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Électrothermie et soudage

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L'électricité sert aussi à produire de la chaleur : fours à résistances, à arc et à induction, trempe des aciers, soudage. L'Exetat demande quel four convient à quel usage, quel alliage choisir pour une résistance, pourquoi la haute fréquence chauffe la surface, et quelques calculs d'énergie et de résistance.

L'essentiel

  • Four à résistances : le courant chauffe un fil par effet Joule (P = U²/R), qui transmet sa chaleur à la charge. Usage : cuisson, traitements thermiques, chauffage modéré. Le fil doit avoir une forte résistivité, une température de fusion élevée et bien résister à l'oxydation : nickel-chrome jusqu'à environ 1 100 °C, fer-chrome-aluminium jusqu'à environ 1 300 à 1 400 °C. Le cuivre conduit trop bien, il sert aux câbles ; le constantan sert aux rhéostats, pas au chauffage à blanc.
  • Four à arc (type Héroult) : l'arc entre électrodes et métal atteint plusieurs milliers de degrés. Usage : fondre des ferrailles et produire de l'acier. L'aluminium, lui, s'obtient par électrolyse de l'alumine, pas dans un four à arc.
  • Four à induction : une bobine parcourue par un courant alternatif crée un flux variable qui induit des courants de Foucault dans la pièce ; c'est la pièce qui chauffe par effet Joule, la bobine reste presque froide (souvent refroidie par eau).
  • Four à induction basse fréquence à canal : c'est un transformateur dont le secondaire est une seule spire en court-circuit, formée par le métal liquide du canal. Comme n1 × I1 ≈ n2 × I2 avec n2 = 1, le courant dans le métal est énorme.
  • Effet de peau : à haute fréquence, les courants induits restent près de la surface. La profondeur de pénétration varie comme 1/√f : fréquence × 4 donne une profondeur divisée par 2. D'où la trempe superficielle par induction haute fréquence (surface dure, cœur tendre), tandis que la basse fréquence chauffe la masse pour fondre.
  • Poste de soudage à l'arc : il faut une tension à vide suffisante pour amorcer (50 à 80 V environ) et une caractéristique « plongeante » (la tension chute quand le courant monte), qui limite le courant quand l'électrode touche la pièce et garde l'arc stable. Dans un transformateur à shunt magnétique, enfoncer le shunt augmente le flux de fuite et DIMINUE le courant de soudage.
  • Groupe de soudage rotatif (moteur + génératrice à courant continu) : on règle le courant par le rhéostat d'excitation de la génératrice. La bobine d'inductance en série lisse le courant et stabilise l'arc ; elle ne redresse pas et n'élève pas la tension.
  • Calculs utiles : chaleur Q = m × c × Δθ (Δθ = écart de température) ; énergie électrique = Q/η ; 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J ; énergie W = P × t (2 h 30 min = 2,5 h). Longueur d'un fil chauffant : R = U²/P, puis L = R × S/ρ, avec S en m².

Les formules

Chaleur à fournir
Q = m × c × Δθ
J ; c en J/(kg·°C)
Énergie électrique consommée
W = Q/η ; 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J
η < 1
Énergie et puissance
W = P × t
kW × h = kWh
Résistance chauffante
R = U²/P ; R = ρ × L/S ; L = R × S/ρ
S en m², ρ en Ω·m
Four à canal
n1 × I1 ≈ n2 × I2, n2 = 1
secondaire en court-circuit
Profondeur de pénétration
δ proportionnelle à 1/√f
f × n donne δ/√n

La méthode

  1. 1Pour une question de choix, associe l'usage à la technique : fondre l'acier, four à arc ; chauffer la surface, induction haute fréquence ; fondre en masse par induction, basse fréquence ; traitement modéré, résistances.
  2. 2Pour un alliage, regarde la température : vers 800 à 1 100 °C, nickel-chrome ; vers 1 300 °C, fer-chrome-aluminium.
  3. 3Pour un calcul de four, calcule l'écart de température, puis Q = m c Δθ, puis divise par le rendement et convertis en kWh.
  4. 4Pour une durée de chauffe, divise l'énergie consommée (kWh) par la puissance du four (kW).
  5. 5Pour un fil chauffant, calcule R = U²/P, convertis la section en m² (1 mm² = 10⁻⁶ m²), puis L = R × S/ρ.

Un exemple résolu

Un four à résistances de 6 kW, de rendement 75 %, doit chauffer 80 kg d'acier de 25 °C à 625 °C (c = 460 J/(kg·°C)). Calcule l'énergie électrique consommée et la durée de chauffe.

  1. 1.Écart de température : Δθ = 625 − 25 = 600 °C.
  2. 2.Chaleur utile : Q = 80 × 460 × 600 = 22 080 000 J.
  3. 3.Énergie électrique : W = 22 080 000/0,75 = 29 440 000 J.
  4. 4.En kWh : 29 440 000/3 600 000 ≈ 8,18 kWh.
  5. 5.Durée : t = 8,18/6 ≈ 1,36 h, soit environ 1 h 22 min.

Réponse : Le four consomme environ 8,18 kWh et chauffe pendant environ 1 h 22 min.

Les pièges à éviter

  • Prendre la température finale au lieu de l'écart de température dans Q = m c Δθ.
  • Multiplier par le rendement au lieu de diviser : le four consomme plus que la chaleur reçue par la charge.
  • Croire que la haute fréquence chauffe le cœur : elle chauffe la surface (effet de peau) ; et diviser la profondeur par 4 au lieu de 2 quand la fréquence est multipliée par 4.
  • Penser qu'enfoncer le shunt d'un poste de soudage augmente le courant : le flux de fuite augmente et le courant diminue.
  • Confondre four à arc et électrolyse de l'aluminium, ou choisir le constantan ou le cuivre pour une résistance chauffante.

À retenir

Arc pour fondre l'acier, induction HF pour la surface, four à canal = transformateur à spire en court-circuit ; énergie consommée = m c Δθ/η.

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