the core 9. This current feed wire is also preferably of a metallic nature (chromium, nickel, copper, etc.). The heating element 8 thus constituted is placed in a sheath 11 partially immersed in the molten metal 6. This sheath must withstand temperatures close to 1000 C, be a good thermal conductor to ensure a good heat transfer between the element heating 8 and the molten metal 6 and be compatible with molten metal baths in which it is dipped. By way of example, the materials constituting this sheath may be compounds based on: silicon carbide, sialon, silicon nitride, alumina, carbon / carbon composite, graphite, boron nitride, etc. Furthermore this sheath must not not be porous to avoid penetration of the alloy into the immersion heater. Since the outer diameter of the heating element 8 is smaller than the internal diameter of the sheath 11, it is necessary to fill the annular space thus created by a refractory material 12, electrical insulator and good thermal conductor to ensure the heat transfer between the resistive son 10 and the sheath 11. This material 12 may advantageously be obtained in the form of a compacted ceramic powder, allowing intimate contact with the resistive son 10 and with the sheath 11. For example, this material 12 can be obtained from a powder of boron nitride, aluminum nitride or magnesia. The refractory core 9 may be pierced longitudinally by a hole 13 allowing the passage of a thermocouple 14. This thermocouple 14 may be preferably positioned at the upper portion of the heating zone Lc. The temperature measurement can be used, for example, to regulate the bath in temperature or to protect the immersion heater from possible overheating, especially during the opening of the oven or when the level of liquid metal is lowered below the heating zone. The upper part of the immersion heater comprises a closure 15 making it possible to seal the heating element relative to the external environment in order to protect it against any pollution (dust, moisture) which could reduce its service life. Given the environment of the immersion heater and its position above the oven, the temperature can reach a hundred degree. It is therefore advisable to use a silicone or acrylic mastic type material to ensure this seal. The connection between the main electricity network 7 and the current leads 14 is carried out according to the rules of the art with standard electric wires connected to the leads 14 via sleeve 16.

La figure 2 donne une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. Cette coupe est donc réalisée au niveau de le zone chauffante Lc du thermoplongeur. L'âme 9 10 comporte des rainures hélicoïdales 20 à l'intérieur desquelles est placé le fil résistif 10. L'ensemble est placé dans la gaine 11. Le jeu annulaire est rempli du matériau réfractaire 12 (isolant électrique et conducteur thermique). A titre d'exemple, le diamètre intérieur de la gaine 11 est de 16 mm, le diamètre de l'âme 9 est de 13 mm et les fils chauffants ont un diamètre de 0,5 mm. Le jeu annulaire rempli par 15 le matériau réfractaire 12 a donc un rayon de 1,5 mm. L'utilisation d'une poudre compactée est particulièrement pertinente puisqu'elle permet un contact intime avec la gaine 11 d'une part, mais aussi avec le fil résistif 10 : la poudre compactée, utilisée en tant que matériau réfractaire 12, permet d'assurer un bon contact thermique entre le fil résistifs 10 et l'âme 9 au niveau des rainures hélicoïdales 20. 20 Ce bon contact permet de réduire les points chauds au niveau du fil et donc d'assurer une durée de vie suffisante et une fiabilité permettant l'utilisation du thermoplongeur dans un cadre industriel.  Figure 2 gives a sectional view along the line II-II of Figure 1. This cut is made at the heating zone Lc of the immersion heater. The core 9 has helical grooves 20 inside which the resistive wire 10 is placed. The assembly is placed in the sheath 11. The annular clearance is filled with the refractory material 12 (electrical insulator and thermal conductor). By way of example, the inside diameter of the sheath 11 is 16 mm, the diameter of the core 9 is 13 mm and the heating wires have a diameter of 0.5 mm. The annular clearance filled by the refractory material 12 thus has a radius of 1.5 mm. The use of a compacted powder is particularly relevant since it allows intimate contact with the sheath 11 on the one hand, but also with the resistive wire 10: the compacted powder, used as a refractory material 12, makes it possible to ensure a good thermal contact between the resistive wire 10 and the core 9 at the helical grooves 20. 20 This good contact makes it possible to reduce the hot spots at the level of the wire and thus to ensure a sufficient lifetime and a reliability allowing the use of the immersion heater in an industrial setting.

25 La figure 3 donne une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 1. Cette coupe est donc réalisée au niveau de la longueur froide Lf du thermoplongeur. L'âme 9 comporte des rainures droites 21 à l'intérieur desquelles sont placés les fils d'amenée de courant 16 permettant de faire la liaison électrique entre le fil résistif 10 de la zone chauffante Lc et l'extérieur du thermoplongeur. Le fil 16 peut être de 30 même nature que le fil 10. Cependant, la puissance thermique dissipée sur la zone froide doit être aussi faible que possible car le thermoplongeur n'est pas immergé dans le métal. Par conséquent, la résistance électrique du fil d'amenée de courant 16 doit être aussi faible que possible. Il est donc préférable d'avoir un fil 16 de nature différente de celle du fil 10, par exemple du cuivre ou du molybdène (métaux bons conducteurs électriques), ou un fil ayant une section nettement supérieure à celle du fil 10 (par exemple un diamètre de 2 mm). Ces deux paramètres peuvent être conjugués afin de diminuer au maximum la résistance des fils d'amenée 16.  FIG. 3 gives a sectional view along the line IV-IV of FIG. 1. This section is thus made at the level of the cold length Lf of the immersion heater. The core 9 has straight grooves 21 inside which are placed the current leads 16 for making the electrical connection between the resistive wire 10 of the heating zone Lc and the outside of the immersion heater. The wire 16 may be of the same nature as the wire 10. However, the thermal power dissipated on the cold zone must be as low as possible because the immersion heater is not immersed in the metal. Therefore, the electrical resistance of the current lead 16 should be as low as possible. It is therefore preferable to have a wire 16 of a different nature from that of the wire 10, for example copper or molybdenum (metals that are good electrical conductors), or a wire having a section much greater than that of the wire 10 (for example a diameter of 2 mm). These two parameters can be conjugated in order to minimize the resistance of the supply wires 16.

La figure 4 donne une vue en perspective de l'âme 9 au niveau de la longueur chauffante dans le cas d'une alimentation électrique en monophasé. L'âme 9 comporte 2 rainures hélicoïdales 20a et 20b recevant les fils résistifs 10. Les dimensions des rainures 20 (pas, profondeur, largeur) peuvent être ajustées aux dimensions des fils 10 afin d'ajuster les performances du thermoplongeur aux caractéristiques électriques de la source et aux besoins de l'utilisateur. Le fil résistif 10 est placé dans les rainures. A l'extrémité de l'âme 9, les fils résistifs placés dans chaque rainure 20a et 20b sont reliés afin d'assurer la continuité électrique.  FIG. 4 gives a perspective view of the core 9 at the level of the heating length in the case of a single-phase power supply. The core 9 comprises two helical grooves 20a and 20b receiving the resistive wires 10. The dimensions of the grooves 20 (pitch, depth, width) can be adjusted to the dimensions of the wires 10 in order to adjust the performance of the immersion heater to the electrical characteristics of the source and the needs of the user. The resistive wire 10 is placed in the grooves. At the end of the core 9, the resistive wires placed in each groove 20a and 20b are connected to ensure electrical continuity.

La figure 5 donne une vue en perspective de l'âme 9 au niveau de la longueur froide dans le cas d'une alimentation électrique en triphasé. L'âme 9 comporte 3 rainures hélicoïdales 20a, 20b et 20c recevant les fils résistifs 10. Ces trois rainures indépendantes, dont les dimensions sont également ajustées en fonction des performances demandées au thermoplongeur, permettent de recevoir les fils résistifs 10. Afin de réaliser un montage de type étoile sous un réseau triphasé, les 3 fils placés dans les trois rainures hélicoïdales 20 sont reliés entre eux à l'extrémité de l'âme 9 (par exemple par frettage ou par soudure).  Figure 5 gives a perspective view of the core 9 at the cold length in the case of a three-phase power supply. The core 9 comprises three helical grooves 20a, 20b and 20c receiving the resistive wires 10. These three independent grooves, the dimensions of which are also adjusted according to the performances required of the immersion heater, make it possible to receive the resistive wires 10. In order to realize a Star-type assembly under a three-phase network, the 3 son placed in the three helical grooves 20 are interconnected at the end of the core 9 (for example by shrinking or welding).

La figure 6 donne une vue en perspective de l'âme 9 au niveau de la zone froide dans le cas d'une alimentation électrique en monophasé. Cette âme comporte deux rainures droites 21a et 21b permettant de recevoir les fils d'amenée de courant 16. Ces deux rainures 21 sont judicieusement réparties sur la périphérie de l'âme 9 afin d'être alignées avec les rainures hélicoïdales 20 lorsque les zones chaude et froide sont reliées. Le même principe est utilisé pour les liaisons entre les deux zones dans le cas 5 d'une alimentation en triphasé. 10  Figure 6 gives a perspective view of the core 9 at the cold zone in the case of a single-phase power supply. This core comprises two straight grooves 21a and 21b for receiving the current supply wires 16. These two grooves 21 are judiciously distributed over the periphery of the core 9 so as to be aligned with the helical grooves 20 when the hot zones and cold are connected. The same principle is used for the links between the two zones in the case of a three-phase supply. 10

Claims (9)

Revendicationsclaims 1. Thermoplongeur électrique, notamment pour bain de métal en fusion, caractérisé en ce qu'il contient : - une âme, réfractaire, isolante électrique et conductrice thermique comportant des rainures de forme hélicoïde sur la partie chauffante du thermoplongeur, de forme longitudinale sur la partie non chauffante, une résistance métallique est placée dans les rainures hélicoïdales de l'âme au niveau de la zone chauffante du thermoplongeur, - des fils d'amenée de courant placés dans les rainures longitudinales de 15 l'âme au niveau de la zone froide du thermoplongeur. - une gaine externe en matériau réfractaire, inerte vis à vis des métaux en fusion, - un moyen de transfert, de préférence une poudre de nitrure de bore compactée, permettant d'assurer le transfert thermique entre l'âme 20 réfractaire comportant l'élément chauffant et la gaine externe.  1. Electrical immersion heater, especially for molten metal bath, characterized in that it contains: - a core, refractory, electrical insulator and thermal conductor having helically shaped grooves on the heating portion of the immersion heater, of longitudinal shape on the in the non-heating part, a metal resistor is placed in the helical grooves of the core at the heating zone of the immersion heater; current feed wires placed in the longitudinal grooves of the core at the cold zone; of the immersion heater. an outer sheath made of refractory material, inert with respect to molten metals, a transfer means, preferably a compacted boron nitride powder, making it possible to ensure the heat transfer between the refractory core comprising the element heating and outer sheath. 2. Thermoplongeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'âme réfractaire comporte deux rainures en hélicoïde permettant une alimentation 25 électrique en monophasé.  2. Immersion heater according to claim 1, characterized in that the refractory core comprises two helical grooves for a single-phase electrical supply. 3. Thermoplongeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'âme réfractaire comporte trois rainures en hélicoïde avec un point commun en 30 extrémité de zone chauffante permettant une alimentation électrique en triphasé (montage en étoile).  3. Immersion heater according to claim 1, characterized in that the refractory core comprises three helical grooves with a common point at the end of the heating zone allowing a three-phase power supply (star assembly). 4. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'âme réfractaire est réalisée en céramique obtenue par usinage, pressage ou moulage.  4. Thermoplongeur according to claims 1 to 3, characterized in that the refractory core is made of ceramic obtained by machining, pressing or molding. 5. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'âme réfractaire est de nature métallique mais revêtue d'un dépôt réfractaire et isolant électrique permettant d'assurer l'isolement des fils résistifs même sous l'effet des cycles thermiques et des niveaux de température élevés.  5. Immersion heater according to claims 1 to 3, characterized in that the refractory core is of a metallic nature but coated with a refractory deposit and electrical insulator to ensure the isolation of the resistive son even under the effect of thermal cycles and high temperature levels. 6. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les rainures longitudinales présentes sur la partie non chauffante de l'âme, ont une section supérieure à celles rencontrée sur la partie chauffante, afin de pourvoir augmenter la section des fils résistifs et ainsi réduire l'échauffement thermique au niveau de la zone non chauffante.  6. Immersion heater according to claims 1 to 5, characterized in that the longitudinal grooves present on the non-heating portion of the core, have a section greater than those encountered on the heating portion, in order to increase the section of the resistive son and thus reducing the thermal heating at the level of the non-heating zone. 7. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau constituant les fils dans la zone froide est de nature différentes de celui constituant les fils de la zone chauffante.  7. Immersion heater according to claims 1 to 6, characterized in that the material constituting the son in the cold zone is of different nature from that constituting the son of the heating zone. 8. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'âme comporte un trou dans son axe longitudinal permettant la mise en place d'un thermocouple pour la mesure de la température de la zone chauffante. 30  8. Immersion heater according to claims 1 to 7, characterized in that the core has a hole in its longitudinal axis for the establishment of a thermocouple for measuring the temperature of the heating zone. 30 9. Thermoplongeur suivant les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'âme réfractaire se présente sous la forme d'un tube pour des applications où la gaine externe du thermoplongeur est de grand diamètre. 5  9. Immersion heater according to claims 1 to 7, characterized in that the refractory core is in the form of a tube for applications where the outer sheath of the immersion heater is of large diameter. 5
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