CHAPITRE II Fours électriques

On n"a pu préparer industrîellemeat le carbure de calcium que jiar l'emploi des hautes températures données par les fours ou creusets électriques; ceux-ci mettent à contribution réchauffement des conducteurs par le passage du courant, ou l'arc voltaïque, <|ui est un cas particulier du phénomène précédent. Nous commencerons donc logiquement par étudier sommairement ces deux phéuoiuènes.

9. Écbauffement des résistances- — Lorsqu'on l'ait passer un courant électrique dans un conducteur, celuici s'êchaufle ; la quantité de chaleur dégagée pendant l'unité de temps est proportionnelle à RI^, c'esl-à-dire qu'elle augmente proportionnellement à la résistance du conducteur et au carré de l'intensité du courant qui le traverse. En donnant à R et à I des valeurs suffisamment grandes on peut porter le conducteur à des températures énormes. Dans chaque cas particulier, la température atteinte est limitée par la quantité de chaleur dissipée par rayonnement et par convexion ; lorsque les hautes températures sont atteintes, les corps soumis a l'action de cette source de chaleur

38 L'ÉCLAIRAGE A LACÉTi'LESE

fondent, se dissocient on se volatilisent ; la quantité de chaleur absorbée par ces phénomènes limite la température qu'on peut atteindre. De même que l'eau placée dans un vase ouvert sur le feu le plus ardent ne dépassera jamais la température de loo", de même dans nos fours électriques la température niaxima utilisable est limitée par la fusion, la décomposition ou la volatilisation des corps qui servent d'intermédiaires pour transformer l'électricité en chaleur.

L'échauffement des conducteurs a été utilisé pour la construction de nombreux fours électriques. On dispose alors les substances autour d'un conducteur infusible, de résistance élevée, et dans lequel on fait passer un courant de grande intensité ; réchauffement de ce conducteur sulïit pour porter la température des corps voisins à une très haute valeur.

10. L'arc voltaïque. — Chacun sait aujourd'hui que si on rapproche d'abord au contact deux tiges de charbon reliées l'une au pôle négatif, l'autre au pôle positif d'une puissante source d'électricité, et qu'on les écarte ensuite à une faible distance l'une de l'autre, il jaillira entre elles une sorte d'étincelle ou de llamme qui a reçu le nom d'arc voltaïque ou arc électrique; l'extrémité des deux charbons rougit et ce foyer émet une lumière Intense.

Ce phénomène a été découvert par Humphry Davy, en 1801. Il a été depuis l'objet de nombreuses études et a été le point de départ de l'industrie de l'éclairage électrique.

Voici les conditions dans lesquelles il se forme et les circonstances qui l'accompagnent.

Pour que l'arc électrique s'établisse entre les deux pointes de charbon, îl faut qu'elles soient portées à une

FOVIIS liLErTRlQVKS

différence de poltmtiel assez considérable et (jiie l'intensité du courant soit élevée. La tension doit être au niinîmnm d'environ iij volts avec un courant continu et 2;") volts avec un courant alternatif, La longueur de l'arc augmente lorsque la dinéicnce de potentiel et riutensitû augmentent elles-mèiues. Dcsprclz avait olitenu avec des piles des arcs d'une longueur de 7 cm environ; avec les puissantes dynamos modernes, on peut obtenir des arcs d'une longueur considérable, c]ui dépend d'ailleurs de la position des charbons; lorsque ceux-ci sont verticaux, la longueur la plus grande est obtenue lorsque le charbon positif est en haut ; lorsqu'ils sont disposés horizontalement, la longueur de l'arc est plus faible parce que le courant d'air chaud qui s'y forme s'élève et tend à soufller l'arc.

Les charbons employés pour produire l'arc électrique sont d'une sul)stance très dure et très compacte fournie par l'agglomération sous forte pression, d'un mélange de coke et de goudron cuit ensuite à l'abri de l'air à haute température.

Les deux clinrbons s'écliaullént et s'usent Irèi inégalement. Dans l'air le charbon relié au pôle s'use positif deux fois plus vite que l'autre et rougît sur une beaucoup plus grande longueur; il se creuse en fornu de cratère tandis que le charboii négatif se laillc ei forme de pointe.

La température de l'arc est la plus élevée que noui ayons pu produire dans nos laboratoires ; elle est due au [>assage du courant électrique dans l'intervalle d'air chargé de molécules volatilisées de charbon qui forme la (lanime de l'arc; la résistance électrique de cette llamme, malgré sa pelile longueur, étant très grande, la quantité de chaleur dégagée en un faible espace est considérable et la température atteint des valeurs très

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4ii L KCF-AIIIAGE A I.'AC/iTri.iî.yE

élevées; elle augmente lorsque l'intensité du coiiraQl devient plus forte, puisque la quantité RP aug'mente alors. La température de la llanime n'est pas limitée, mais la température atteinte par les électrodes ne peut dépasser celle qui corres[)ond à la volatisation du charbon, soit environ 36oo"C, d'après les expériences (le M. YioUii; si l'on augmentait indéfiniment l'intensité du courant sans augmenter la section des charbons et partant le volume de la flamme, les charbons rougiraient sur une plus grande longueur, sans produire d'effet utile, mais leur température n'augmenterait pas.

11. Davy, Children. Grove. — Davy, qui venait de tlécouvrir l'arc électrique, fut également le premier à utiliser les clfets calorifiques du courant électrique en vue de réaliser des réactions chimiques (i). Co fut au cours de ses célèbres e^périences sur la réduction des métaux alcalins.

Il espérait d'abord obtenir du potassium ou du sodium par i'électrolyse d'une solution aqueuse de potasse ou de soude. Il n'y put parvenir. La présence de l'eau empêchant la décomposition voulue, Davy employa comme électrolyte de la potassefondue par une source extérieure ■ de chaleur ; il n'obtint encore aucun résultat satisfaisant. C'est alors qu'il songea à employer l'électricité h comme agent commun de fusion et de décomposition » et qu'il obtint enfin le résultat cherché.

C'est le premier exemple connu de l'emploi du courant électrique en vue de Téobaufremont des matières ;i traiter jusqu'à In température oii se produit la réaction voulue.

(.) V..n M„ru.n. v.rs déchargea de la ]iiiiBannlE l« oijdeB de plomb, de i

gièilf dernier nvuil déjA employé Ub u Mus^e TGyli^r. à Hnrlem, pour lédnire ;., en roétol et en Di^gène.

romS KLECTRIQCES 41

Un i)t'ii plus tani, Ghildieii essaya, sans sncii-s. d'ailleurs, de soiimeltrc à l'action du courant un mfilunge de l'oxyde à traiter avec une substance nicdioric nient conductrice. C'est un procède analogue qu'emploient les frères Cowlcs, qui soumettent un mélange d'oxyde ■ et de charbon à réchauffement produit par le courant

IIcctrique (S i5).

[ Un autre savant anglais, Grove, employait le courant ïectrique pour fondre des ini^taux. Ceux-ci êlaiont placés dans un creuset de charbon G (fig. 3) plongeant [ans un bain de mercure II t recouvert par une plaque charbon ; le mercure

fommuniquait avec l'une y^,^^ élcnriqiic de Grove.

|$B bornes de la batterie de

Hes et le couvercle du creuset avec l'autre. Le creuset t son couvercle se trouvaient bientôt portés à l'incan- [escence et c'est ce qui amenait la fusion du métal.

1 reste, dans tous les cours de physique, on mon- ^it l'extrême température de l'arc en faisant fondre

[ platine, de l'iridium, de l'osmium, etc., placés dans pe petite coupe en charbon de cornue qui était reliée

l pôle positif de la batterie.

) 12. Four de Ficbon. — Le courant électrique engendré r les batteries de piles était d'un prix trop élevé pour a'on put songer à l'appliquer industriellement à la tftion des métaux ou â des réactions importantes. t Cependant, en mars i8j3, un brevet fut pris en Erance par M. Pichon pour un véritable four électrique i peut être regardé comme le précurseur des fours iicturls.

! La figure 3 en représente l'a.spect.

i.AcrrrLKXE

Un inOlange du iiiiiiciiii t'I tic cliarboji pulvérisés tombait continuellement entre les électrodes A placées à l'intérieuf du four. Le métal l'ondu était recueilli dans un réservoir R rliaufie à une température élevée de

façon à maintenir celui-ci en fusion. Chaque i était pourvue d'une vis de réglage V.

13. Expériences de Despretz, de Joule et Tbotaaon.— M. .riu-(]uclLii était parv<'nu i\ tninsl'oriner du <ii:uiiant en graphite dans l'arc électrique. M. Desprelz tenta l'expérience contraire : transformer du charbon en diamant. Son l)ut principal était d'obtenir la fusion de corps rél'ractaires et du charbon. En combinant dans le même appareil l'arc électrique, le chalumeau oxy-hydrique et la chaleur solaire concentrée par une lentille, il parvint à volatiliser ou i\ fondre la plupart des corps. Il fit des expériences dans des gaz différents et sous des pressions variables ; si son attention avait été dirigée vers l'observation des réactions chimiques produites dans ces conditions, il aurait certainement fait d'intéressantes découvertes. Mais îl ne se [)ré(ircupait (]ue des phénomènes physiques.

FOIHS l-:r.ECTniQVES

Vci'.s la iiirme l'poqui', It'S deux savants aii|(lais, Jmitl rt sir William Thomson, rherchêrcnt à roalisor un ilispositir industriel [khip l'application des elfets caloriri(]iiRs des eoitrants dont Joule venait de fixer les lois. Ils employaient les ellets (t'écliaiilTement <ies condur teiirs et parlaient df ri'iH|i!ni des machines poil 1 engendrer le rourant éconaiiiiciiuMncnl.

U. Les fours électriques modernes. W. Siemens,

I Faure, Lontin. — On voit par tout ce qui [M'écède que

It's savants ft les inventeurs se rendaient parraîtcnieiit

Compte des services que pouvaient rendre les efï'els

orifiques du courant ou de Tare pour opérer la fusion

9 métaux ou opérer des réactions iuiposstiiles aux

températures ordinaires.

Aussi, dès que les machines dynamos électriques furent devenues industrielles et permirent d'engendrer e courant électrique à un prix assez bas, les ell'orls tes inventeurs se multiplièrenl-ils ; ils furent hientôt p^uronnés de succès.

1874, M, Werdermanii proj)osa d'employer la JBaleur de l'arc à la fusion des roches ; cette idée ne fut

s réalisée.

I Mais à partir de 1878, l'ère des applications indusrietfes s'ouvre franchement. Pendant cette année, tesque simultanément, MM. W. Siemens, G. -A. Faure, s, Lontin et Berlin prirent des brevets pour des fours tectri({ues.

r W- Siemens fil avec son four électrique de nomfceuses expériences qui attirèrent l'attention sur ces rocédés.

i figure 4 représente le four ou creuset électrique employait. II réalisait en grand l'expérience rlase que nous relations plus haut (S n). Le creuset en

as'^^l

■11 I. KCL.iUlAGE A I.' .iCÉTYLÈ .\- F.

charbon 6tait encastrô dans un bloc de matière rélractaire pour empêcher le rayonnement ; il était relié au pôle positif et lo charbon au pôle négatif; un couvercle percé d'un évent recouvrait le creuset. Enfin, la longueur de l'arc était réglée automatiquement par un électro-aimant en dérivation.

JI. C. A. F'aure avait en vue la réduction des métaux alcalins.

Le four de MM. Lontîn et Bertin se iiimposait d'une série d'électrodes disposées en cercle et venant buter contre un bloc de charbon au centre duquel étaient placées les matières à fondre. On pouvait obtenir ainsi de très hautes températures.

A partir de cette époque, le nombre de fours électriques proposés est devenu considérable. Nous n'avons pas l'intention d'en faire l'étude. Nous nous contenterons de décrire les principaux procédés, afin de donner une idée des applications industrielles des fours électriques Cela nous facilitera l'étude des fours employés pour fabrication du carbure de calcium.

15. Fours Cowles. — Les applications du four électrique ne sont réellement entrées dans la pratique industrielle qu'en i883, époque à laquelle les frères Cowles, de Cleveland, aux États-L'nis, l'appliquèrent à la fabrication des alliages d'aluminium.

Leur four électrique est basé sur réchauffement des conducteurs par le passage du courant. U se compose d'une garniture D en briques réfractaîres que traversent les deux électrodes A A en charbon (fig. 5); à l'intérieur de cette maçonnerie on dispose une couche de charbon

FOUnS ELKCTRIQL-F.S i5

lie bois trempé dans l'eau de chaux et séché pour isoler les parois de la rhalcur intense du loyer; au centre de cette brasque en charbon chaulé, entre les électrodes, on résene un espace vide dans lequel on place un mélange B, de cuivre, de corindon et de charbon ; on recouvre le tout de charbon chaulé et on place sur le four un couvercle G percé d'évents pour l'échappement des gaz produits par la rcairtion. Lorsque le cou- ji -

rant passe, le noyau B K.iiir (5!ctirkiu« do Gnwics.

s'échaulle; à une température assez élevée, le corindon est décomposé et l'aluminium ainsi libéré s'unit au cuivre pour former un alliage contenant i5, 3o, 4o et même jo pour loo d'aluminium.

Ces procédés ont reçu plusieurs applications importantes, et des usines considérables ont été établies pour leur exploitation. Dans la pratique, les électrodes sont très rapprochées au début, afin que la résistance électrique ne soit pas trop considérable ; on les écarte ensuite au fur et à mesure que ropération s'avance, en se liasant sur les indications de l'ampèremètre, l'intensité du courant devant rester à peu près constante. A l'usine de Milton, près Stoke (Angleterre), chaque électrode est constituée par 9 charbons de 65 mm. de diamètre; l'intensité du courant atteint 3 000 à 3 5oo ampères. La charge d'un foyer se monte à 6î)o à i 000 kg. L'opération tUire environ une heure et demie.

Les résultats obtenus sont indépendants de la nature du courant qui peut être continu ou alternatif, co qui prouve que l'électricité n'intervient que comme source de chaleur.

16. Fours Bêroult. — Dans Ui pmti'ilô coiiiirLciK-c jiiir viTser dans le erouset en charbon a du cuivre i-n gni miles; on abaisse l'atiodr c nu contact de ce cuivre el l'on l'ail passer le courant électrique; le métal lond. (Jn verse alors en A do l'alumine qui se décompose; raluiiiiiiiiuH l'orme avec le cuivre un alliage qu'on recueille et l'oxygène so combine avec le rliarbon des électrodes pour l'ormer de l'owiUi de carbone; on comineneo par une l'aible charge, et on ajoute à mesure de l'aluminium et du cuivre; ce dernier doit être en quantité snltisante pour que le bronze (l'iilumininni soit assez dense pour resler au fond du creuri.iii- iOeoLriqii,' ii.iii.iiii. Set; Ic bain Cil l'iision doit être

lecouvert d'une couche d'alumine assez épaisse pour éviter la mise en court circuit des électrodes rpii se produirait si ce l)ain métallîqtip montait au point de relier les piuois dii creuset avec l'anode c.

La consonimation de cliailinTi des électrodes est assez élevée dans ce procédé; elle s'élève à 1,6 kg.decharbon par kilogramme d'aluminium produit, qui correspond à une dépense do &-i,^ chevaux-heures électriques, soit à al», 6 kg. pour i 000 chevaux-heurea. Ces charbons reviennent à o,!!,") le kg. à l'usine qui 1rs fabrique elle-même.

17. Fours Borcbera. — Le savant allemand Uorchers a piddié dans la première édition <le son ouvrage anr l'électro-niétalbirgie, paru en 1891, la description du Tour êleclriqne qu'il employait depuis plusieurs années déjà pour préparer des métaux rares en chanil'ant