Généralités sur les fours

Un four est un dispositif utilisé pour élever la température d’un produit. Il peut être soit un équipement destiné uniquement au chauffage soit un véritable réacteur dans lequel on élabore les produits. Son existence remonte de plusieurs siècles. Vue son utilité, c’est un dispositif indispensable au sein d’un laboratoire de recherches dans les domaines de la chimie et des matériaux.

Généralités sur les fours

Définitions et généralités

Four
Un four est un appareil utilisé pour soumettre une substance à la chaleur dans le but de lui faire subir des transformations physiques ou chimiques.

Combustion
La combustion est un phénomène de production de chaleur au cours de laquelle se réalise la réaction chimique de combinaison d’un corps combustible avec l’oxygène. La combustion est dite « oxydante » quand elle s’est réalisée en excès d’air ou plus précisément d’oxygène et inversement, nous avons une combustion « réductrice » quand elle est effectuée en défaut d’oxygène.

Chaleur- Transfert de chaleur- Conservation de chaleur 

La chaleur est une qualité de ce qui est physiquement chaud. C’est une énergie conduisant une température à un corps. Elle se présente comme un flux thermique. Elle a la faculté de se propager dans un endroit où il y a une différence de températures. Elle s’écoule toujours des zones les plus chaudes vers les zones les plus froides, pouvant d’ailleurs appartenir au même corps ou à des corps différents, donc suivant le sens positif du gradient de températures.

Le transfert de chaleur peut se manifester de trois façons : la conduction, la convection et le rayonnement.

✾ la conduction se réalise entre deux corps mis en contact. L’échange de chaleur est terminé dès que l’équilibre thermique est atteint. Ce type de transfert de chaleur est souvent rencontré dans les cas des corps solides.
✾ La convection c’est le cas de chauffage d’un objet dans un courant de fluide Elle s’effectue donc entre un corps solide et un fluide chaud qui circule à son contact. Le transfert de chaleur dépend de la température et de la vitesse de circulation du fluide, d’une part et de la nature du corps solide, d’autre part.
✾ Le rayonnement est le transfert de chaleur entre deux corps sans participation directe du milieu intermédiaire. L’un des deux corps qui est une source de chaleur est portée à une température déterminée puis envoie à son tour un rayon thermique vers l’autre corps. Depuis la découverte de Maxwell, nous pouvons dire que le rayonnement thermique est de nature électromagnétique.

Classification des fours

Généralement, on peut classer les fours suivant la nature du combustible utilisé.

Classification des fours suivant la nature du combustible

On peut citer :
▶ les fours à combustibles solides utilisant les bois de chauffe, les charbons, la houille, les cokes,… : four à bois de chauffe ou four à charbon
▶ les fours à combustible liquide utilisant les hydrocarbures tels que le gazole, fueloil, huile de vidange,… : four à fuel ou four à huile de vidange
▶ les fours à gaz : le combustible utilisé est un gaz provenant des coupes de pétrole.
▶ les fours solaires : la source d’énergie est le rayonnement solaire.
▶ les fours électriques: la chaleur utilisée est produite par usage de courant électrique.

Classification des fours électriques

La classification la plus convenable de ces fours est basée sur les caractéristiques électriques, particulièrement sur la façon dont l’énergie électrique est transformée en calories.

Il y a deux façons d’effectuer cette transformation : dans l’arc ; dans des résistors.

Par suite on classe les fours électriques en :
✔ Fours à arc : la chaleur est générée par un arc électrique, c’est le passage d’un courant électrique entre deux électrodes à travers un gaz.
✔ Fours à résistances : la chaleur est produite par une résistance.

Eléments constitutifs typiques d’un four

Le four est essentiellement composé d’un foyer, des appareils d’alimentation, de système d’évacuation de fumées et des accessoires pour le chargement et le déchargement.

Foyer

C’est la chambre de chauffe ou de combustion. Sa paroi intérieure doit être bien revêtue des éléments réfractaires jusqu’à une épaisseur convenable pour obtenir une résistance à température élevée (supérieure à 1500°C) et pour conserver la totalité d’énergie ou de chaleur produite pendant le chauffage. Il doit être enveloppé d’une tôle d’acier bien renforcé.

Appareils d’alimentation

Ces appareils sont les éléments moteurs de fonctionnement du four. Ils servent comme source de production et d’entretien de chaleur. En général, ils sont constitués de :

➤ résistance
C’est la source d’énergie pour chauffer le four.
➤ régulateur de température
La température de travail varie selon l’opération à réaliser. Or, afin de bien jouer sur la température, il nous faut un régulateur de température. C’est un dispositif de mesure et de contrôle, permettant aussi de maintenir constante la température à une valeur voulue.
➤ cheminée
Les fumées qui sont des produits secondaires de la combustion, même si elles sont encore à haute température, doivent être évacuées pour éviter la surpression dans le foyer pouvant par conséquent entraîner une explosion; C’est le Dispositif destiné pour l’évacuation des fumées produit dans le foyer et aussi de régler les conditions du milieu dans le foyer.

Accessoires

Ce sont le creuset et la pince.
𒄬 Creuset
C’est un récipient en forme de vase destiné à contenir des charges à traiter. Il est constitué de matériaux réfractaires qui sont parfois électriquement et/ou thermiquement conducteurs et résistants chimiquement aux effets corrosifs de la matière traité tels que l’acier inox, le platine et le graphite. Le choix d’un creuset dépend surtout de la température d’utilisation et de la nature du produit à traiter.
𒄬 Pince
Le travail à exécuter est à réaliser à très haute température, pour assurer donc la sécurité afin d’éviter la brûlure, par exemple, on doit recourir à l’utilisation d’une pince à longue portée pour recueillir le creuset contenant la matière fondue ou cuite.

Table des matières

Introduction
Chapitre I : Généralités sur les fours
I.1. Définitions et généralités
I.1.1. Four
I.1.2. Combustion
I.1.3. Chaleur- Transfert de chaleur- Conservation de chaleur
I.2. Classification des fours
I.2.1. Classification des fours suivant la nature du combustible
I.2.2. Classification des fours électriques
I.3. Eléments constitutifs typiques d’un four
I.3.1. Foyer
I.3.2. Appareils d’alimentation
I.3.3. Accessoires
Chapitre II: Les réfractaires
II.1. Réfractaires
II.1.1. Définition
II.1.2. Constituants
II.1.3. Procédés de fabrication
II.1.3.1. Préparation des matières premières
II.1.3.1.1. Séchage des matières premières
II.1.3.1.2. Concassage et Broyage
II.1.3.1.3. Tamisage
II.1.3.1.4. Dosage
II.1.3.2. Malaxage
II.1.3.3. Façonnage
II.1.3.3.1. Le moulage
II.1.3.3.2. Le pressage
II.1.3.3.3. Le tournage
II.1.3.3.4. Le calibrage
II.1.3.3.5. Le coulage
II.1.3.4. Séchage
II.1.3.5. Cuisson
II.1.3.5.1. Frittage
II.1.3.5.2. Retrait
II.1.4. Sollicitations des réfractaires
II.1.5. Corrosion des réfractaires
II.2. Mullite
II.2.1. Structure
II.2.2. Matière première : le kaolin
II.2.2.1. Morphologie
II.2.2.2. Origine des Kaolins
II.2.2.2.1. Kaolins primaires
II.2.2.2.2. Kaolin secondaire
II.2.3. Séquences des transformations des phases de la kaolinite à la mullite
II.3. Réfractaire silico-argileux
II.3.1. Critère de choix des isolants
II.3.1.1. Influence de la porosité
II.3.1.2. Influence de la masse volumique apparente
II.3.1.3. Influence de la composition chimique
II.3.1.4. Influence de la température
II.3.1.5. Influence de l’humidité
II.3.2. Matières premières
II.3.2.1. La silice
II.3.2.1.1. Structure
II.3.2.1.2. Les propriétés de la silice
II.3.2.1.2.1. Propriétés thermiques
II.3.2.1.2.2. Propriété électrique
II.3.2.1.2.3. Propriétés mécaniques
II.3.2.1.2.4. Propriétés chimiques
II.3.2.2. Kaolin
II.3.2.3. Sciure de bois
Chapitre III: Système de commande dans un four
III.1. La résistance
III.1.1. Loi d’ohm
III.1.2. Loi de Joule
III.1.3. Choix du fil
III.1.4. Détermination de la résistance du fil
III.1.4.1. Résistance à froid
III.1.4.2. Résistance à chaud par mètre
III.1.4.3. Résistance à chaud
III.1.5. Calcul de la longueur du fil
III.2. Le relais statique
III.2.1. Généralités
III.2.2. Constitution des relais statiques
III.2.2.1. Circuit d’entrée et isolement
III.2.2.2. Circuit d’adaptation
III.2.2.3. Organe de communication de puissance
III.3. Le capteur de température
III.3.1. Principe
III.3.1.1. Montage
III.3.1.2. Les effets thermoélectriques
III.3.1.2.1. Effet Seebeck
III.3.1.2.2. Effet Peltier
III.3.1.2.3. Effet Thomson
III.3.2. Relation thermodynamique de Thomson
III.3.3. Type de thermocouple
III.3.3.1. Mesure des températures jusqu’à + 900 °C
III.3.3.1.1. Couples thermoélectriques de type T, J et E en alliage de cuivre-nickel
III.3.3.1.2. Couples argent / palladium, platine / or et or / palladium
III.3.3.2. Mesure des températures jusqu’à + 1 250 °C
III.3.3.2.1. Couples thermoélectriques de type K et N
III.3.3.2.2. Couples thermoélectriques en métaux précieux
III.3.3.3. Mesure des températures jusqu’à + 1 600 °C : Couples platinerhodium / platine de type S et R
III.3.3.4. Mesure des températures jusqu’à + 1 800 °C : thermocouple type B
III.4. Le régulateur de température
III.4.1. Types de régulateurs
III.4.1.1. Régulateurs purement analogiques
III.4.1.2. Régulateurs numériques de type analogique : PID (Proportionnel, Intégral, Dérivé)
III.4.1.3. Régulateurs purement numériques
III.4.2. Modulation de puissance
III.4.3. Régulation par contacteurs
III.4.3.1. Régulation tout ou rien
III.4.3.2. Régulation continue par contacteur
III.4.4. Modulation par thyristors
III.4.5. Modulation par relais statiques
Chapitre IV: Choix et présentation du four
IV.1. Choix du four
IV.2. Présentation du four
IV.2.1. Caractéristiques
IV.2.2. Schéma représentatif du four
Chapitre V: Réalisation des couches réfractaires du four
Conclusion

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