Fours électriques à résistances
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Fours électriques à résistances Technologies de mise en œuvre par Jean-François BOURGEOIS Alain GIRAULT Richard JAUME Marianne LE BOULCH et Claude OBERLIN EDF Division Recherche & Développement Ingénieur Senior SEE 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Résistances électriques.......................................................................... Résistance et résistivité............................................................................... Groupement de résistances........................................................................ Critères de choix .......................................................................................... Les différents types de résistances ............................................................ Formes et dispositions des résistances dans les fours électriques......... Dimensionnement des résistances électriques......................................... 2. 2.1 2.2 Alimentation électrique de puissance des fours électriques ...... Rappels de la réglementation et de la normalisation............................... Caractéristiques générales des installations ............................................. — — — 10 10 10 3. 3.1 3.2 3.3 Régulation des fours électriques à résistances .............................. Constitution d’un système de régulation .................................................. Dispositifs de modulation de la variation de puissance........................... Montages usuels de régulation .................................................................. — — — — 13 13 13 13 4. 4.1 4.2 Modélisation des fours électriques à résistances .......................... Code SAFIR .................................................................................................. Code SYRTHES ............................................................................................ — — — 14 14 15 5. 5.1 5.2 5.3 Évolution des fours électriques à résistances ................................. Fours à haute densité de puissance........................................................... Fours à faible inertie thermique ................................................................. Fours à résistances sous vide..................................................................... — — — — 15 15 15 16 6. 6.1 6.2 Avantages et limitations des fours électriques à résistances .... Avantages..................................................................................................... Limitations.................................................................................................... — — — 16 16 17 7. 7.1 7.2 7.3 Exploitation des fours électriques à résistances ............................ Bilan thermique ........................................................................................... Conditions d’exploitation............................................................................ Politique d’entretien .................................................................................... — — — — 17 17 18 18 Pour en savoir plus ........................................................................................... D 5 911 — 2 — 2 — 2 — 2 — 3 — 6 — 10 Doc. D 5 913 es fours électriques à résistances constituent les équipements électrothermiques industriels les plus connus et les plus répandus. Ils continuent à faire l’objet de nombreux perfectionnements, fruits d’efforts soutenus de recherche et développement pour les faire évoluer afin de mieux répondre aux besoins exprimés par les industriels utilisateurs. Un four à résistances est essentiellement constitué : L Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 911 − 1 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ — d’une enceinte (laboratoire ou chambre de chauffe) réalisée à partir de matériaux à caractère isolant ou réfractaire dont le rôle est de réduire les pertes thermiques par transmission vers l’extérieur. Elle varie par sa forme, par le moyen de manutention de la charge ou son type d’exploitation ; — de résistances électriques disposées en voûte, en sole ou sur les parois latérales (pariétales) de l’enceinte. Leur alimentation est assurée soit directement par le réseau, soit par l’intermédiaire d’un ou plusieurs transformateurs ; un système de modulation de la puissance y est associé, piloté par un système de régulation de température ; — de la charge à traiter, caractérisée par sa forme, sa nature et sa température initiale. L’article décrit en détails les différents constituants (enceinte, résistances électriques, alimentation électrique de puissance, systèmes de régulation), donne quelques éléments essentiels sur les conditions d’exploitation, les avantages et les limitations d’utilisation d’un four électrique. L’étude complète du sujet comprend les articles : [D 5 910] – Fours électriques à résistances. Présentation générale ; [D 5 911] – Fours électriques à résistances. Technologies de mise en œuvre (le présent article) ; [D 5 912] – Fours électriques à résistances. Applications industrielles ; [Doc. D 5 913] – Fours électriques à résistances « pour en savoir plus ». 1. Résistances électriques 1.2 Groupement de résistances 1.1 Résistance et résistivité Les résistances peuvent être montées et groupées de différentes façons. Les groupements les plus usuels sont représentés sur les figures 1 et 2, soient : La valeur de la résistance R (Ω) d’un corps de chauffe de longueur (m), de section uniforme S (m2) et de résistivité ρ (Ω · m) est donnée par la relation : R = ρ( ⁄ S) L’inverse de la résistance C = 1/R est la conductance. La résistivité varie en fonction de la température selon : ρT = ρ0(1 + αT) avec ρT résistivité à la température T, ρ0 résistivité à 0 ˚C, α coefficient de température de la résistivité (en ˚C−1). — le couplage en série où la résistance équivalente est égale à la somme des résistances élémentaires ; — le couplage en parallèle où la conductance équivalente est égale à la somme des conductances élémentaires ; — le couplage mixte combinant les deux montages précédents ; — le couplage série parallèle qui, par la manœuvre d’un commutateur approprié, permet de faire varier la puissance dissipée dans un rapport de 1 à 4 ; — le couplage étoile triangle qui, destiné à être alimenté en courant alternatif triphasé, permet de faire varier, par un commutateur, la puissance dans un rapport de 1 à 3. Des commutateurs électromécaniques permettent de passer d’un montage à l’autre et donc de faire varier la puissance instantanée dissipée dans le four (figure 3). En courant alternatif triphasé, le coupage triangle est utilisé, par exemple, pendant la montée en température, puis le couplage étoile pendant le maintien en température. Le passage d’un couplage à l’autre permet également de tenir compte des variations de résistivité de certains éléments chauffants avec la température (le bisiliciure de molybdène, par exemple). La résistivité ρ doit être élevée afin de limiter l’intensité du courant et de réduire les dimensions du corps de chauffe. Le coefficient de température α doit être faible, positif et sensiblement constant pour toutes les températures d’utilisation, afin d’atténuer les variations de courant et de faciliter le réglage de la puissance injectée. D 5 911 − 2 1.3 Critères de choix Les résistances chauffantes constituent l’élément essentiel du four. Leur choix est établi par le constructeur à partir du cahier de Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________________________ FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES I I r1 A B Désignation r2 A U = R1 R = r1 + r2 r2i2 r1i1 r1 I I A B r2i2 I A r4 B r3i3 r2i2 = r3i3 r1i1 r2i2 1 1 1 = + r r2 r3 R = r1 – r + r4 I A B r3i3 1 1 =Σ R r I1 r B r I2 U 2r Couplage parallèle : I2 = U r 2 Couplage série : I1 = I2 r P2 = 4P1 U I' I U Puissance Courant continu ou courant alternatif monophasé 2 U Courant continu ou courant alternatif monophasé 3 U Courant alternatif triphasé avec neutre (étoile) 4 Courant alternatif triphasé sans neutre (étoile) 3 Courant alternatif triphasé triangle) 3 Courant alternatif diphasé (3 fils) 3 Courant alternatif diphasé (4 fils) 4 Courant alternatif diphasé (5 fils) 5 E U P = UI U = 2E P = UI = 2EI U U=E 3 P = UI 3 = 3EI U=E 3 P = UI 3 U P = UI 3 E U r A E Tension U = R1 U = R1 I Schéma d’alimentation B U = R1 I Nombre de fils R R U R R I' I Couplage étoile E R U2 P = UI 3 = 3EI = R i i i R R Couplage triangle U R 3U2 P = UI' 3 = 3Ui = R U = E 3, I = U = i 3, i = U U' U' = U 2 P = 2U’I U U U U P = 2UI U E U' U U = 2E U’ = E 2 U P = 2UI = 4EI P’ = 3P U, E, U’ = tension Figure 1 – Résistance équivalente à un groupement de résistances charges fonctionnel, en tenant compte sans confusion des paramètres suivants : — — — — la température limite supérieure d’emploi des résistances ; la température de fusion des éléments résistifs ; la température de la charge ; la température de l’enceinte. Trois caractéristiques essentielles sont à prendre en compte pour choisir les résistances : — le taux de charge caractérisé par la puissance dissipée par unité de surface émissive, exprimée en W/m2. Il est lié à la température limite supérieure d’emploi des résistances et dépend donc de la température d’utilisation, de sa forme et du montage. Le taux de charge n’est pas un critère significatif de comparaison entre deux fours ; I = intensité Figure 2 – Modes d’alimentation des résistances chauffantes — la durée de vie qui dépend essentiellement de leur utilisation réelle (température limite, cycles de chauffe et de refroidissement, atmosphère, environnement...), mais également, à utilisation identique, de la section de la résistance ; — l’atmosphère du four doit être définie, car elle influe fortement sur le choix du type de résistance, la température limite d’emploi, les conditions d’utilisation et la durée de vie des résistances. 1.4 Les différents types de résistances Le matériau d’une résistance électrique doit répondre, outre aux conditions édictées au paragraphe 1.1, à plusieurs conditions : Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 P = puissance D 5 911 − 3 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ — les températures du solidus et de fusion doivent être très supérieures à la température maximale de fonctionnement du four ; — la résistance mécanique doit être suffisante et sa structure doit être conservée après une longue durée de service ; — le coefficient de dilatation doit être faible ; — la conductivité et la capacité thermique doivent être peu élevées. U B Pour plus de détails, le lecteur pourra se reporter dans le traité Génie électrique à l’article [D 2 620] Matériaux pour résistances électriques. A Position A couplage étoile Position B ; puissance Pe ■ Résistances métalliques à base d’alliages NiCr et FeAlCr couplage triangle ; puissance Pt La première caractéristique de ces résistances est de pouvoir être fournies par le concepteur à partir de formes simples disponibles dans le commerce : fil, ruban, éventuellement tube ou tôle. Les tableaux 1, 2 et 3 donnent respectivement leurs températures limites d’utilisation en fonction de l’atmosphère des fours, leurs caractéristiques, et leurs performances. Pt = 3 Pe Figure 3 – Représentation schématique d’un dispositif électromécanique. Passage du couplage étoile au couplage triangle et vice versa (0) Tableau 1 – Températures limites (en ˚C) d’utilisation des résistances en alliages NiCr et FeCrAl en fonction de l’atmosphère du four NiCr 60/15 Atmosphère NiCr 80/20 NiCr 70/30 FeCrAl 25/5 FeCrAl 22/5,8 FeCrAl 22/5,3 Atmosphère oxydante : – sèche.................................................................. 1 150 1 200 1 260 1 300 1 400 1 400 – humide .............................................................. 1 100 1 150 1 150 1 200 1 300 1 200 – azote .................................................................. 1 100 1 200 1 250 1 150 1 200 1 250 – argon ................................................................. 1 100 1 200 1 250 1 300 1 400 1 400 – exothermique.................................................... 1 000 1 100 1 200 1 100 1 150 1 150 Atmosphère neutre (1) : Atmosphère réductrice (1) : – hydrogène ......................................................... 1 100 1 200 1 200 1 300 1 400 1 400 – ammoniac craqué............................................. 1 100 1 200 1 200 1 100 1 200 1 200 – endothermique ................................................. 1 100 1 100 1 100 1 000 1 050 1 050 Vide 0,1 Pa (10−6 bar) (2)..................................... 900 1 000 1 000 1 100 1 150 1 200 (1) Oxydation préalable indispensable pour les alliages FeCrAl. (2) En cas de vide plus poussé, il est déconseillé d’utiliser ces résistances au-dessus de 900 ˚C à cause de la tension de vapeur du chrome fonction du couple température/pression. (0) Tableau 2 – Caractéristiques principales des résistances en alliages NiCr et FeCrAl Caractéristiques NiCr 60/15 NiCr 80/20 NiCr 70/30 FeCrAl 25/5 FeCrAl 22/5,8 FeCrAl 22/5,3 Point de fusion.......................................... (˚C) 1 390 1 400 1 380 1 500 1 500 1 500 Résistivité (en Ω · m) : – à 20 ˚C ............................................................ 112 109 118 145 145 139 – à 1 000 ˚C ....................................................... 126 114 125 151 151 147 D 5 911 − 4 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________________________ FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES (0) Tableau 3 – Performances des résistances élaborées à partir d’alliages NiCr et FeCrAl Alliage Avantages Inconvénients Contraintes NiCr • Disponible sous toutes les formes : fils, bandes ou tubes • Mise en forme à façon • Résistivité variant faiblement avec la température • Sensible aux atmosphères soufrées et chlorées • Écaillage de la couche d’oxyde aux températures limites d’emploi FeCrAl • Mêmes avantages que pour les alliages NiCr et : – température limite d’utilisation plus élevée ; – action protectrice de la couche d’alumine. • Mêmes inconvénients que pour les alliages NiCr et : – sensibilité aux impuretés du réfractaire en contact ; – tenue mécanique limitée et fragilisation après la première chauffe ; – phénomène de « cheminement » plus important (striction et allongement des résistances). • Oxydation préalable obligatoire • Teneur minimale en alumine des supports : 60 % • Dans les fours sous atmosphère, la couche d’oxyde est à régénérer périodiquement (0) Tableau 4 – Performances des résistances en métaux spéciaux (Mo, Ta, W) Avantages Utilisables à très hautes températures sous vide, hydrogène et azote : – molybdène : 1 600 à 1 700 ˚C ; – tantale : 2 300 à 2 400 ˚C ; – tungstène : 2 500 à 2 600 ˚C. Inconvénients Contraintes • Mise en œuvre délicate • Soudures difficiles • Fragilisation à froid après plusieurs cycles de chauffe • Variation importante de la résistivité avec la température • Fonctionnement obligatoire sous atmosphère non oxydante • La forte variation de la résistivité nécessite une alimentation électrique adaptée • En présence d’azote, ne pas dépasser 1 600 ˚C avec le molybdène et 2 400 ˚C avec le tungstène (formation de nitrures) ■ Résistances en métaux spéciaux Ils peuvent être utilisés au-delà de 1 300 ˚C. Le tableau 4 indique les performances de ces résistances. ■ Résistances non métalliques et cermets Les tableaux 5 et 6 donnent respectivement leurs températures limites d’utilisation en fonction de l’atmosphère des fours et leurs performances. (0) Tableau 5 – Températures limites (en ˚C) d’utilisation des résistances non métalliques et des cermets en fonction de l’atmosphère du four Carbure de silicium Atmosphère Graphite Chromite de lanthane Bisiliciure de molybdène Qualité Qualité 1 700 1 800 1 900 2 000 1 900 Atmosphère oxydante : – air .................................................................. 450 1 500 1 600 1 700 1 800 1 350 1 600 1 700 1 800 Atmosphère neutre : – azote ............................................................. ........................ – argon, hélium............................................... (1) – exothermique............................................... ........................ Exclu 1 700 1 600 1 700 1 800 ....................... 1 250 à 1 400 1 600 1 700 1 750 Atmosphère réductrice : – hydrogène .................................................... (1) Exclu – endothermique ............................................ Vide 0,1 Pa (10−6 bar) ..................................... 2 500 Exclu 1 200 1 650 1 400 1 450 1 250 à 1 400 1 600 1 700 1 750 1 000 à 1 200 Utilisation déconseillée Attention, ces températures sont celles des résistances, donc toujours nettement supérieures à celles de l’enceinte du four et a fortiori de la charge. Les températures indiquées correspondent à une atmosphère sèche et doivent être modulées en fonction du point de rosée. (1) Voir les contraintes dans le tableau 6. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 911 − 5 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ (0) Tableau 6 – Performances des résistances non métalliques et des cermets Résistances Avantages Inconvénients Graphite • Température limite : 2 500 ˚C • Résistivité variant peu avec la température et dans le temps • Facilité de mise en œuvre Carbure de silicium • Bonne tenue mécanique et rigidité à chaud • Facilité de mise en œuvre • Disponibles sous forme de U, baguettes, spirales... • Variation de la résistivité en fonction du temps et des conditions d’utilisation (température, cycle, régulation) • Sensibilité aux chocs thermiques et mécaniques • Sensibilité à certaines atmosphères (présence d’halogènes, fondants...) • Présence de vapeur d’eau à éviter • Montage en parallèle des résistances recommandé • Alimentation électrique adaptée Bisiliciure de molybdène • Insensibilité aux chocs thermiques • Peu fragile à chaud • Disponibles seulement sous forme d’épingles en U • Très fragile à froid • La résistivité augmente fortement avec la température • Précautions de mise en œuvre • Bien respecter les spécifications de montage • Alimentation électrique adaptée Chromite de lanthane • Pas de variation de résistivité dans le temps • Alimentation électrique simple : tension réseau • Ne peut pas être utilisé en atmosphère oxydante au-dessus de 450 ˚C • Pas de contact direct avec les métaux ■ Résistances blindées Pour des compléments d’information, le lecteur pourra se reporter dans ce même traité à l’article [D 5 960] Maintien en température de tuyauteries par effet Joule. Les résistances blindées sont d’une conception sensiblement différente des précédentes : la résistance ne rayonne plus librement car elle est noyée dans un isolant, l’ensemble étant contenu dans une gaine métallique étanche appelée blindage. La présence de l’isolant (généralement de la magnésie) entraîne une forte différence de température entre la résistance et la gaine, ce qui limite la température d’emploi. Ces éléments sont utilisés pour le chauffage de fours ventilés basse température (température limite de la gaine comprise entre 600 et 700 ˚C) et sont particulièrement indiqués dans le cas d’atmosphères agressives susceptibles de détériorer les résistances. Ils sont également destinés au chauffage des liquides et des solides. Outre les éléments blindés classiques, il existe les cannes à haut flux, réalisées selon le même principe, mais en remplaçant la magnésie par un isolant plus performant (par exemple, le nitrure de bore). Elles sont réservées au chauffage des liquides et des solides dans les cas particuliers où l’on a besoin d’un pouvoir émissif élevé. 1.5 Formes et dispositions des résistances dans les fours électriques Les différentes possibilités de montage des résistances électriques dans le four varient en fonction du type de four et de son isolation, de la nature de la résistance (métallique, non métallique, blindée), et de sa position dans le four (voûte, parois, sole). D’une façon générale, les dispositifs de montage ou d’accrochage servent à fixer et positionner les résistances dans le four et à séparer les résistances des parois du four : — séparation mécanique pour assurer une bonne dilatation des éléments chauffants ; — protection physico-chimique dans certains cas ; — séparation électrique. D 5 911 − 6 Contraintes • Atmosphère nécessairement oxydante ■ Pour les deux grandes familles de résistances, on retiendra quelques principes de base. ● Résistances métalliques : — plus la résistance rayonne librement, moins elle risque de surchauffer ; — moins nombreuses seront les traversées, plus faibles seront les pertes thermiques associées et, pour les fours sous atmosphère, les fuites par les joints d’étanchéité ; — les connexions doivent être facilement accessibles, contrôlables et ventilées, voire refroidies ; — la facilité de maintenance des résistances doit être regardée en fonction de l’utilisation du four. ● Résistances non métalliques Chaque résistance a une forme prédéfinie par le fabricant en fonction de sa nature, et il est impossible de la modifier. Les traversées de paroi font partie intégrante de l’élément chauffant, et il est recommandé d’utiliser exclusivement les accessoires de traversée préconisés par le fournisseur des éléments et de bien respecter le mode et les recommandations de montage. 1.5.1 Résistances pour fours à convection forcée Dans les fours travaillant par convection forcée, les éléments chauffants sont souvent groupés en batteries formées de résistances en bandes rigides, en fils supportés par des supports réfractaires (jusqu’à 800 ˚C environ) ou de résistances blindées à ailettes (jusqu’à 500 ˚C environ) : voir figure 4. D’autres éléments chauffants sont constitués en métal déployé sous forme de tôle emboutie en alliage FeNiCr (figure 5). Ils sont assemblés parallèlement les unes aux autres, leur grande dimension dans le sens vertical, pour constituer une nappe chauffante ; plusieurs nappes associées forment un étage du réchauffeur d’air constitué de plusieurs modules. Ces résistances permettent d’obtenir des réchauffeurs de forte puissance (jusqu’à quelques mégawatts unitaire) et à haute température (800 ˚C). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________________________ FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES 1 Résistance chauffante 1 Résistance chauffante 1 2 Support réfractaire 2 1 a b 1 2 Support réfractaire a résistances en fils 2 1 1 c 1 2 2 d 1 2 b résistances en bandes 1 2 e Figure 4 – Batteries d’éléments chauffants pour fours à convection forcée Couple Tôle déployée thermoélectrique A B A B Lanière Support plein et connexion Coupe BB a aspect de la tôle déployée b disposition des nappes dans un réchauffeur d’air Figure 5 – Réchauffeur de gaz par un four à résistances en métal déployé 1.5.2 Résistances pour fours à rayonnement Dans les fours travaillant par rayonnement, les éléments chauffants sont employés le plus souvent sous la forme de : résistances boudinées, résistances en rubans ondulés, résistances en épingles formées en ondes, résistances tubulaires, résistances moulées. ■ Une résistance boudinée est constituée d’un fil rond façonné sous la forme d’un ressort. Ces résistances sont réparties sur les parois du laboratoire et supportées par des pièces réfractaires (corbeaux) ou placées dans des briques rainurées (figure 6). Pour façonner une résistance boudinée, il est important d’assurer une bonne tenue mécanique (le diamètre de boudinage ne doit pas être supérieur à 10 fois le diamètre du fil), et un rayonnement libre de la résistance (l’entraxe entre deux spires ne doit pas être inférieur à 3 fois le diamètre du fil). Cette forme d’élément est essentiellement employée pour les alliages FeNiCr, NiCr et FeCrAl. Figure 6 – Résistances boudinées ■ La disposition des résistances en épingles formées en ondes est analogue à celles des résistances en rubans ondulés, mais les ondes sont formées de fils de forte section. La figure 8 présente un système de support et d’ancrage de ce type de résistances dans des réfractaires céramiques fibreux. Les barres d’ancrage et les rondelles de séparation des résistances sont en céramique frittée, les crochets de supportage et de maintien des résistances en acier réfractaire. ■ Les résistances tubulaires peuvent être placées en position horizontale ou verticale dans le four (figure 9). Des isolateurs en céramique frittée, accrochés aux parois du four par des tiges en acier réfractaire supportent les tubes et les maintiennent à une distance suffisante de la paroi intérieure du four. Pour répondre aux besoins de nombreux industriels, améliorer les performances et la compétitivité des fours électriques, de nouvelles solutions ont été développées assurant une forte densité de puissance (> 40 kW/m2) et une température de travail élevée (jusqu’à 1 100 ˚C), tout en conservant une bonne fiabilité en exploitation industrielle. Les résistances tubulaires mécanosoudées (figure 10) sont constituées de tubes en acier réfractaire extrudé (diamètre : 20 à 35 mm, épaisseur : 2 à 4 mm) ; elles sont disposées parallèlement selon une nappe formant une grille rayonnante. Les tubes sont reliés électriquement en série par des barrettes en acier forgé réfractaire plein. Ces éléments sont autoporteurs (en position verticale, aucun support céramique n’est nécessaire), optimisés sur le plan de l’efficacité du rayonnement (chaque tube diffuse son énergie sans étouffement local dû à un support isolant) et sur le plan de l’homogénéité de température. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 f ■ La disposition des résistances en rubans ondulés est souvent préférée au montage en résistances boudinées : la résistance se présente sous la forme d’un méplat. Les dispositifs utilisés pour fixer ces résistances sur les parois du four sont schématisés sur la figure 7. Pour obtenir une bonne tenue mécanique, il est conseillé de ne pas dépasser comme hauteur d’un élément 7 à 8 fois la largeur du ruban. Air Coupe AA 2 a supportées par des briques de forme ; b et c placées sur des supports métalliques ; d suspendues à la voûte ; e placées en voûte ; f placées en sole. D 5 911 − 7 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ Garnissage réfractaire en briques traditionnelles 2 Support réfractaire Tige en acier réfractaire 2 Réfractaire fibreux céramique 1 1 Résistance chauffante b support avec cheville a support réfractaire métallique Isolateur en céramique Figure 9 – Résistances tubulaires dans un four en rénovation Barre ronde en acier forgé réfractaire plein 2 2 1 Élément chauffant tubulaire Alimentation électrique Couple thermoélectrique 1 Cosse Plaque isolante Carcasse du four 2 Gaine isolante c pièces céramiques assurant une stabilité dimensionnelle des éléments Tige en acier forgé réfractaire plein Figure 7 – Résistances en rubans Barrette en acier forgé réfractaire plein Tube en acier extrudé réfractaire Réfractaire fibreux (paroi du four) Ancrage du support Support de résistance Pas de tube Pas de tube Rondelle de séparation de résistance Figure 10 – Schéma de principe d’une grille de résistances mécanosoudées Les tubes à passage direct de courant sont de conception similaire aux résistances mécanosoudées, mais diffèrent par rapport aux caractéristiques dimensionnelles et électriques : diamètre compris entre 50 et 100 mm et leur épaisseur peut atteindre 5 mm (ils peuvent être installés verticalement, mais aussi horizontalement en voûte du four, les courants d’alimentation se situent entre 1 000 et 2 500 A suivant le cas. Résistance chauffante Figure 8 – Système de support de résistances en fils ondulés (four à réfractaires fibreux céramiques) D 5 911 − 8 Pour plus de détails, le lecteur se reportera dans le traité Génie énergétique à l’article [BE 9 542] Tube à passage de courant. Échangeur électrique. ■ Les résistances moulées sont des éléments chauffants massifs en NiCr 70/30, FeNiCr 60/15 et FeCrNiAl obtenus bruts de fonderie ; elles sont constituées d’ondes formées de U alternés (figure 11) de Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________________________ FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES Enveloppe étanche Chant spiralé Système d'accrochage Résistance moulée Figure 11 – Représentation schématique de résistances moulées Résistance chauffante spiralée Support du tube radiant Figure 13 – Tube radiant à ruban roulé sur chant Enveloppe étanche a montage horizontal Isolant thermique Résistance en épingle Support de résistance Joint étanche extérieur Figure 14 – Tube radiant à épingles Résistance en fil bobine Tube de protection étanche Résistance en fil bobine Intercalaires en céramique isolante b montage vertical Figure 12 – Tubes radiants à fil boudiné section de l’ordre de 200 mm2, ce qui peut imposer de les alimenter en basse tension dans les fours de faible capacité, mais présente l’avantage de les rendre autoporteurs (on évite de recourir à des supports divers). La peau granuleuse des résistances moulées améliore leur émissivité propre εr, donc le transfert thermique. Enfin, les résistances moulées assurent un excellent facteur de forme global du four (coefficient de garnissage des parois, avec ce type d’élément, très élevé). D’une grande robustesse et d’une très bonne résistance à l’oxydation, elles nécessitent néanmoins des systèmes d’accrochage devant supporter leur masse élevée, 750 g par onde environ (l’accrochage est délicat lorsque la paroi est constituée de nappes de fibres céramiques). 1.5.3 Tubes radiants Quelles que soient les matériaux constituant les résistances, ceuxci ne peuvent pas supporter toutes les atmosphères des fours haute température travaillant essentiellement par rayonnement. Il est donc indispensable d’assurer la protection des éléments chauffants par une enveloppe étanche en acier réfractaire ou en céramique. L’ensemble élément chauffant/tube de protection prend le nom de tube radiant. Le principe de montage d’un tube radiant à résistances boudinées en fil d’alliage NiCr (80/20 ou 70/30) monté sur des supports isolants en stéatite, par exemple, est représenté sur la figure 12 ; pour des raisons de résistance mécanique, ces tubes sont montés horizontalement ; ils peuvent néanmoins être montés verticalement lorsque la température d’emploi et la longueur sont faibles. En raison des performances mécaniques et thermiques limitées, on préfère utiliser deux autres types de tubes radiants : les tubes à bande spiralée sur chant (figure 13) et les tubes à résistance en épingle (figure 14) réalisés avec du fil de forte section replié en épingles connectées en série ; en alliages usuels, ils peuvent être disposés horizontalement ou verticalement. Les résistances peuvent être constituées de matériaux non métalliques : — en bisiliciure de molybdène utilisé en position horizontale ou verticale jusqu’à 1 500 ˚C ; — en graphite comportant une épingle de graphite et une enveloppe céramique ; — en carbure de silicium possédant une gaine en carbure de silicium ; — en céramique (voir § 1.5.4). 1.5.4 Thermoplongeurs Un thermoplongeur est un tube radiant dont la gaine est immergée dans un bain fondu, généralement un métal ou un alliage fondu. La gaine contient la résistance chauffante dont elle dissipe la puissance thermique (figure 15). Son matériau constitutif est le plus souvent en, ou à base de, SiAlON ou de carbure de silicium, moins coûteux, mais présentant une durée de vie moindre pour le maintien en température d’alliages d’aluminium, par exemple. La résistance chauffante est constituée classiquement de carbure de silicium ou de fil métallique. Le diamètre de la gaine est compris entre 110 et 210 mm pour une épaisseur de paroi de 10 à 30 mm. Selon le diamètre, la puissance d’un élément chauffant varie de 10 à 40 kW. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 911 − 9 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ D = 370 mm 1 278 mm Enveloppe externe D = 80 mm Connexions électriques Ensemble chauffant Bagues de centrage Le calcul des résistances électriques résulte donc en général à la fois des calculs thermiques et électriques, de l’expérience diversifiée des constructeurs et d’expérimentations de laboratoire permettant de mieux cerner les phénomènes mis en jeu. Des abaques et des tableaux mis à disposition des concepteurs facilitent le dimensionnement des résistances, mais, de plus en plus, c’est la simulation numérique (§ 4) qui apporte la meilleure réponse au dimensionnement et à l’optimisation d’un procédé thermique performant. Chaque fois que des performances très élevées au niveau du transfert thermique ne s’avèrent pas indispensables, il y a, en général, intérêt à dimensionner exactement le corps de chauffe, l’investissement correspondant étant ensuite rapidement récupéré. Bagues de sécurité 2. Alimentation électrique de puissance des fours électriques Résistance de carbone à double hélice D = 46 mm Bride de fixation Sorties étanches isolantes Figure 15 – Plan de principe d’un thermoplongeur Pour dissiper des puissances thermiques élevées dans des volumes réduits, on peut avantageusement remplacer le carbure de silicium ou l’alliage métallique par du graphite. En effet, celui-ci présente d’excellentes caractéristiques thermiques et mécaniques, une résistance aux chocs thermiques et une réfractivité excellentes pour des températures élevées. De plus, il est relativement bon marché et facile à usiner. À puissance dissipée égale, le graphite permet de réduire l’encombrement et de faciliter l’emploi de thermoplongeurs pour le chauffage et le maintien en température de bains métalliques fondus. 1.5.5 Panneaux radiants Les éléments chauffants se composent de fils résistants noyés dans un réfractaire fibreux céramique au voisinage de sa surface. Ces panneaux permettent de construire aisément des fours et des enceintes chauffantes jusqu’à 900 ˚C environ. Des panneaux radiants en bisiliciure de molybdène peuvent fonctionner jusqu’à 1 400 ˚C. 1.6 Dimensionnement des résistances électriques Les deux relations caractéristiques servant de base de calcul des résistances électriques sont celles qui traduisent l’échange thermique entre les éléments chauffants, la charge et les parois du four d’une part ([D 5 910] § 3.1, § 3.2, § 3.3), la puissance électrique dissipée dans la résistance de l’autre ([D 5 910] § 3.4). À l’équilibre, toute la puissance électrique dissipée (U2/R) doit se retrouver dans le flux thermique émis par la résistance : Φ · S, S étant la surface rayonnante externe de l’élément chauffant. D 5 911 − 10 En pratique, la partie la plus délicate du calcul des résistances est l’évaluation de l’émissivité résultante εr (charge, four), car elle est susceptible de variations importantes en fonction des caractéristiques dimensionnelles. 2.1 Rappels de la réglementation et de la normalisation La norme française NF C 15-100 relative aux installations à basse tension s’applique à la construction et à l’exploitation des fours électriques à résistances. Elle définit en particulier les règles de sécurité et d’exploitation en fonction des conditions d’alimentation des installations. Pour les courants de fuite (ils ne concernent que les conditions d’exploitation et non la sécurité du personnel), elle précise : « Les appareils de chauffage industriels ayant un faible isolement sont généralement alimentés par l’intermédiaire de transformateurs à deux enroulements ou par des groupes moteur générateur à enroulements séparés lorsque les courants de fuite de ces appareils peuvent gêner le fonctionnement des installations qui les alimentent ». 2.2 Caractéristiques générales des installations 2.2.1 Sécurité des biens et des personnes Pour la sécurité du personnel, on se reportera utilement au paragraphe 413 de la norme NF C 15-100. Le décret 88-1056 du 14 novembre 1988 définit les moyens de protection et de coupure à mettre en place suivant les régimes de neutre et les niveaux de tension. Les règles dans le cas du chauffage électrique industriel et des fours à résistances sont également précisées dans la norme NF C 79-600 ou décret du 7 novembre 1956 en précisant en particulier le rôle des parois réfractaires qui peuvent présenter un faible isolement à haute température : les conditions d’installations devront être telles que, malgré ce faible isolement, la tension entre les masses métalliques du four et de la terre n’excède pas 24 V. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________________________ FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES (0) Tableau 7 – Systèmes d’ajustement de tension par transformation Système d’ajustement Avantages Transformateur abaisseur Inconvénients • Tension bien adaptée • Peut servir de transformateur d’isolement • Coût • Pas de variation possible Transformateur abaisseur à plots • Idem transformateur abaisseur • Différentes tensions disponibles • Coût • Commutation : matériel supplémentaire Transformateur fixe • Idem transformateur abaisseur • Coût réduit • Une seule tension disponible • Variation continue de la tension dans une large plage • Coût • Nécessite un entretien régulier • Ne peut pas servir de transformateur d’isolement Autotransformateur réglable La norme NF EN 60519, concernant la sécurité dans les installations électrothermiques décrit, dans la partie 2, les règles particulières relatives pour les installations de chauffage par résistance. Elle préconise pour les courants de fuite de « prendre des mesures efficaces pour veiller à ce que le courant de fuite, s’écoulant soit à travers le four et sa charge, soit à travers celle-ci seulement, ne provoque aucun danger ». Elle ne précise pas la nature des dangers, ni ne fixe de valeur limite pour les courants de fuite. 2.2.2 Choix et mise en œuvre des matériels Les installations électrothermiques présentent la plupart du temps des courants de fuite. Il est important de réduire le plus possible les risques par contact indirect, en rendant les tensions de contact non dangereuses. Trois dispositions facilement réalisables peuvent être mises en œuvre : — toutes les masses de l’installation, y compris celle de la source d’alimentation, sont connectées entre elles et avec tous les éléments conducteurs voisins ; — les conducteurs actifs sont installés pour empêcher qu’un défaut d’isolement éventuel ne puisse se produire directement à la terre, mais seulement entre les conducteurs de l’ensemble interconnecté ci-dessus ; — l’ensemble ainsi constitué est relié à une prise de terre de faible résistance. L’installation de transformateurs est indispensable pour : — changer de régime du neutre ; — changer de tension ; — alimenter des circuits de commande ou de signalisation. Les transformateurs de puissance sont conformes à la norme NF EN 60076-3 et, pour les cas particuliers, à la norme EN 60742 pour les transformateurs de séparation de circuits et les transformateurs de sécurité. Le tableau 7 décrit les avantages et les inconvénients des différents systèmes d’ajustement de tension par transformateur. En plus des appareils de mesure de courants de fuite et de température, il est souvent intéressant, pour l’utilisateur, d’avoir à poste fixe, des appareils de mesure de courant, de puissance et de tension (des appareils de classe 2 sont suffisants). Le câblage électrique d’un four n’est pas fondamentalement différent de celui d’une autre installation industrielle. Il est cependant utile de rappeler à l’installateur, qui est souvent un sous-traitant du constructeur, les deux contraintes importantes : — la température ambiante autour du four peut être élevée ; — l’environnement peut être pollué (vapeur d’huile, d’eau, poussières...). 2.2.3 Alimentation à partir de la tension réseau Dans le cas du raccordement à un poste client, il faudra ajuster les différents régimes de neutre et le raccordement des résistances électriques sur le réseau de distribution. Dans une installation industrielle comprenant un four électrique, le régime du neutre peut être remis en cause par les contraintes d’exploitation des différents matériels. Le tableau 8 précise les avantages, les inconvénients et les contraintes des différents régimes de neutre. (0) Tableau 8 – Performances liées aux différents régimes de neutre Régime de neutre Avantages Inconvénients • Interruption de service • Courant de fuite élevé Contraintes T.N. Neutre réseau à la terre Masse du récepteur reliée au neutre du réseau • Mise en œuvre simple • Coupure du seul circuit concerné • Tolère des courants de fuite • Nécessite un disjoncteur calibré • Le neutre distribué doit être considéré comme un conducteur actif (donc dimensionné en conséquence) T.T. Neutre réseau à la terre Masse du récepteur reliée à la terre • Mise en œuvre simple • Interruption de service (coupure • Prise de terre indispensable • Pas de surveillance au premier défaut) • Coupure du seul circuit concerné par le départ (si tous les départs sont séparés et protégés) • Réglage du seuil de déclenchement possible I.T. Neutre réseau isolé par une impédance élevée (généralement 1 700 Ω) avec contrôleur d’isolement Masse du récepteur reliée à la terre • Pas nécessaire de couper au premier • Nécessite une intervention • Prise de terre indispensable défaut (continuité de fonctionnement) « rapide » en cas de détection de • Permet le suivi de l’installation courant de fuite (détérioration de l’isolement) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 911 − 11 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ (0) Tableau 9 – Les différents raccordements des résistances sur le réseau de distribution Raccordement Monophasé Avantages Inconvénients Contraintes • Réduction éventuelle du coût de l’ins- • Déséquilibre du réseau tallation dans le cas de foisonnement de la puissance (nombreuses zones) Biphasé (deux fois monophasé) • Seulement pour des petites puissances unitaires • Réduction éventuelle des coûts • Peut faciliter la répartition des zones de régulation • Déséquilibre du réseau (moindre que • Seulement pour des petites dans le cas ci-dessus si couplages puissances unitaires entre phases) • Réseau équilibré • Les puissances unitaires peuvent être trop importantes par rapport au besoin de la régulation Montage étoile (1) • Courant de ligne plus faible • Couplage entre résistances souvent plus faible • Les phases peuvent être déséquilibrées en cas d’anomalie de fonctionnement • Perte de la moitié de puissance en cas de rupture d’une résistance (si le neutre n’est pas raccordé) Montage triangle • Meilleure maîtrise de l’alimentation des résistances (tension entre phase imposée) • Courant de ligne plus élevé Triphasé (1) Lorsqu’on veut mettre plusieurs étoiles en parallèle, il convient de bien mettre les étoiles en parallèle et non les résistances. (0) Tableau 10 – Systèmes d’ajustement de tension par thyristors Solution d’ajustement par thyristors Trains d’onde Syncopé Angle de phase Avantages Inconvénients • Coût réduit • Perturbe peu le réseau • Altération du facteur de puissance • Variation discontinue de l’alimentation • Risque de flicker • Coût réduit • Mêmes inconvénients que pour le train d’onde • Coût réduit • Génération d’harmoniques • Ajustement variable de la tension efficace • Perturbations radioélectriques • Production d’énergie réactive (0) Tableau 11 – Autres solutions d’ajustement de tension Solution d’ajustement Avantages Inconvénients Couplage série étoile triangle • Pas d’appareillage intermédiaire • Solution relativement simple Amplificateur magnétique et solutions dérivées • Variations continues de la tension et dans une • Systèmes très perturbateurs (harmoniques) large plage • Risques de perturbations radioélectriques • Peuvent être utilisés en modulation de puissance • Énergie réactive Régulateur d’induction Varivolt • Variation continue de la tension • Coût élevé • Peu d’énergie réactive • Entretien important (pièces mécaniques en mou• Pas de perturbations harmoniques vement) • Peuvent être utilisés en modulation de puissance Le raccordement direct des résistances sur le réseau de distribution de l’usine est variable selon les conditions d’exploitation du four électrique. Le tableau 9 décrit les avantages, les inconvénients et les performances des différents types de raccordement. À partir de ces schémas de base, de nombreuses variantes existent. Néanmoins, même en présence d’un courant de fuite, les différents régimes de neutre, réalisés conformément aux prescriptions, assurent la sécurité du personnel. D 5 911 − 12 • Nombreux contacteurs • Câblage important • Manque de souplesse • Déséquilibre important pendant le couplage série 2.2.4 Alimentation à partir d’une tension différente de celle du réseau Il s’agit de l’adaptation de tension, et non de dosage de puissance en fonction des besoins de la régulation. L’ajustement de tension peut être réalisée par transformation (tableau 7), par thyristors (tableau 10) ou par d’autres solutions (tableau 11). En triphasé, certains couplages entre les bobinages du transformateur sont déconseillés. Il convient de s’assurer auprès des fournisseurs de la compatibilité des matériels à mettre en œuvre. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________________________ FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES (0) Tableau 12 – Principales lois de commandes possibles Loi de commande Tout ou rien Principe Avantages Inconvénients Y = 100 % tant que X < W Y = 0 % si X ≥ W • Simplicité • Montée rapide • Dépassement de la consigne • Oscillations permanentes Proportionnelle P Y = K(W − X) • Plus de dépassement de la consigne • Écart de statisme, la mesure ne joint pas la consigne Proportionnelle Intégrale PI Action proportionnelle + action intégrale de la forme : • L’action intégrale permet de rattraper la consigne • Instabilité si intégrale mal réglée Proportionnelle Intégrale Dérivée PID Action proportionnelle + action intégrale de la forme : ∫ (W – X) dt⎞⎟⎠ ⎛ Y = K ( W – X ) + K ⎜ t i–1 ⎝ t 0 ∫ (W – X) dt⎞⎟⎠ + (Kt d (W – X)) ⁄ dt ⎛ Y = K ( W – X ) + K ⎜ t i–1 ⎝ W consigne, X mesure, Y commande sortie régulation, t 0 • Efficacité • Réglage délicat • La dérivée s’oppose aux fluctuations rapides de la mesure d K constante proportionnelle, ti temps d’intégration, td constante de temps de l’action dérivée. 3. Régulation des fours électriques à résistances Les fours à résistances permettent d’obtenir une grande précision de température qui dépend de la chaîne de régulation. Dans la pratique, il faut néanmoins distinguer : — l’indication de température, information provenant d’une mesure permettant une action appropriée (par un opérateur ou par un système de régulation). Il faut préciser quelle température doit être prise en compte : température de la charge (généralement difficile à mesurer), température de l’enceinte du four, température des résistances. La précision des mesures de température conditionne la précision de la régulation ; — la régulation proprement dite de la température obtenue par un système automatique pilotant cette température en fonction de son écart avec une consigne. La modélisation apporte une aide précieuse pour optimiser le système de régulation par la connaissance du « modèle thermique » du four à réguler ; — la sécurité conduisant à l’arrêt de chauffe si la mesure de température atteint une valeur limite prédéterminée. Une sécurité ne doit jamais être mise hors service. Dans cet article, nous ne décrirons que succinctement la chaîne de régulation d’un four électrique. Pour plus de détails, le lecteur se reportera dans le traité Génie énergétique à l’article [BE 9 590] Automatisme et régulation des équipements thermiques. 3.1 Constitution d’un système de régulation Le schéma type d’un système de régulation d’un four comprend : — un ou plusieurs capteurs de température ; — un régulateur (organe calculant l’écart entre mesure et consigne et élaborant un signal de commande adapté, utilisé pour piloter la puissance électrique) ; — une unité de puissance délivrant l’énergie aux résistances en fonction du signal de commande élaboré par le régulateur. Le tableau 12 rappelle les principales lois de commande possibles. Cela est valable pour des régulations bien réglées au point de fonctionnement considéré. D’autres modes de régulation existent comme : — la régulation autoréglable : PID ou autre, un tel dispositif peut se régler automatiquement au cours du démarrage. Cela ne suppose pas une autoadaptivité continue et réelle et la procédure peut être répétée sur demande de l’opérateur ; — la régulation autoadaptative : le principe est soit celui d’un PID, soit différent, mais les paramètres de réglage évoluent automatiquement avec le fonctionnement du four afin de se trouver aux performances optimales du couple four/régulateur. Un réglage initial est nécessaire. Il faut noter qu’un réglage n’est valable que pour un four, une température, une charge donnée et des conditions initiales données. 3.2 Dispositifs de modulation de la variation de puissance La modulation de puissance s’effectue principalement de deux manières : — par dosage de l’énergie injectée au récepteur consistant à alimenter ou non le récepteur pendant des périodes plus ou moins longues en fonction des besoins de la régulation à l’aide de contacteurs mécaniques ou statiques (gradateurs à thyristors), voir tableau 13 ; — par ajustement de la tension d’alimentation du récepteur utilisant des thyristors ou des appareils qui autorisent une variation continue de la tension (tableaux 10 et 11). 3.3 Montages usuels de régulation En pratique, la régulation de la température d’un four doit être complétée par une sécurité sur la température des résistances chauffantes. Le comportement du four peut être amélioré par la mise en place d’une double régulation des températures du four et de résistances. L’emploi d’une double régulation préserve les résistances et permet une montée en température optimale du four. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 911 − 13 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ (0) Tableau 13 – Modulation de puissance à l’aide de contacteurs Modulateur Contacteur mécanique Contacteur statique à thyristors Avantages Contraintes • Coût modéré • Durée de vie limitée • Nécessite un entretien • Cycles longs • Perturbations et parasites • Surdimensionnement pour fonctionner au primaire d’un transformateur abaisseur • Peu ou pas de perturbations • Mise en œuvre simple • Pas d’entretien • Cycles courts • Ne génèrent pas d’énergie réactive • Voir tableau 10 • Précautions à prendre lorsqu’ils commandent un primaire de transformateur Deux types de montage sont alors possibles : — la régulation parallèle : un comparateur envoie vers l’unité de puissance le plus petit des signaux de commande issus des régulateurs four et résistances ; — la régulation cascade : l’entrée consigne du régulateur des résistances est pilotée par la sortie signal de commande du régulateur de four. Le domaine de la régulation des systèmes thermiques se scinde en deux grandes lignes de produits : — les appareils de tableau ; — les systèmes informatiques industriels. 3.3.1 Appareils de tableau Il existe une gamme très large d’appareils de tableau pour un éventail de prix allant de 150 à 5 000 € environ. Ils conviennent pour les petites et moyennes installations. Quelques possibilités pour les systèmes de régulation : — 1 à 3 boucles, 1 à 3 processeurs ; — programmateur de consigne permettant des réglages différents du régulateur, des consignes croissantes ou décroissantes, des temps de montée variables, des alarmes différentes, etc. ; — actions de tendance : le régulateur ne réagit que lorsque la grandeur de sortie varie suite à une perturbation ou à une variation de consigne (l’effet sur la sortie peut être anticipé par un correcteur à action prédictive) ; — modèle interne : le signal de retour à l’entrée du régulateur exprime l’incertitude entre le procédé et le modèle et l’effet des perturbations ; — autoréglage : le microprocesseur conduit l’essai et propose à l’opérateur une valeur pour les actions proportionnelle, intégrale et dérivée ; — autoadaptatif : le régulateur autoadaptatif identifie en permanence les valeurs des paramètres de régulation de sorte que les performances de la boucle fermée demeurent acceptables ; — recettes, liaisons série. 3.3.2 Systèmes informatiques industriels ■ Deux familles de produits se partagent le marché. ● Les automates programmables (API : Automate programmable industriel) Les automates programmables ont une robustesse et une fiabilité reconnues de longue date. Il sont surtout adaptés à la gestion et au contrôle des procédés à éléments logiques. Mais, de plus en plus, ils s’équipent de fonctionnalités analogiques telles que la régulation PID continue. ● Les calculateurs industriels (SNCC : Système numérique de contrôle commande) Les calculateurs industriels sont historiquement issus des PC bureautique qui ont été adaptés à la commande et à la supervision D 5 911 − 14 Inconvénients des procédés industriels. Pendant longtemps leur fiabilité laissait à désirer et leur rôle était cantonné à la supervision. De nos jours, leur fiabilité rejoint celle des automates et, de plus en plus, les tâches de contrôle commande leur sont confiées. Ils sont cependant chers : environ 8 000 à 80 000 € selon la taille de l’installation et ne se justifient que pour des systèmes à grand nombre de boucles. ■ Les API et SNCC possèdent maintenant des fonctionnalités similaires et sont souvent intégrés dans un système de supervision centralisé (GTC : Gestion technique centralisée). Parallèlement et pour des raisons de sécurité de fonctionnement, les actionneurs et les capteurs deviennent intelligents. Certains actionneurs tels que les gradateurs à thyristors sont capables de réguler localement une puissance. De même certains capteurs fournissent au système central une mesure linéarisée, compensée, filtrée et conditionnée dans une échelle normalisée. 4. Modélisation des fours électriques à résistances Les échanges thermiques interviennent de façon très fréquente dans les problèmes industriels, car ils apparaissent dès que l’on cherche à produire, transformer ou transporter de l’énergie. Si on cherche parfois à mieux comprendre et contrôler des effets thermiques non souhaités, il peut également s’agir d’utiliser les aspects thermiques pour modifier les comportements de certains matériaux (c’est le cas du traitement thermique). De nos jours, les concepteurs de matériels et les ingénieurs d’études espèrent beaucoup des simulations numériques pour mieux appréhender les problèmes relatifs à la durée de vie et à l’optimisation des composants. En effet, l’approche numérique, une fois bien validée, offre une souplesse très appréciable pour effectuer, par exemple, des études paramétriques. Par ailleurs, la modélisation apporte une aide précieuse pour le dimensionnement et l’optimisation d’un procédé thermique. De nombreux codes de modélisation thermique sont disponibles sur le marché (voir en particulier, dans le traité Génie énergétique, l’article [BE 9 510] Éléments de thermique des fours) ; nous ne décrirons que succinctement deux outils développés par EDF. 4.1 Code SAFIR SAFIR (Simulation assistée des fours industriels à résistances) est un outil complet de dimensionnement de fours électriques à résistances, destiné à aider uniquement les équipes R&D d’EDF dans leurs projets de développements technologiques. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________________________ FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES SAFIR est un outil simple, convivial et performant. Le logiciel adopte une approche modulaire, couplant un module de conduction unidimensionnelle à un module de calcul des échanges radiatifs (méthodes de radiosités). SAFIR est constitué de deux modules complémentaires : — une application « interface utilisateur » de SAFIR (IUSAFIR.EXE) qui rend l’entrée des données d’une étude conviviale, interactive et sécurisée ; — une application « solveur » de SAFIR (SAFIR.EXE) qui prend en charge la simulation en exécutant les calculs définis par l’interface utilisateur. De plus, l’utilisateur dispose d’une bibliothèque de données concernant les matériaux, les parois, les charges à traiter et les fours exploitables directement pour la construction de fours « standards ». La définition complète de nouveaux matériaux, parois, charges, et/ou fours permet d’enrichir la bibliothèque. Enfin l’interface utilisateur assure le post-traitement des résultats du calcul sous la forme de graphiques représentant l’évolution temporelle des températures, des flux et des énergies ou leur évolution spatiale dans l’épaisseur d’une paroi ou d’une charge. 4.2 Code SYRTHES SYRTHES est un code de thermique général capable de résoudre les équations de conduction et de rayonnement dans des géométries complexes aussi bien pour des configurations bidimensionnelles que tridimensionnelles. Les caractéristiques des matériaux (masse volumique, capacité thermique, conductivité) peuvent varier suivant l’espace, le temps, la température ou toutes grandeurs locales accessibles. Il est également possible de simuler des matériaux dont le comportement n’est plus aligné avec le gradient de température, et la conductivité devient une notion matricielle. Les conditions aux limites classiques sont disponibles : température imposée, flux, échange, résistance de contact, rayonnement infini. Toutes ces conditions peuvent varier en fonction du temps, de l’espace, de la température locale... Pour les domaines comportant des motifs réguliers, la notion de périodicité multidimensionnelle a également été implantée. Finalement un des grands intérêts du code SYRTHES est également de permettre aisément de prendre en compte le couplage avec divers codes de mécanique des fluides utilisés par EDF (ESTET, N3S, NATUR) ou un module de rayonnement de paroi à paroi, lorsque l’on souhaite « améliorer » les diverses conditions aux limites qui s’appliquent aux frontières du domaine solide. 5.1 Fours à haute densité de puissance Dans de nombreux traitements thermiques, la vitesse de chauffe peut devenir un critère majeur, le four à résistances se trouve en état d’infériorité (manque de « nervosité ») par rapport à un four à combustible. Dans les fours, avec ou sans brassage d’atmosphère, les échanges thermiques se font par convection et par rayonnement. Au-delà de 500-700 ˚C, suivant le type de four, le rayonnement devient prépondérant. Pour des températures supérieures, le rayonnement intervient pour plus de 90 % dans le flux thermique reçu par la charge (flux direct à partir des résistances ou flux transmis par réflexion sur les parois du four). Accroître les performances des fours à résistances, c’est donc essentiellement augmenter le transfert d’énergie par rayonnement en améliorant les conditions de ce transfert, en agissant sur les trois paramètres suivants : température maximale des résistances, émissivité résultante εr (dépendant des émissivités respectives du four et de la charge), émissivité des résistances. ■ La température des résistances, son évolution pendant le cycle de chauffe et son contrôle représentent les facteurs déterminants dans le développement des fours à résistances à haute densité de puissance ; deux tendances s’affirment : — l’emploi de résistances non métalliques émettant à haute température (§ 1.4). Utilisées à des températures plus faibles que leurs températures maximales d’émission, ces résistances permettent de construire des fours à haute densité de puissance : entre 50 et 70 kW/m2 de parois de four pour des températures de charge comprises entre 800 et 1 000 ˚C, à comparer avec les fours usuels à résistances métalliques dont la densité de puissance ne dépasse pas 15 à 25 kW/m2 de parois de four ; — l’utilisation de résistances métalliques en alliages améliorés combinée à celle d’une régulation fine permettant de travailler en permanence à une température optimale. ■ L’émissivité résultante εr est une notion assez complexe, car elle réduit à une seule valeur des interactions multiples résistance/ charge/parois du four. Une amélioration de ce facteur permet d’accroître le flux thermique transmis des résistances à la charge ; dans l’ordre décroissant des performances se trouvent : — les résistances moulées ou en tôles ondulées ; — les résistances en bande ; — les résistances en fils. ■ L’émissivité des résistances dépend de la nature du matériau utilisé, de son état de surface. Il n’est donc guère possible d’avoir une influence sur ce paramètre et l’écart est généralement assez faible entre les différents matériaux ou leurs fours correspondants : un état de surface rugueux (résistances moulées, par exemple) permet d’accroître la valeur d’émissivité d’environ 5 %. 5.2 Fours à faible inertie thermique 5. Évolution des fours électriques à résistances Les fours à résistances, dont l’emploi est très ancien, continuent à connaître de nombreuses améliorations : utilisation de nouveaux matériaux pour la fabrication des résistances, amélioration des matériaux existants, mécanisation poussée, régulation plus fine... Trois types d’évolution paraissent toutefois particulièrement importants : — le développement de fours à résistances à haute densité de puissance et à haute température, ces deux caractéristiques étant partiellement liées ; — le développement de fours à faible inertie thermique ; — le développement des fours sous vide. L’emploi de fours électriques à faible inertie thermique n’a pu se faire que par les progrès réalisés dans la fabrication des matériaux réfractaires fibreux légers combinant une basse densité apparente et un faible coefficient de conductivité thermique. Pendant longtemps, le garnissage intérieur de la plupart des fours était constitué de briques réfractaires pour les températures élevées ; ce mode de construction conduisait à des consommations d’énergie élevées, surtout pour les fours à fonctionnement discontinu, l’inertie thermique est six fois plus élevée que celles des réfractaires fibreux céramiques. Le surcoût d’investissement dû à l’emploi de matériaux fibreux sera récupéré très rapidement (un ou deux ans généralement) grâce aux économies d’énergie substantielles. Les réfractaires fibreux céramiques autorisent, de plus, des cycles de chauffage et de refroidissement plus rapides, un accroissement du nombre de traitements pour un type de four donné et un meilleur contrôle thermique. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 911 − 15 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ Par contre, ce type de four a nécessité la mise en œuvre par le constructeur de dispositifs particuliers d’accrochage des résistances en raison de leur faible résistance mécanique à la traction. Mise sous vide 5.3 Fours à résistances sous vide Mise sous vide Seconde enceinte sous vide (ou cornue) Ces fours sont à l’origine de nombreux progrès réalisés dans l’industrie des métaux spéciaux, mais ils ont également permis d’élaborer de nouveaux matériaux, semi-conducteurs, céramiques, frittés spéciaux... ou de concevoir des techniques nouvelles, imprégnation sous vide, métallisation, collage, brasage... Résistance chauffante Il existe deux grands types de fours sous vide : les fours à parois chaudes (simple vide, à double vide) et les fours à parois froides. ■ Les fours à parois chaudes à simple vide (figure 16) sont de conception relativement simple. Ils font appel à des matériaux classiques (réfractaires isolants usuels, aciers réfractaires), ce qui permet d’obtenir des équipements pour un prix comparable à celui des fours à atmosphère contrôlée. La charge est placée dans une enceinte en acier réfractaire mise sous vide ; les éléments chauffants sont généralement situés à l’extérieur de l’enceinte sous vide (pour des températures inférieures à 500 ˚C et un vide limite, les résistances peuvent être placées directement dans l’enceinte sous vide, d’où une augmentation de la vitesse de chauffe). La température limite d’utilisation se situe autour de 800-900 ˚C, pour un vide de l’ordre de 1,33 Pa. Ces fours relativement peu utilisés actuellement peuvent servir d’étuves sous vide ou de fours de recuit et de revenu sous vide. ■ Les fours à parois chaudes à double vide (figure 17) sont identiques aux précédents, mais les éléments chauffants sont contenus dans une enceinte étanche au vide dans laquelle la pression est de l’ordre de 133 Pa. La charge est disposée dans une seconde enceinte, ou cornue (plusieurs cornues peuvent être installées dans le même four pour accroître la productivité de l’installation), concentrique à la première, dans laquelle est maintenu le vide nécessaire pour protéger la charge. Ce type de four peut être utilisé jusqu’à 1 100 ˚C environ, pour une pression résiduelle de 1,33 Pa. Ces fours peuvent avoir des charges utiles très importantes, de quelques tonnes à quelques dizaines de tonnes ; ils sont surtout employés dans la première transformation des métaux (recuit ou traitements thermiques de bobines, de feuillards ou de fils). Enceinte en acier réfractaire Résistance chauffante Isolation externe du four Charge à traiter Première enceinte sous vide Figure 17 – Four à pot à parois chaudes à double vide ■ Les fours sous vide à parois froides (refroidissement par circulation d’eau) connaissent toujours un développement important, car ils permettent d’atteindre des températures très élevées, d’obtenir des pressions résiduelles très faibles et de réaliser au besoin des fours de grandes dimensions. Les éléments chauffants sont placés dans le laboratoire du four et rayonnent directement sur la charge ; ils sont généralement constitués de graphite, de molybdène, de tantale ou de tungstène, et alimentés par des tensions inférieures à la tension disruptive dans le vide. Afin de limiter le rayonnement sur les parois du four et les déperditions thermiques, les éléments de chauffe sont entourés d’écrans successifs soit métalliques (molybdène, tungstène, acier inoxydable), soit en feutre de graphite ou de carbone, réfléchissant le rayonnement. La paroi externe en acier inoxydable de forte épaisseur est refroidie par eau. La température d’emploi de ces fours peut atteindre 3 000 ˚C, dans des cas extrêmes, mais la plupart des applications se situent entre 1 200 et 2 000 ˚C, sous des pressions résiduelles extrêmement faibles, jusqu’à 1,33 · 10−4 Pa. Ces fours sont discontinus, mais des fours continus ou semi-continus ont été développés, l’introduction ou l’extraction des charges se faisant par l’intermédiaire d’un sas. La gamme des fours est très large, la puissance varie de quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts, et la capacité de quelques dizaines de décimètres cubes à 100 m3. Ces fours sont surtout utilisés dans les industries de pointe, aéronautique, aérospatiale, nucléaire, électronique, aciers spéciaux, céramiques spéciales, mais leur emploi se développe de plus en plus dans des secteurs d’activité classiques pour les opérations de traitements thermiques des métaux, le brasage, la métallisation, le frittage de poudres métalliques ou non métalliques, le collage, le soudage, la fabrication de semi-conducteurs. 6. Avantages et limitations des fours électriques à résistances 6.1 Avantages Groupe de pompage (mise sous vide) Figure 16 – Four à cloche sous vide à paroi chaude D 5 911 − 16 Les fours électriques à résistances présentent de nombreux avantages tant du point de vue technique, qu’économique et social. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________________________ FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ■ Parmi les intérêts techniques, nous pouvons citer : — les résistances actuellement commercialisés qui couvrent pratiquement l’ensemble du domaine des températures utilisées dans l’industrie, et les progrès réalisés en science des matériaux contribuent sans cesse à améliorer leurs caractéristiques ; elles peuvent être conçues pour des fours les plus divers ; — le mode de transmission de chaleur qui est facile à adapter aux exigences du procédé thermique demandé par l’utilisateur ; de plus, les fours à résistances fonctionnent avec des atmosphères très diverses, air, vide, atmosphère contrôlée (neutre, réductrice, oxydante) ; la propreté des fours et les performances thermiques atteintes favorisent l’élaboration de produits de qualité élevée ; — les systèmes de régulation disponibles qui assurent une très grande précision de température, et la répartition judicieuse des résistances électriques dans les fours se traduit par une excellente homogénéité de température ; — la polyvalence des fours qui peuvent assurer des cycles thermiques sur des plages de températures assez larges ; les résultats obtenus sont reproductibles d’un cycle à l’autre, ce qui permet d’automatiser facilement l’exploitation des fours ; — le fonctionnement du four qui est généralement très simple et sûr. ■ L’intérêt économique des fours électriques se traduit par : — des investissements généralement limités, du même ordre de grandeur et souvent inférieurs à ceux des solutions alternatives ; — les coûts d’énergie qui peuvent se comparer, pour des puissances unitaires peu élevées, à ceux des fours utilisant d’autres énergies, le rendement des fours à résistances étant très élevé et déclinant moins vite que celui des fours à combustibles lorsqu’on s’écarte des conditions nominales de fonctionnement. La mesure en continu des quantités d’électricité consommées permet aisément le contrôle de gestion du poste « énergie » ; — la maintenance requise par ces fours qui est limitée, d’où le taux d’engagement élevé de l’outil de production, ce qui améliore la productivité ; — la qualité des traitements et des produits obtenus qui limite les rebuts de fabrication ; — le fonctionnement automatique qui réduit les frais de maind’œuvre. ■ Sur le plan social, l’absence de fumées et de bruit améliore les conditions de travail et préserve la propreté des locaux. La facilité de conduite et d’automatisation supprime en outre les travaux les plus pénibles. Les fours à résistances sont donc des outils de production simples et fiables dont les performances élevées expliquent leur large diffusion dans l’industrie. 6.2 Limitations Elles sont de deux ordres : — le coût relativement élevé de l’électricité pour les puissances très élevées (> 1 MW), même après prise en compte du rendement nettement plus important des appareils électriques, et la densité de puissance parfois plus faible que celles des fours à combustibles ; — la durée de vie des résistances qui n’est pas toujours conforme aux attentes des utilisateurs et aux données prévues par le constructeur. L’analyse montre que ce problème est souvent imputable à des erreurs ou à des négligences d’exploitation : il est donc indispensable de prendre un maximum de précautions pendant l’exploitation. 7. Exploitation des fours électriques à résistances Pour exploiter dans les meilleures conditions des fours électriques à résistances, trois points doivent être suivis tout particulièrement : — l’établissement correct du bilan thermique du four afin de déterminer la consommation spécifique, c’est-à-dire la consommation rapportée à l’unité utile produite : tonne ou kilogramme de pièces, pièce unitaire type ; — la détermination des meilleures conditions d’exploitation pour réduire le coût spécifique de l’unité produite ; — la politique d’entretien du four électrique. 7.1 Bilan thermique La méthode d’établissement du bilan thermique d’un four est relativement simple ; après avoir choisi le type d’installation pour lequel le bilan doit être étudié, il faut dresser un inventaire complet de : — tout ce qui entre dans le four ; — tout ce qui sort du four : ce qui entre et ce qui sort du four est à prendre au sens le plus large des termes (matières et produits divers, émissions, absorptions et rejets divers, tant en gaz ou vapeurs qu’en énergie) ; — tout ce qui se passe dans le four. Ce qui se passe dans le four doit être analysé tout aussi méthodiquement : changement d’état, cracking, transformation d’énergie mécanique en énergie thermique, etc. Certaines transformations physico-chimiques peuvent demander une grande consommation d’énergie (vaporisation d’eau résiduelle, par exemple). Lors de cette analyse, une règle stricte est à observer : aucun poste ne doit être jugé, a priori, négligeable. Bien entendu, l’analyse des phénomènes est d’abord conduite en régime établi, stable : le four est en équilibre, la production est constante, etc. Il est courant d’établir plusieurs bilans prévisionnels, en fonction des différentes conditions d’exploitation courantes ; il est préférable d’estimer les différents postes en fonction de ces conditions : pertes en fonction de la température, consommations annexes en fonction de la température, mais aussi de la cadence de travail, etc. Sauf cas exceptionnel, un four n’est pas soumis à une exploitation continue et régulière. Les changements de rythme d’exploitation n’entraînent pas de difficultés pour établir un bilan thermique. Par contre, il y a lieu d’apporter certaines corrections pour que le bilan en régime établi devienne le bilan en régime réel d’exploitation : — en passant d’un régime d’exploitation à l’autre, la température du four augmente. Il faut donc mettre le four dans une autre condition, lui permettre d’atteindre un nouveau régime établi, cela en injectant une énergie complémentaire. Cette valeur va être utilisée pour corriger la valeur de l’énergie utilisée pendant la période d’exploitation à la nouvelle température considérée ; — pendant certaines périodes, le four est mis en veilleuse entraînant une consommation d’énergie sans production utile en contrepartie. Il est nécessaire d’établir avec précision la consommation d’énergie pendant cette période : la valeur trouvée va être utilisée pour corriger la valeur de l’énergie utilisée pendant toute la période d’exploitation précédant la mise en veilleuse suivante – ou l’arrêt de l’installation – (pendant les mises en veilleuse, les consommations annexes peuvent être notablement différentes : suppression des ouvertures de porte, diminution du débit d’atmosphère, etc.) ; — après chaque arrêt – congés, week-end, entretien, etc. – il y a lieu de remettre le four en condition d’exploitation, ce qui implique une consommation complémentaire d’énergie entraînant une nouvelle correction de consommation, affectant l’énergie utilisée entre deux arrêts successifs. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 911 − 17 FOURS ÉLECTRIQUES À RÉSISTANCES ______________________________________________________________________________________________________ Les erreurs courantes dans l’établissement d’un bilan thermique les plus fréquemment rencontrées sont les suivantes : L’entretien des fours se caractérise par un certain nombre d’aspects particuliers : — idées préconçues sur la valeur négligeable de certains postes (pertes par ouverture de porte, par exemple) ; — confusion entre durée de production et temps de présence du personnel ; — mauvaise évaluation des arrêts dans l’année et de l’engagement réel du four ; — mauvaise prise en compte de réactions endothermiques (ou exothermiques) se déroulant à l’intérieur du four (oubli de la chaleur de vaporisation et de cracking du méthanol dans un four de cémentation, oubli de la chaleur de vaporisation de l’eau contenue dans les pièces après trempe) ; — négligence de l’énergie dégagée par la convection dans les fours ventilés (la puissance dissipée dans les fours par les turbines peut être supérieure aux pertes statiques du four) ; — évaluation d’un poste par soustraction en affectuant la différence entre un bilan réel (dressé à partir de mesures effectuées sur l’installation) et l’énergie totale consommée au poste dont l’estimation est jugée la moins sûre. — les arrêts pour visite ou interventions sont assez longs : refroidissement partiel ou complet du four, évacuation manuelle des plateaux, remise en température après réparation avec une vitesse modérée ; — les défauts relevés sur des pièces traitées (dureté ou profondeur de cémentation insuffisantes, par exemple), dus à un mauvais fonctionnement du four, ne sont pas relevés immédiatement, ce qui prolonge la durée de l’exploitation déficiente ; — l’usure progressive de certains éléments du four est difficile à contrôler, de par leur inaccessibilité en cours d’exploitation ; — la rupture à chaud de certaines pièces du four est liée au fluage ou à l’oxydation à chaud, phénomènes plus imprévisibles et aléatoires, surtout que le régime de fonctionnement du four est souvent très variable. Pour établir la totalité du coût spécifique d’un traitement thermique, il est intéressant de compléter le bilan thermique par un bilan élargi, dans lequel apparaîtra le coût de la main-d’œuvre, le coût des produits et matériaux nécessaires à l’exploitation et à l’entretien de l’installation. La simulation de l’exploitation de l’équipement se fera sur une période annuelle. 7.2 Conditions d’exploitation Un contrôle et un suivi de la conduite et de l’exploitation d’un four doit permettre de réduire le coût spécifique de l’unité produite. L’efficacité de l’ensemble des opérations est tributaire, d’une part, de la diminution de la consommation d’énergie et, d’autre part, de l’abaissement des risques d’arrêt de l’installation. Le premier moyen pour améliorer la conduite d’un four consiste à disposer d’un bilan d’exploitation qui sera basé sur des méthodes simples : — obtenir de l’atelier de production des relevés simples, exécutés sur des périodes raisonnables ; — disposer de courbes, abaques ou tableaux permettant de déterminer la consommation du four ; — décomposer la phase d’exploitation en périodes homogènes en conditions d’exploitation ; — analyser, pour ces périodes les écarts entre consommation théorique et consommation réelle, afin d’améliorer les gammes de traitement et diminuer les temps morts, remettre à jour les courbes, abaques et tableaux de consommation du four, et améliorer les procédures de mesures et relevés. Le suivi du bilan d’exploitation, à la charge d’un service « Méthodes », sera complété par un travail propre au personnel de l’Atelier de production : suivi des conditions réelles d’exécution de travail et des corrections et interventions éventuelles. L’analyse de ces interventions, dès que leur fréquence augmente, doit entraîner la mise à jour de la gamme de traitement, l’amélioration de l’entretien ou le remplacement de l’organe défaillant. 7.3 Politique d’entretien Une politique normale d’entretien doit permettre de conserver l’équipement avec ses performances maximales et éviter ensuite les arrêts d’exploitation ; elle doit être prévue dès l’établissement du cahier de charges, par exemple. D 5 911 − 18 Il est donc difficile d’établir un programme d’entretien préventif méthodique. Les principales opérations d’entretien concernent : — la partie métallique du four : vérification et réfection éventuelle des joints d’étanchéité des fours sous atmosphère, vérification des regards, masques, tampons et... vérification de la planéité de la façade d’appui de porte et de la porte (éviter les entrées d’air) ; — le garnissage réfractaire et isolant est sujet à un certain vieillissement entraînant une augmentation des pertes et de la température des parois externes du four : une mesure périodique de quelques points significatifs et repérés de cette température de parois permet de mettre en évidence le développement de défauts ; l’état des réfractaires de sole constituant les supports de charge doit être vérifié (les dalles, blocs ou plots servant de support de charge très sollicités sont à remplacer plus souvent que la surface de sole courante) ; — l’entretien des résistances passe par un examen attentif des résistances qui peut s’avérer révélateur, mais il nécessite une certaine expérience et n’est pas toujours facile à réaliser, car il faut avoir accès aux résistances dans des conditions assurant réellement un examen approfondi ; on recherchera la présence de cratères, de boursouflures, de coloration inhabituelle, l’ovalisation et le resserrage des spires de fil boudiné, l’arrondissement des angles de rubans. Si un tel examen s’avère hélas positif, il doit être assorti d’un relevé précis des défauts, afin de juger lors de l’examen suivant de l’évolution éventuelle de l’état des résistances. Cependant deux actions d’entretien simples peuvent être entreprises : la vérification de la puissance appelée par phase qui permet de déceler la rupture éventuelle d’une résistance, et le resserrage des connexions (au moindre signe d’échauffement de la connexion, le resserrage sera précédé d’un démontage et d’un nettoyage de l’ensemble traversée/ connexion) ; — l’entretien du système pyrométrique doit être assuré périodiquement, une bonne solution consiste à disposer, à proximité de chaque orifice de canne pyrométrique, d’un autre orifice, permettant la mise en place d’une canne étalon pour comparer la lecture des deux cannes ; — l’entretien des cabines électriques est aisé, si on veille à ce que les portes de celles-ci soient bien fermées pour assurer la protection du matériel électrique vis-à-vis des polluants générés par l’environnement du four. Le resserrage périodique des barres d’alimentation et l’inspection des contacteurs complètent l’entretien. La présence, dans la cabine, du schéma électrique « à jour » ne pourra qu’augmenter la rapidité d’intervention en cas de dépannage ; — l’entretien préventif et les vérifications méthodiques des dispositifs de manutention internes sont primordiaux, car les incidents provenant d’un mauvais état de ces matériels sont parmi les plus coûteux, en particulier dans les fours continus : arrêts de production prolongés, pertes de pièces et, éventuellement, détérioration des résistances ; — dans les fours à convection, l’entretien des turbines de brassage doit être prévu (remplacement des roulements, rééquilibrage de l’ensemble aube/turbine, vérifications des déflecteurs...). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008
