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Four électrique à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides et procédé de fusion utilisant un tel four.
Domaine technique La présente invention concerne un four électrique à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides, ainsi qu'un procédé de fusion pour sa mise en oeuvre tel qu'utilisé en métallurgie.
Etat de la technique L'invention sera décrite dans le contexte restreint de la métallurgie et même plus particulièrement de la sidérurgie, dans le cadre des aciéries, mais il va de soi que cette approche a pour seul objet de rendre plus simple et plus¯claire la description qui suit et n'est en aucune façon une limitation du champ d'application du four à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides, objet de la présente invention.
En effet, le four à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides, objet de la présente invention, peut notamment être mis en oeuvre dans toute opération de fusion et/ou de réduction d'une charge dont la composition chimique est telle que, sous l'action d'un chauffage, elle donne naissance à au moins une phase suffisamment fluide (pâteuse, semi-liquide ou liquide) qui permette le passage du courant électrique.
S'il est vrai que le minerai de fer satisfait à ce critère de par l'obtention en le chauffant d'une phase liquide bonne conductrice d'électricité, remarquons que d'autres minéraux, ainsi que de nombreux co-produits sidérurgiques comme les scories et les poussières d'aciérie, ou encore d'autres déchets comme les cendres volantes de centrales thermiques ou les mâchefers d'incinérateurs urbains, sont aussi des matières qui donnent lieu par chauffage et fusion à au moins une phase en concordance avec le critère de conductibilité précité.
On utilisera dans la suite de la description l'expression usuelle de "four à arc" en lieu et place de l'expression complète "four électrique à arc".
Les fours à arc d'aciéries sont des éléments connus et largement utilisés dans le contexte de la production d'acier et ce aussi bien au stade classique de la fusion de ferrailles qu'au stade d'une réduction de charges comprenant des ferrailles et des
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minerais, souvent déjà préréduits ou réduits, en vue de préparer une fonte qui subira ultérieurement un affinage vers l'acier.
Les fours à arc d'aciérie peuvent être classés en deux grandes familles respectivement celle englobant les fours à arc proprement dit et celle plus spécifique relative aux fours à arc submergé ou noyé.
¯ Four à arc proprement dit Dans le four à arc proprement dit la charge est chauffée par le rayonnement d'un arc électrique généré dans son voisinage immédiat.
On distingue en général dans la construction de ce type de four 3 conceptions qui sont esquissées sur les figures 1 a, 1 b et 1 c.
La figure 1 a concerne le cas où les électrodes (E) sont disposées horizontalement au- dessus de la charge (C) de manière à générer un arc électrique qui s'établit au-dessus de cette dernière et la chauffe par rayonnement.
La figure 1 b concerne le cas où les électrodes (E) sont aussi disposées au-dessus de la charge, mais de manière telle que deux arcs s'établissent entre cette dernière et les électrodes, la charge servant à fermer le circuit entre les électrodes, et le chauffage de la charge a encore lieu principalement par rayonnement de l'arc.
La figure 1c concerne le cas où une électrode (Et) dite supérieure est disposée au- dessus de la charge (C) et une autre électrode (E2) dite inférieure ou de fond est disposée sous cette charge et souvent incorporée dans le fond du récipient formant le four électrique. L'arc s'établit entre l'électrode supérieure (E1) et la charge (C) qui sert aussi à fermer le circuit vers l'électrode (E2) de fond et le chauffage de la charge a encore lieu principalement par rayonnement de l'arc.
Les densités de puissance que l'on peut générer dans ces fours sont très élevées et leur application idéale est le four de fusion destiné à produire de l'acier à partir de ferrailles.
Les fours alimentés en courant alternatif triphasé présentent généralement une configuration avec 3 électrodes (E) de voûte telle que représentée à la figure 1 b, alors que les fours alimentés en courant continu monophasé présentent généralement une configuration avec une électrode (E1) de voûte et une électrode (E2) de fond telle que représentée à la figure 1 c.
En ce qui concerne les techniques de réalisation des électrodes, on notera que les
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électrodes de voûte sont le plus souvent constituées de graphite. Diverses technologies ont été développées pour les électrodes de fond des fours alimentés en courant continu.
Une première modalité consiste à utiliser pour construire le fond du four un matériau réfractaire (R) suffisamment conducteur de l'électricité afin que le fond du four joue le rôle de l'électrode, tel est le cas schématisé sur la figure 2a. Comme le montre cette figure, il est alors souvent nécessaire de refroidir les parties métalliques du four par soufflage d'air (A). Une autre alternative consiste à insérer au travers des réfractaires de fond du four des parties métalliques fines (M), par exemple des tiges ou des tôles, refroidies dans leur partie extérieure par soufflage d'air (A), comme le montrent les figures 2b et 2c. Enfin, une dernière possibilité met en oeuvre une ou plusieurs électrodes massives (E) disposées au fond du four et refroidies intensément, par exemple par circulation d'eau (L), comme représenté sur la figure 2d.
En général, quelle que soit la modalité de construction choisie, l'électrode de fond est connectée à la borne positive de l'alimentation et constitue donc l'anode du système et ce afin de limiter l'usure de l'électrode de voûte en graphite.
. Four à arc submergé ou noyé Dans ce type de four, les électrodes (E) plongent dans la charge (C), comme schématisé sur la figure 3, et génèrent la chaleur en son sein. La majeure partie du chauffage est produite par effet Joule (échauffement dû à la résistance au passage du courant dans les matières), même s'il arrive parfois que de petits arcs se forment, notamment au voisinage des électrodes.
De par le type même de chauffage, la répartition de la chaleur dans la charge est régulière et cela entraîne que les fours à arc submergé sont le plus souvent utilisés comme fours de réduction pour produire de la fonte ou des ferro-alliages à partir des minerais correspondants, plus ou mois préréduits au préalable dans un autre four, et de carbone ajouté sous forme de charbon, de coke ou de graphite. Ces matières solides sont en général chargées en continu par des ouvertures (0) pratiquées dans la voûte de ces fours, ainsi que le montre la figure 4.
On obtient de la sorte à l'intérieur du four un maximum de 3 phases superposées : une couche de charge (C) solide plus ou moins épaisse selon le type de charge, surnageant sur le bain de laitier (L) dans lequel la majorité des réactions de réduction se produisent, lui-même flottant sur le bain métallique (S). Les électrodes (E) plongent à travers la couche de charge solide (C) jusqu'au bain de laitier et y génèrent la chaleur par effet Joule, le bain métallique (S) et
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la couche de charge (C) solide situés de part et d'autre du laitier (L) étant chauffés indirectement par rayonnement et conduction.
Des électrodes en graphite peuvent être utilisées dans les fours à arc submergé, cependant elles sont préférentiellement remplacées par des électrodes à "auto-cuisson" ou électrodes SÔDERBERG. Ces électrodes sont mieux adaptées au fonctionnement en continu des fours de réduction, car elles sont reconstituées au fur à mesure de leur consommation. Cette reconstitution se fait en soudant sur l'extrémité supérieure de l'électrode des tronçons de tube métallique de même diamètre que l'électrode et munis intérieurement de nervures formant ainsi une sorte de "moule" qui est rempli d'une pâte à base de coke, d'anthracite, de brai et de goudron.
La pâte en question s'agglomère et durcit, on dit qu'elle "cuit", au fur à mesure de la consommation de l'électrode ainsi constituée, donc de sa descente dans le four, pour former finalement une électrode monobloc solide et compacte lors de son arrivée au niveau d'utilisation dans le four.
Bien qu'utilisées fort couramment, les électrodes à auto-cuisson précitées, présentent les inconvénients suivants : . La consommation des électrodes est relativement importante, entre 5 à 10 kg par tonne de fonte produite, ce qui entraîne des coûts supplémentaires non négligeables estimés à 5 à 10 Euro par tonne de fonte.
¯ Lorsqu'on considère l'implantation sur un même site d'exploitation d'un four à arc submergé et d'un four de pré-réduction de la charge ferrifère, la situation idéale consisterait à positionner le four de préréduction à une hauteur suffisante au-dessus du four à arc submergé pour réaliser un couplage direct entre les deux fours. On pourrait alors permettre aux matières chaudes sortant du four de préréduction de tomber simplement au travers d'un tube de connexion dans le four à arc submergé, et simultanément de permettre, via la même connexion, au gaz réducteur chaud sortant du four à arc submergé de suivre un chemin inverse, ce qui permettrait son utilisation comme combustible dans le four de préréduction.
Cependant, dans la pratique courante, vu la présence des électrodes, de leur alimentation électrique, ainsi que de leurs mécanismes de positionnement et de fabrication, l'encombrement disponible au-dessus du four à arc submergé est fort important, ce qui rend très difficile son couplage direct avec le four de préréduction. La figure 5 schématise le cas pratique habituel d'un four à arc submergé (F) alimenté en matières produites dans un four de préréduction (P) sans liaison directe entre les deux fours précités.
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Habituellement, on doit donc collecter les matières chaudes sortant du four de préréduction et les amener via un système de transport (B) dans des trémies (T) de transfert garnies de réfractaires, puis les conduire au moyen d'un pont roulant (R) dans des silos (S1, S2) intermédiaires situés à l'aplomb du four à arc submergé (F) et puis seulement les charger dans ce dernier. Il est clair que les opérations de transferts sont économiquement préjudiciables et ce tant au niveau des investissements en installations que dans le suivi et l'entretien de ces dernières. La perte énergétique sous forme de chaleur sensible de la matière préréduite entraîne une consommation électrique supplémentaire d'environ 135 kWh par tonne de fonte au niveau du four à arc submergé.
En outre, le gaz sortant du four à arc submergé ne peut pas être envoyé directement vers le four de préréduction qui en est trop distant, ce qui entraîne encore des investissements supplémentaires pour un système de traitement dédicacé de ce gaz et correspond à une consommation énergétique supplémentaire au niveau du four de préréduction variant entre 450 et
900 MJ par tonne de fonte.
Présentation de l'invention La présente invention a pour objet un four à arc submergé dont la mise en oeuvre présente comme avantage non négligeable de palier les inconvénients précités, plus particulièrement dans le contexte d'un chargement dudit four à arc submergé directement à partir du four élaborant les matières constitutives de sa charge. Pour la suite de la présentation de l'objet de la présente invention, il sera fait référence à la figure 6 qui représente schématiquement un four suivant l'invention.
Conformément à la présente invention, un four à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides consistant principalement en un récipient (1) doté de moyens (M) pour y introduire une charge (2), ainsi que d'au moins deux électrodes (5) (6) formées de divers éléments inclus schématiquement dans les cercles pointillés dessinés, reliées à une alimentation électrique représentée schématiquement par les signes + et-, ledit récipient (1 ) comprenant lors de la marche en régime dudit four à arc, c'est-à-dire après une phase de démarrage telle que définie ultérieurement dans la présente description et consistant principalement à obtenir un bain métallique au contact de chaque électrode et un bain supérieur de laitier (4) en contact avec les bains métalliques obtenus (7) précités relatifs aux électrodes (5) et (6),
au moins un bain dit supérieur (4)
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suffisamment fluide constitué d'au moins une phase, pâteuse, semi-liquide ou liquide, permettant le passage du courant électrique, la charge (2) étant déposée sur ledit bain supérieur (4) et fondue progressivement, est essentiellement caractérisé en ce que ledit four à arc submergé comporte au moins deux électrodes distinctes (5) (6) disposées à la périphérie du récipient (1 ) constitutif dudit four, en ce que lesdites électrodes (5) (6) comprennent chacune un bain métallique appelé secondaire (7), et en ce que le bain supérieur (4) précité sert de liaison entre les bains métalliques secondaires (7) des électrodes (5) (6) pour permettre le passage du courant entre ces dernières et procéder au chauffage du contenu dudit four à arc submergé.
Dans le four à arc submergé à électrodes liquides, objet de la présente invention, le bain supérieur (4) permettant le passage du courant entre les électrodes (5) (6) peut être lui-même issu de la fusion progressive de la charge (2) et peut éventuellement flotter sur un bain métallique dit inférieur (3), situé dans le fond dudit four à arc submergé, issu lui aussi de la fusion et/ou de la réduction progressive de la charge, et ce à condition qu'il n'existe pas de liaison directe sous forme de métal liquide entre le bain métallique inférieur (3) et les bains métalliques secondaires (7) des électrodes (5) (6) précitées.
Cette conception, tant dans le positionnement que dans le mode de réalisation des électrodes, a pour conséquence pratique lors de la construction du four à arc submergé selon la présente invention de permettre un dégagement de l'espace supérieur du four en question et de rendre ainsi possible son approvisionnement direct par le haut en matière chaude formant la charge dudit four à arc submergé.
Suivant une modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, une électrode (5) (6) consiste principalement en un ensemble comprenant du métal liquide formant le bain secondaire (7) et en un moyen qui assure le contact entre le bain secondaire (7) précité et une borne reliée à une source de potentiel électrique sise à l'extérieur dudit four.
Suivant une modalité de mise en oeuvre préférentielle du four, objet de la présente invention, le moyen assurant le contact entre le bain secondaire (7) relatif à une électrode (5) (6) et une borne reliée à une source de potentiel électrique sise à
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l'extérieur dudit four (1) consiste en au moins un objet métallique, préférentiellement le ou les objets métalliques sont soit des tôles, soit des barres, soit des tubes et de préférence les objets métalliques précités sont pourvus d'un revêtement de protection contre la corrosion.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du four, objet de la présente invention, le moyen assurant le contact entre le bain secondaire (7) relatif à une électrode (5) (6) et une borne reliée à une source de potentiel électrique sise à l'extérieur dudit four (1 ) consiste en au moins un objet métallique pourvu d'un système de refroidissement tel qu'un soufflage d'air, une pulvérisation d'eau ou une circulation naturelle ou forcée d'eau.
Suivant une modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est monophasée alternative ou continue, le récipient formant l'enceinte (1 ) du four présente une section horizontale circulaire, 2 électrodes (5) et (6) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés respectivement aux 2 bornes de l'alimentation électrique et disposés de manière sensiblement symétrique sur le pourtour dudit récipient.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est monophasée alternative ou continue, le récipient formant l'enceinte (1) du four présente une section horizontale ovale, 2 électrodes (5) et (6) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés respectivement aux 2 bornes de l'alimentation électrique et disposés de manière sensiblement symétrique sur le pourtour dudit récipient.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est monophasée alternative ou continue, le récipient formant l'enceinte (1 ) du four présente une section horizontale rectangulaire, 2 électrodes (5) et (6) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés respectivement aux 2 bornes de l'alimentation électrique et disposés sur des côtés opposés du pourtour dudit récipient.
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Suivant une modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est triphasée, le récipient formant l'enceinte (1) du four présente une section horizontale circulaire, 3 électrodes (11,12,13) ou 3 groupes d'électrodes connectés respectivement aux 3 phases de l'alimentation électrique disposés de manière sensiblement symétrique sur le pourtour dudit récipient.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est triphasée, le récipient formant l'enceinte (1) du four présente une section horizontale ovale, 3 électrodes (11,12,13) ou 3 groupes d'électrodes sont connectés respectivement aux 3 phases de l'alimentation électrique et disposés de manière sensiblement symétrique sur le pourtour dudit récipient.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est triphasée, le récipient formant l'enceinte (1) du four présente une section horizontale rectangulaire, 2 électrodes (11,12) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés respectivement à 2 des 3 phases de l'alimentation électrique et disposés chacun sur un des grands côtés du rectangle et 2 électrodes (13) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés à la troisième phase de l'alimentation électrique et disposés chacun sur un des petits côtés du rectangle,
le rapport des dimensions des côtés de la section rectangulaire ainsi que la disposition et la tailles des électrodes ou des groupes d'électrodes étant choisis de manière à assurer une consommation équilibrée de courant sur les trois phases de l'alimentation électrique.
Les différentes modalités relatives au positionnement des électrodes selon le type de récipient formant le four et son alimentation électrique sont schématisées sur la figure 7 a à 7 e. Les différentes situations sont illustrées par la représentation des lignes de courant selon les cas envisagés.
En vue de permettre une compréhension plus aisée des modalités de réalisation des électrodes (5) et (6), on a élaboré la figure 8 (a et b) à laquelle on fera référence dans le texte ci-dessous.
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Suivant une modalité préférentielle de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, ledit four étant considéré dans son état de marche en régime, donc après la phase de démarrage, une électrode est constituée par une mince tôle d'acier (14), ladite tôle (14) étant placée sensiblement verticalement entre deux parois constituées de matériaux réfractaires (21) (22), la partie supérieure de ladite tôle (14), via son extrémité supérieure partiellement fondue tenant lieu de bain secondaire (7), étant en contact avec le bain supérieur (4), la partie inférieure de la tôle (14) étant reliée par une chambre de connexion électrique (16) à une source d'énergie électrique extérieure au four, de préférence la tôle (14) est revêtue d'une couche de protection contre la corrosion, de préférence les matériaux réfractaires entourant la tôle (14)
sont des blocs denses (21), de préférence lesdits blocs denses sont à base de magnésie, dans la partie en contact avec le bain supérieur (4), lesdits blocs denses (21) étant déposés sur un matériau réfractaire (22) plus léger et meilleur isolant thermique que celui constituant les blocs (21), l'ensemble formé par les blocs (21) et le matériau (22) étant pris en sandwich entre les parois (1) constituant l'enveloppe du four au niveau de l'électrode, de préférence on intercale un joint de dilatation (23) qui est constitué en un matériau réfractaire entre l'ensemble précité formé par les blocs denses (21) et le matériau (22) et les parois (1 ) précitées du four.
Suivant une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, ledit four étant considéré dans son état de marche en régime, donc après la phase de démarrage, une électrode est constituée par une mince tôle d'acier (14), ladite tôle (14) étant placée sensiblement horizontalement dans un ensemble constitué de matériaux réfractaires (21) (22), la partie intérieure de ladite tôle (14), via son extrémité partiellement fondue tenant lieu de bain secondaire (7), étant en contact avec le bain supérieur (4), la partie extérieure de la tôle (14) étant reliée par une chambre de connexion électrique (16) à une source d'énergie électrique extérieure au four, de préférence la tôle (14) est revêtue d'une couche de protection contre la corrosion, de préférence les matériaux réfractaires entourant la tôle (14)
sont des blocs denses (21), de préférence lesdits blocs denses sont à base de magnésie dans la partie en contact avec le bain supérieur (4), de préférence le bloc dense situé sous la tôle (14) est mis en forme de manière à empêcher tout écoulement vers l'intérieur du four de l'extrémité intérieure partiellement fondue de ladite tôle (14), lesdits blocs denses (21) étant complétés par un matériau réfractaire (22) plus léger et meilleur isolant thermique que
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celui constituant les blocs (21), l'ensemble formé par les blocs (21) et le matériau (22) étant rendu solidaire des parois (1 ) constituant l'enveloppe du four au niveau de l'électrode, de préférence on intercale un joint de dilatation (23) qui est constitué en un matériau réfractaire entre l'ensemble précité formé par les blocs denses (21) et le matériau (22)
et les parois (1) précitées du four.
Suivant encore une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle une électrode est constituée par une mince tôle d'acier (14), ladite tôle (14) étant placée sensiblement verticalement entre deux parois constituées de matériaux réfractaires (21) (22), la partie supérieure de ladite tôle (14), via son extrémité supérieure partiellement fondue tenant lieu de bain secondaire (7), la chambre de connexion électrique (16) précitée comporte au moins un moyen pour refroidir la partie inférieure de la tôle (14) précitée, de préférence un des moyens de refroidissement consiste en un système de pulvérisation (25) d'un fluide liquide et comporte au moins un autre moyen (26) dont le rôle est d'évacuer l'excédent du fluide de refroidissement.
Suivant encore une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle une électrode est constituée par une mince tôle d'acier (14), ladite tôle (14) étant placée sensiblement horizontalement dans un ensemble constitué de matériaux réfractaires (21) (22), la partie intérieure de ladite tôle (14), via son extrémité partiellement fondue tenant lieu de bain secondaire (7), la chambre de connexion électrique (16) précitée comporte au moins un moyen pour refroidir la partie extérieure de la tôle (14) précitée, de préférence un des moyens de refroidissement consiste en un système de pulvérisation (25) d'un fluide liquide et comporte au moins un autre moyen (26) dont le rôle est d'évacuer l'excédent du fluide de refroidissement.
Brève description des dessins Les dessins explicatifs de différents modes de réalisation du four, objet de la présente description de l'invention, ont été volontairement simplifiés en vue de mieux mettre en évidence les éléments sur lesquels porte l'invention et sont donc incomplets car ils ne représentent pas tous les éléments qui sont en général nécessaires à la bonne marche d'un four à arc submergé, comme par exemple les moyens d'extraction et de traitement
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des fumées, les moyens de refroidissement de l'enveloppe dudit four, les moyens de chargement, etc.
On notera que la Fig. 6 illustre le principe de base d'un four à arc submergé suivant l'invention; la Fig. 7 (a,b,c,d,e) illustre différentes configurations possibles du four à arc submergé suivant l'invention en fonction de la forme du récipient enveloppe utilisé et du type d'alimentation électrique ; etla Fig. 8 (a,b) illustre le principe d'une électrode du four à arc submergé suivant l'invention ainsi qu'une réalisation dudit four.
Modes de réalisation de l'invention La figure 6 est une vue de profil schématisant le principe même d'un four à arc submergé suivant l'invention. On y distingue le récipient (1) qui est l'enveloppe extérieure du four, la charge (2) qui est introduite par un quelconque moyen adéquat positionné au-dessus du four et non représenté, le bain métallique de production (3) et le bain de laitier (4), les deux électrodes respectivement positive (5) et négative (6) comprenant chacune un bain métallique secondaire (7) et assurant le chauffage du four principalement par effet Joule lors du passage du courant électrique dans le bain de laitier, les lignes de passage étant schématisées par (8) et (9).
Dans une première phase dite phase de démarrage, on charge par le haut dans le récipient vide une matière solide riche en éléments conducteurs du courant électrique comme du coke ou une autre substance carbonée et on chauffe ces matières au moyen des électrodes (5) et (6) précitées et ce jusqu'à obtenir respectivement un bain métallique secondaire au contact de chaque électrode et un bain de laitier (4) en contact avec les bains secondaires (7) précités relatifs aux électrodes (5) et (6). La phase suivante est la phase de travail en régime du four à arc submergé pendant laquelle le chauffage est opéré par conduction à travers du laitier et pendant laquelle on alimente le four avec sa charge solide de régime, par exemple du minerai préalablement préréduit en mélange avec diverses matières dont du coke et d'autres additifs.
Le bain métallique dit de production (3) apparaît alors progressivement dans le fond du récipient et son niveau est régulé en prélevant périodiquement du métal liquide hors du four. Dans la majorité des cas de mise en oeuvre, la consigne consiste
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en une hauteur du bain de production à ne pas dépasser, par exemple 1/3 de la hauteur entre le fond du récipient et le niveau des bains métalliques secondaires relatifs aux électrodes en considérant que lesdits bains sont disposés habituellement à la même hauteur, si ce n'est pas le cas, le niveau le plus bas est choisi pour estimer la hauteur précitée.
Il va de soi qu'un même souci de respecter un certain niveau du bain de laitier (4) existe et ce niveau est lui aussi régulé par prélèvement de laitier liquide hors du four en s'assurant qu'on dispose à tout moment suffisamment de laitier liquide pour assurer le contact entre les deux bains métalliques secondaires (7) relatifs aux électrodes (5) (6), de préférence, on essaie de conserver des bains métalliques secondaires (7) des électrodes (5) (6) totalement recouverts par le bain de laitier (4).
On constate donc bien que le problème évoqué précédemment d'usure des électrodes dans un four à arc submergé classique est résolu, car le bain métallique secondaire (7) de chaque électrode ne participe pas directement à l'alimentation du bain de production (3) et ne diminue pratiquement pas, les diminutions minimes pouvant être compensées - si nécessaire - par l'ajout périodique au-dessus des bains secondaires des électrodes (5) (6) de petites quantités d'un métal identique à celui constituant les bains secondaires précités.
De plus; vu le dégagement de la partie supérieure du four, objet de la présente invention, de par la localisation en périphérie des électrodes, rien ne s'oppose plus à l'aménagement au-dessus dudit four d'une unité de préparation des matières chargées, par exemple une unité de préréduction et il en découle la possibilité de transférer directement dans le four à arc submergé les matières chaudes issues de l'unité de préréduction tout en faisant suivre un chemin inverse aux gaz issus du four à arc submergé vers l'unité de préréduction dans laquelle leur chaleur latente est utilement récupérée.
Les figures 7a, 7b et 7c illustrent le cas de fours à arc submergé alimentés en courants monophasés continus ou alternatifs.
La figure 7a schématise un four à arc submergé formé d'un récipient (1) de section droite circulaire et comprenant les électrodes (5) et (6) disposées face à face. On constate dans la pratique que les lignes de conductions (10) présentent une disposition symétrique qui favorise un chauffage de la charge régulièrement réparti dans l'espace.
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Les figures 7b et 7c schématisent un four à arc submergé formé d'un récipient (1) de section droite rectangulaire et comprenant les électrodes (5) et (6) disposées face à face respectivement suivant le plus petit côté et suivant le plus grand côté. On constate ici dans la pratique que les lignes de conductions (10) présentent une disposition encore plus régulière et plus symétrique que dans le cas de la section circulaire reprise à la figure 7a, ce qui favorise encore plus un chauffage de la charge régulièrement réparti dans l'espace.
Les figures 7d et 7e illustrent le cas de fours à arc submergé alimentés en courant triphasé.
La figure 7d illustre un four à arc submergé formé d'un récipient (1) de section droite circulaire et comprenant 3 électrodes (11), (12) et (13) disposées symétriquement sur le pourtour. On constate dans la pratique que les lignes de conductions (10) présentent une disposition symétrique qui favorise un chauffage de la charge régulièrement réparti dans l'espace.
La figure 7e schématise un four à arc submergé formé d'un récipient (1) de section droite rectangulaire et comprenant 3 électrodes (11 ), (12) et (13) disposées sur le pourtour de telle manière que 2 des électrodes (11) et (12), connectées respectivement à 2 des 3 phases de l'alimentation électrique, se trouvent chacune sur un des grands côtés du rectangle et que 2 électrodes (13), connectées à la troisième phase de l'alimentation électrique, se trouvent chacune sur un des petits côtés du rectangle. On constate que, par un choix judicieux des dimensions des côtés de la section rectangulaire ainsi que de la disposition et de la taille des électrodes, il est possible d'assurer à la fois un chauffage homogène de la charge et une consommation équilibrée de courant sur les trois phases de l'alimentation électrique.
Les figures Sa et 8b ont trait au cas particulier d'un four à arc submergé selon l'invention de forme rectangulaire, équipé d'électrodes disposées suivant les deux plus grands côtés et constituées chacune par une mince tôle d'acier placée verticalement entre deux parois constituées de matériaux réfractaires, respectivement la figure 8a est la représentation schématique en plan d'une coupe selon le plan AA' d'une vue en profil et la figure 8b est la représentation schématique en profil d'un détail de l'électrode gauche selon une coupe 88' d'une vue en plan.
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On distingue sur la figure 8a le récipient (1) de forme rectangulaire, les deux électrodes disposées selon les deux plus grands côtés et comprenant les tôles minces (14) et (15) dont la partie inférieure est refroidie par pulvérisation d'eau dans les deux chambres de connexion (16) et (17) pourvues d'orifices (26) permettant évacuer l'excédent d'eau de refroidissement.
La figure 8b illustre une configuration particulière d'une électrode destinée au four rectangulaire représenté sur la figure 8a. On y distingue les parois (1) du four qui sont refroidies par circulation d'eau (18) au niveau du bain de laitier (4), ce dernier formant une couche (20) solide au contact desdites parois (1) refroidies. La couche (20) ainsi formée constitue un bon isolant thermique et limite les pertes thermiques via l'eau de refroidissement. L'électrode est constituée d'une tôle mince (14) placée verticalement entre deux parois composées de matériaux réfractaires sous forme de blocs denses (21) posés sur une couche d'un matériau (22) plus léger permettant une meilleure isolation thermique. Des joints de dilatation (23) sont placés contre les parois (1) refroidies à l'eau.
Le raccordement électrique de chaque électrode est réalisé dans une chambre de connexion (16) qui dispose d'un système de refroidissement, dans le cas exposé une rampe de nébuliseurs d'eau (25). Ce type de refroidissement peut imposer certaines précautions telles que l'utilisation d'une tôle (14) protégée contre la corrosion, par exemple une tôle revêtue, et la présence d'un système d'élimination de l'eau de refroidissement excédentaire ainsi que de la vapeur d'eau tel que les orifices (26) représentés sur la figure 8a.
Lors du fonctionnement du four à arc submergé suivant l'invention, la tôle (14) fond dans sa partie supérieure en contact direct avec le bain de laitier et, sous l'effet principal du refroidissement de son extrémité dans la chambre de connexion (16) par les nébuliseurs d'eau (25), il se forme un équilibre dans les transferts thermiques qui donne lieu à l'apparition d'un front de solidification (27) séparant la partie supérieure fondue de la tôle (28) de sa partie inférieure solide (29).
La figure 9 illustre une autre configuration particulière d'une électrode destinée à un four rectangulaire du type de celui représenté sur la figure 8a. On y distingue les parois (1) du four qui sont refroidies par circulation d'eau (18) au niveau du bain de laitier (4), ce dernier formant une couche (20) solide au contact desdites parois (1) refroidies. La couche (20) ainsi formée constitue un bon isolant thermique et limite les pertes thermiques via l'eau de refroidissement. L'électrode est constituée d'une tôle mince (14) placée horizontalement dans un ensemble composé de matériaux réfractaires sous
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forme de blocs denses (21) et d'une couche d'un matériau (22) plus léger permettant une meilleure isolation thermique. Des joints de dilatation (23) sont placés contre les parois (1) refroidies à l'eau.
Le raccordement électrique de chaque électrode est réalisé dans une chambre de connexion (16) qui dispose d'un système de refroidissement, dans le cas exposé une rampe de nébuliseurs d'eau (25). Ce type de refroidissement peut imposer certaines précautions telles que l'utilisation d'une tôle (14) protégée contre la corrosion, par exemple une tôle revêtue, et la présence d'un système d'élimination de l'eau de refroidissement excédentaire ainsi que de la vapeur d'eau tel que les orifices (26) représentés sur la figure 8a.
Lors du fonctionnement du four à arc submergé suivant l'invention, la tôle (14) fond dans sa partie intérieure en contact direct avec le bain de laitier et, sous l'effet principal du refroidissement de son extrémité dans la chambre de connexion (16) par les nébuliseurs d'eau (25), il se forme un équilibre dans les transferts thermiques qui donne lieu à l'apparition d'un/front de solidification (27) séparant la partie supérieure fondue de la tôle (28) de sa partie inférieure solide (29).
Un domaine préférentiel d'application d'un four suivant la présente invention est la production de fonte ou d'acier. Il en résulte un procédé consistant schématiquement à alimenter le four en une charge (2) constituée principalement de ferrailles et de minerais, éventuellement préréduits, auxquels on ajoute une ou plusieurs matières contenant du carbone comme du charbon ou du coke, ces dernières étant introduites en quantités contrôlées afin d'assurer, d'une part une réduction sensiblement complète des oxydes de fer présents dans la charge afin de limiter la teneur en fer du bain supérieur (4) de laitier à 2% et préférentiellement à moins de 0.
8% quand on vise essentiellement la production de fonte, et d'autre part une réduction partielle des oxydes de fer présents dans la charge afin de maintenir la teneur en fer du bain supérieur (4) de laitier entre 5 et 40% et préférentiellement entre15 et 25% dans le cas de la production d'acier.
En outre, on procède dans les deux cas à des additions correctrices comme de la chaux, de la castine, de la bauxite, ou de la magnésie introduites en quantités contrôlées afin de produire une phase de laitier (4) qui soit à la fois conductrice du courant électrique et qui ait un indice de basicité, d'une part supérieur à 0. 8, et même de préférence compris entre 1 et 1.3, pour la production d'une fonte de qualité comparable à celle des haut fourneaux, et d'autre part supérieur à 1, et même
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de préférence compris entre 1.2 et 2. 5, pour la production d'un acier contenant peu de soufre et de phosphore.
Conclusions Cette nouvelle approche tant dans le positionnement que dans la conception des électrodes a pour conséquence pratique lors de la construction d'un four à arc submergé selon la présente invention d'éviter toute consommation en électrode de carbone et de permettre l'approvisionnement par le haut directement à partir du four élaborant les matières constitutives de sa charge.
On constate en effet que le problème d'usure des électrodes est résolu car le bain métallique secondaire de chaque électrode ne participe pas directement à l'alimentation du bain de production et ne diminue pratiquement pas, les diminutions minimes pouvant être compensées - si nécessaire - par l'ajout périodique aù-dessus des bains secondaires des électrodes de petites quantités d'un métal identique à celui constituant les bains secondaires précités.
De plus, vu le dégagement de la partie supérieure du four de par la localisation en périphérie des électrodes, rien ne s'oppose plus à l'aménagement au-dessus dudit four d'une unité de préparation des matières chargées, par exemple une unité de préréduction et il en découle la possibilité de transférer directement dans le four à arc submergé les matières chaudes issues de l'unité de préréduction tout en faisant suivre un chemin inverse aux gaz issus du four à arc submergé vers l'unité de préréduction dans laquelle leur chaleur latente est utilement récupérée.
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Electric submerged arc furnace equipped with liquid metallic electrodes and fusion process using such an furnace.
Technical Field The present invention relates to an electric submerged arc furnace equipped with liquid metal electrodes, as well as a melting process for its implementation as used in metallurgy.
STATE OF THE ART The invention will be described in the limited context of metallurgy and even more particularly of the steel industry, in the context of steel mills, but it goes without saying that the sole purpose of this approach is to make it simpler and more clear the description which follows and is in no way a limitation of the field of application of the submerged arc furnace equipped with liquid metallic electrodes, object of the present invention.
Indeed, the submerged arc furnace equipped with liquid metal electrodes, object of the present invention, can in particular be used in any operation of melting and / or reduction of a charge whose chemical composition is such that, under the action of heating, it gives rise to at least one sufficiently fluid phase (pasty, semi-liquid or liquid) which allows the passage of electric current.
While it is true that iron ore meets this criterion by obtaining a good electrically conductive liquid phase by heating it, it should be noted that other minerals, as well as many steel by-products such as slag and steelworks dust, or other waste such as fly ash from thermal power plants or bottom ash from urban incinerators, are also materials which give rise, by heating and fusion, to at least one phase in accordance with the criterion above conductivity.
In the following description, the usual expression "arc furnace" will be used instead of the complete expression "electric arc furnace".
Steel arc furnaces are well-known and widely used elements in the context of steel production, both at the classic stage of the melting of scrap metal and at the stage of a load reduction including scrap and
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ores, often already reduced or reduced, in order to prepare a cast iron which will later undergo refining towards steel.
The arc furnaces of steelworks can be classified into two main families respectively that including the furnaces with arc proper and that more specific relating to the furnaces with submerged or submerged arc.
¯ Arc furnace proper In the arc furnace itself, the load is heated by the radiation of an electric arc generated in its immediate vicinity.
In general, a distinction is made in the construction of this type of oven 3 designs which are outlined in Figures 1 a, 1 b and 1 c.
FIG. 1 a relates to the case where the electrodes (E) are arranged horizontally above the load (C) so as to generate an electric arc which is established above the latter and heats it by radiation.
FIG. 1b relates to the case where the electrodes (E) are also arranged above the charge, but in such a way that two arcs are established between the latter and the electrodes, the charge serving to close the circuit between the electrodes , and the heating of the load still takes place mainly by radiation from the arc.
Figure 1c concerns the case where an electrode (Et) called upper is placed above the load (C) and another electrode (E2) called lower or bottom is placed under this load and often incorporated in the bottom of the container forming the electric oven. The arc is established between the upper electrode (E1) and the load (C) which also serves to close the circuit towards the bottom electrode (E2) and the heating of the load still takes place mainly by radiation from the 'bow.
The power densities that can be generated in these ovens are very high and their ideal application is the melting furnace intended to produce steel from scrap.
Ovens supplied with three-phase alternating current generally have a configuration with 3 arch electrodes (E) as shown in FIG. 1 b, while ovens supplied with single-phase direct current generally have a configuration with an arch electrode (E1) and a bottom electrode (E2) as shown in Figure 1 c.
With regard to the techniques for producing the electrodes, it will be noted that the
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arch electrodes are most often made of graphite. Various technologies have been developed for the bottom electrodes of ovens supplied with direct current.
A first modality consists in using to build the bottom of the oven a refractory material (R) sufficiently electrically conductive so that the bottom of the oven plays the role of the electrode, such is the case shown diagrammatically in FIG. 2a. As this figure shows, it is often necessary to cool the metal parts of the oven by blowing air (A). Another alternative consists in inserting through the bottom refractories of the furnace thin metal parts (M), for example rods or sheets, cooled in their external part by air blowing (A), as shown in FIGS. 2b and 2c. Finally, a last possibility uses one or more massive electrodes (E) placed at the bottom of the oven and intensely cooled, for example by circulation of water (L), as shown in FIG. 2d.
In general, whatever the construction method chosen, the bottom electrode is connected to the positive terminal of the power supply and therefore constitutes the anode of the system in order to limit the wear of the arch electrode in graphite.
. Submerged or submerged arc furnace In this type of furnace, the electrodes (E) plunge into the charge (C), as shown diagrammatically in FIG. 3, and generate the heat within it. Most of the heating is produced by the Joule effect (heating due to the resistance to the passage of current in the materials), even if it sometimes happens that small arcs are formed, especially in the vicinity of the electrodes.
By the very type of heating, the distribution of heat in the load is regular and this means that submerged arc furnaces are most often used as reduction furnaces to produce cast iron or ferro-alloys from ores corresponding, more or less pre-reduced beforehand in another furnace, and of carbon added in the form of coal, coke or graphite. These solid materials are generally loaded continuously through openings (0) made in the roof of these ovens, as shown in FIG. 4.
In this way, a maximum of 3 superimposed phases are obtained inside the oven: a solid filler layer (C) more or less thick depending on the type of filler, floating on the slag bath (L) in which the majority of the reduction reactions occur, itself floating on the metal bath (S). The electrodes (E) plunge through the solid charge layer (C) to the slag bath and generate heat by the Joule effect, the metal bath (S) and
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the solid filler layer (C) located on either side of the slag (L) being heated indirectly by radiation and conduction.
Graphite electrodes can be used in submerged arc furnaces, however they are preferably replaced by "self-cooking" electrodes or SÔDERBERG electrodes. These electrodes are better suited to the continuous operation of reduction furnaces, because they are reconstituted as they are consumed. This reconstitution is done by welding on the upper end of the electrode sections of metal tube of the same diameter as the electrode and internally provided with ribs thus forming a kind of "mold" which is filled with a paste based on coke, anthracite, pitch and tar.
The dough in question agglomerates and hardens, it is said to "cook", as the electrode thus constituted is consumed, therefore when it goes down into the oven, to finally form a solid and compact monobloc electrode when it reaches the level of use in the oven.
Although widely used, the aforementioned self-cooking electrodes have the following drawbacks:. The consumption of the electrodes is relatively high, between 5 to 10 kg per tonne of cast iron produced, which leads to significant additional costs estimated at 5 to 10 Euro per tonne of cast iron.
¯ When considering the installation on the same operating site of a submerged arc furnace and a pre-reduction furnace of the iron load, the ideal situation would be to position the pre-reduction furnace at a sufficient height above the submerged arc furnace for direct coupling between the two ovens. We could then allow the hot materials leaving the pre-reduction furnace to simply fall through a connection tube in the submerged arc furnace, and simultaneously allow, via the same connection, the hot reducing gas leaving the submerged arc furnace to follow a reverse path, which would allow its use as fuel in the pre-reduction oven.
However, in current practice, given the presence of the electrodes, their electrical supply, as well as their positioning and manufacturing mechanisms, the space available above the submerged arc furnace is very large, which makes it very difficult. its direct coupling with the pre-reduction oven. FIG. 5 shows diagrammatically the usual practical case of a submerged arc furnace (F) supplied with materials produced in a pre-reduction furnace (P) without direct connection between the two aforementioned ovens.
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Usually, therefore, the hot materials leaving the pre-reduction oven must be collected and brought via a transport system (B) into transfer hoppers (T) lined with refractories, then lead them by means of an overhead crane (R) in intermediate silos (S1, S2) located directly above the submerged arc furnace (F) and only then load them into the latter. It is clear that transfer operations are economically damaging, both in terms of investment in facilities and in the monitoring and maintenance of the latter. The energy loss in the form of sensible heat from the pre-reduced material leads to an additional electrical consumption of around 135 kWh per tonne of pig iron in the submerged arc furnace.
In addition, the gas leaving the submerged arc furnace cannot be sent directly to the pre-reduction furnace which is too far from it, which still entails additional investments for a dedicated treatment system for this gas and corresponds to energy consumption. additional at the level of the pre-reduction oven varying between 450 and
900 MJ per ton of pig iron.
Presentation of the invention The subject of the present invention is a submerged arc furnace, the implementation of which has the non-negligible advantage of overcoming the aforementioned drawbacks, more particularly in the context of loading said submerged arc furnace directly from the furnace developing the constituent materials of its charge. For the rest of the presentation of the object of the present invention, reference will be made to FIG. 6 which schematically represents an oven according to the invention.
According to the present invention, a submerged arc furnace equipped with liquid metal electrodes consisting mainly of a container (1) provided with means (M) for introducing a charge (2) therein, as well as at least two electrodes (5 ) (6) formed of various elements included schematically in the dotted circles drawn, connected to an electrical supply represented schematically by the signs + and-, said container (1) comprising when operating in operation of said arc furnace, it is ie after a start-up phase as defined later in this description and consisting mainly of obtaining a metal bath in contact with each electrode and an upper slag bath (4) in contact with the metal baths obtained (7) mentioned above relating to the electrodes (5) and (6),
at least one so-called upper bath (4)
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sufficiently fluid consisting of at least one phase, pasty, semi-liquid or liquid, allowing the passage of electric current, the charge (2) being deposited on said upper bath (4) and gradually melted, is essentially characterized in that said submerged arc furnace comprises at least two separate electrodes (5) (6) disposed at the periphery of the container (1) constituting said furnace, in that said electrodes (5) (6) each comprise a metal bath called secondary (7) , and in that the above-mentioned upper bath (4) serves as a connection between the secondary metal baths (7) of the electrodes (5) (6) to allow the passage of current between them and to heat the contents of said arc furnace submerged.
In the submerged arc furnace with liquid electrodes, object of the present invention, the upper bath (4) allowing the passage of current between the electrodes (5) (6) can itself be produced by the progressive melting of the charge ( 2) and can optionally float on a so-called lower metal bath (3), located at the bottom of said submerged arc furnace, also resulting from the melting and / or from the progressive reduction of the charge, provided that it there is no direct connection in the form of liquid metal between the lower metal bath (3) and the secondary metal baths (7) of the above-mentioned electrodes (5) (6).
This design, both in the positioning and in the embodiment of the electrodes, has the practical consequence during the construction of the submerged arc furnace according to the present invention of allowing clearance of the upper space of the furnace in question and thus making possible direct supply from above of hot material forming the charge of said submerged arc furnace.
According to an embodiment of the furnace, object of the present invention, an electrode (5) (6) consists mainly of an assembly comprising liquid metal forming the secondary bath (7) and of a means which ensures contact between the aforementioned secondary bath (7) and a terminal connected to a source of electrical potential located outside said oven.
According to a preferred embodiment of the oven, object of the present invention, the means ensuring contact between the secondary bath (7) relating to an electrode (5) (6) and a terminal connected to a source of electrical potential located at
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the exterior of said oven (1) consists of at least one metallic object, preferably the metallic object (s) are either sheets, bars or tubes and preferably the aforementioned metallic objects are provided with a protective coating against corrosion.
According to another preferred embodiment of the oven, object of the present invention, the means ensuring contact between the secondary bath (7) relating to an electrode (5) (6) and a terminal connected to a source of electrical potential located outside said oven (1) consists of at least one metallic object provided with a cooling system such as an air blast, a water spray or a natural or forced circulation of water.
According to a mode of implementation of the oven, object of the present invention, in which the supply of electrical energy is alternating or continuous single-phase, the container forming the enclosure (1) of the oven has a circular horizontal section, 2 electrodes ( 5) and (6) or 2 groups of electrodes are respectively connected to the 2 terminals of the power supply and arranged in a substantially symmetrical manner around the periphery of said container.
According to another embodiment of the furnace, object of the present invention, in which the supply of electrical energy is alternating or continuous single-phase, the container forming the enclosure (1) of the furnace has an oval horizontal section, 2 electrodes (5) and (6) or 2 groups of electrodes are respectively connected to the 2 terminals of the power supply and arranged in a substantially symmetrical manner around the periphery of said container.
According to yet another embodiment of the furnace, object of the present invention, in which the supply of electrical energy is alternating or continuous single-phase, the container forming the enclosure (1) of the furnace has a rectangular horizontal section, 2 electrodes (5) and (6) or 2 groups of electrodes are respectively connected to the 2 terminals of the power supply and arranged on opposite sides of the periphery of said container.
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According to an embodiment of the oven, object of the present invention, in which the supply of electrical energy is three-phase, the container forming the enclosure (1) of the oven has a circular horizontal section, 3 electrodes (11,12 , 13) or 3 groups of electrodes connected respectively to the 3 phases of the electrical supply arranged in a substantially symmetrical manner around the periphery of said container.
According to another embodiment of the oven, object of the present invention, in which the supply of electrical energy is three-phase, the container forming the enclosure (1) of the oven has an oval horizontal section, 3 electrodes (11, 12,13) or 3 groups of electrodes are respectively connected to the 3 phases of the electrical supply and arranged in a substantially symmetrical manner around the periphery of said container.
According to yet another embodiment of the oven, object of the present invention, in which the supply of electrical energy is three phase, the container forming the enclosure (1) of the oven has a rectangular horizontal section, 2 electrodes (11 , 12) or 2 groups of electrodes are connected respectively to 2 of the 3 phases of the power supply and each arranged on one of the long sides of the rectangle and 2 electrodes (13) or 2 groups of electrodes are connected to the third phase of the power supply and each arranged on one of the short sides of the rectangle,
the ratio of the dimensions of the sides of the rectangular section as well as the arrangement and sizes of the electrodes or groups of electrodes being chosen so as to ensure a balanced consumption of current over the three phases of the electrical supply.
The different methods relating to the positioning of the electrodes according to the type of container forming the oven and its electrical supply are shown diagrammatically in FIG. 7 a to 7 e. The different situations are illustrated by the representation of the current lines according to the cases envisaged.
In order to allow an easier understanding of the methods of producing the electrodes (5) and (6), FIG. 8 (a and b) has been developed to which reference will be made in the text below.
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According to a preferred embodiment of the furnace, object of the present invention, said furnace being considered in its operating state in regime, therefore after the start-up phase, an electrode is constituted by a thin sheet of steel (14) , said sheet (14) being placed substantially vertically between two walls made of refractory materials (21) (22), the upper part of said sheet (14), via its partially melted upper end acting as a secondary bath (7), being in contact with the upper bath (4), the lower part of the sheet (14) being connected by an electrical connection chamber (16) to a source of electrical energy outside the oven, preferably the sheet (14) is coated a layer of protection against corrosion, preferably the refractory materials surrounding the sheet (14)
are dense blocks (21), preferably said dense blocks are based on magnesia, in the part in contact with the upper bath (4), said dense blocks (21) being deposited on a lighter refractory material (22) and better thermal insulator than that constituting the blocks (21), the assembly formed by the blocks (21) and the material (22) being sandwiched between the walls (1) constituting the envelope of the furnace at the level of the electrode , preferably an expansion joint (23) is inserted which is made of a refractory material between the aforementioned assembly formed by the dense blocks (21) and the material (22) and the aforementioned walls (1) of the oven.
According to another preferred embodiment of the furnace, object of the present invention, said furnace being considered in its operating state under operating conditions, therefore after the start-up phase, an electrode is constituted by a thin sheet of steel (14 ), said sheet (14) being placed substantially horizontally in an assembly made of refractory materials (21) (22), the inner part of said sheet (14), via its partially molten end acting as a secondary bath (7), being in contact with the upper bath (4), the outer part of the sheet (14) being connected by an electrical connection chamber (16) to a source of electrical energy outside the oven, preferably the sheet (14) is coated a layer of protection against corrosion, preferably the refractory materials surrounding the sheet (14)
are dense blocks (21), preferably said dense blocks are based on magnesia in the part in contact with the upper bath (4), preferably the dense block located under the sheet (14) is shaped so as to prevent any flow towards the interior of the oven of the partially melted inner end of said sheet (14), said dense blocks (21) being supplemented by a refractory material (22) lighter and better thermal insulator than
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that constituting the blocks (21), the assembly formed by the blocks (21) and the material (22) being made integral with the walls (1) constituting the envelope of the furnace at the level of the electrode, preferably a expansion joint (23) which is made of a refractory material between the above-mentioned assembly formed by the dense blocks (21) and the material (22)
and the aforementioned walls (1) of the oven.
According to yet another preferred embodiment of the furnace, object of the present invention, in which an electrode is constituted by a thin sheet of steel (14), said sheet (14) being placed substantially vertically between two walls made of refractory materials (21) (22), the upper part of said sheet (14), via its partially molten upper end acting as a secondary bath (7), the aforementioned electrical connection chamber (16) comprises at least one means for cooling the lower part of the aforementioned sheet (14), preferably one of the cooling means consists of a spraying system (25) of a liquid fluid and comprises at least one other means (26) whose role is to evacuate the '' excess coolant.
According to yet another preferred embodiment of the furnace, object of the present invention, in which an electrode is constituted by a thin sheet of steel (14), said sheet (14) being placed substantially horizontally in an assembly consisting of refractory materials (21) (22), the inner part of said sheet (14), via its partially molten end acting as a secondary bath (7), the aforementioned electrical connection chamber (16) comprises at least one means for cooling the outer part of the aforementioned sheet (14), preferably one of the cooling means consists of a spraying system (25) of a liquid fluid and comprises at least one other means (26) whose role is to evacuate the excess coolant.
Brief description of the drawings The explanatory drawings of various embodiments of the oven, object of the present description of the invention, have been deliberately simplified in order to better highlight the elements to which the invention relates and are therefore incomplete because they do not represent all the elements which are generally necessary for the proper functioning of a submerged arc furnace, such as for example the extraction and treatment means
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fumes, the means for cooling the envelope of said oven, the loading means, etc.
Note that FIG. 6 illustrates the basic principle of a submerged arc furnace according to the invention; Fig. 7 (a, b, c, d, e) illustrates different possible configurations of the submerged arc furnace according to the invention depending on the shape of the envelope container used and the type of electrical supply; and Fig. 8 (a, b) illustrates the principle of an electrode of the submerged arc furnace according to the invention as well as an embodiment of said furnace.
Embodiments of the invention FIG. 6 is a side view diagramming the very principle of a submerged arc furnace according to the invention. We can see the container (1) which is the outer envelope of the oven, the load (2) which is introduced by any suitable means positioned above the oven and not shown, the metal production bath (3) and the slag bath (4), the two electrodes respectively positive (5) and negative (6) each comprising a secondary metal bath (7) and ensuring the heating of the furnace mainly by Joule effect during the passage of the electric current in the slag bath , the passage lines being shown diagrammatically by (8) and (9).
In a first phase called the start-up phase, a solid material rich in conductive elements of the electric current such as coke or another carbonaceous substance is loaded from above into the empty container and these materials are heated by means of the electrodes (5) and ( 6) above and this until obtaining respectively a secondary metal bath in contact with each electrode and a slag bath (4) in contact with the aforementioned secondary baths (7) relating to the electrodes (5) and (6). The next phase is the working phase in the submerged arc furnace regime during which the heating is carried out by conduction through slag and during which the furnace is supplied with its solid regime charge, for example pre-reduced ore mixed with various materials including coke and other additives.
The so-called production metal bath (3) then gradually appears in the bottom of the container and its level is regulated by periodically removing liquid metal from the oven. In the majority of implementation cases, the instruction consists
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in a height of the production bath not to be exceeded, for example 1/3 of the height between the bottom of the container and the level of the secondary metal baths relative to the electrodes, considering that said baths are usually arranged at the same height, if this is not the case, the lowest level is chosen to estimate the aforementioned height.
It goes without saying that the same concern for respecting a certain level of the slag bath (4) exists and this level is also regulated by removing liquid slag from the oven while ensuring that there is at all times sufficient liquid slag to ensure contact between the two secondary metal baths (7) relating to the electrodes (5) (6), preferably, we try to keep secondary metal baths (7) of the electrodes (5) (6) completely covered by the slag bath (4).
It can therefore be seen that the problem mentioned above of electrode wear in a conventional submerged arc furnace has been resolved, since the secondary metal bath (7) of each electrode does not directly participate in the supply of the production bath (3) and practically does not decrease, the minimal decreases being able to be compensated - if necessary - by the periodic addition above the secondary baths of the electrodes (5) (6) of small quantities of a metal identical to that constituting the aforementioned secondary baths .
Moreover; given the clearance of the upper part of the oven, object of the present invention, by the location on the periphery of the electrodes, there is no longer any obstacle to the arrangement above said oven of a unit for preparing charged materials, for example a pre-reduction unit and this results in the possibility of transferring directly into the submerged arc furnace the hot materials originating from the pre-reduction unit while following an opposite path to the gases originating from the submerged arc furnace towards the unit of pre-reduction in which their latent heat is usefully recovered.
Figures 7a, 7b and 7c illustrate the case of submerged arc furnaces supplied with continuous or alternating single-phase currents.
Figure 7a shows schematically a submerged arc furnace formed of a container (1) of circular cross section and comprising the electrodes (5) and (6) arranged face to face. It is observed in practice that the conduction lines (10) have a symmetrical arrangement which promotes heating of the load regularly distributed in space.
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Figures 7b and 7c show schematically a submerged arc furnace formed of a container (1) of rectangular cross section and comprising the electrodes (5) and (6) arranged face to face respectively on the smallest side and on the largest side . It can be seen here in practice that the conduction lines (10) have an even more regular and more symmetrical arrangement than in the case of the circular section shown in FIG. 7a, which further promotes heating of the load regularly distributed in space.
Figures 7d and 7e illustrate the case of submerged arc furnaces supplied with three-phase current.
FIG. 7d illustrates a submerged arc furnace formed of a container (1) of circular cross section and comprising 3 electrodes (11), (12) and (13) arranged symmetrically around the periphery. It is observed in practice that the conduction lines (10) have a symmetrical arrangement which promotes heating of the load regularly distributed in space.
Figure 7 shows schematically a submerged arc furnace formed of a container (1) of rectangular cross section and comprising 3 electrodes (11), (12) and (13) arranged on the periphery so that 2 of the electrodes (11) and (12), connected respectively to 2 of the 3 phases of the electrical supply, are each located on one of the long sides of the rectangle and that 2 electrodes (13), connected to the third phase of the electrical supply, are each located on one of the short sides of the rectangle. It is noted that, by a judicious choice of the dimensions of the sides of the rectangular section as well as the arrangement and the size of the electrodes, it is possible to ensure both a uniform heating of the load and a balanced current consumption over the three phases of the power supply.
Figures Sa and 8b relate to the particular case of a submerged arc furnace according to the invention of rectangular shape, equipped with electrodes arranged along the two largest sides and each constituted by a thin sheet of steel placed vertically between two walls made of refractory materials, respectively Figure 8a is the schematic plan view of a section along the plane AA 'of a profile view and Figure 8b is the schematic profile view of a detail of the left electrode according to a section 88 'of a plan view.
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We distinguish in Figure 8a the container (1) of rectangular shape, the two electrodes arranged along the two largest sides and comprising the thin sheets (14) and (15) whose lower part is cooled by spraying water into the two connection chambers (16) and (17) provided with orifices (26) allowing the excess cooling water to be discharged.
FIG. 8b illustrates a particular configuration of an electrode intended for the rectangular furnace shown in FIG. 8a. There are the walls (1) of the oven which are cooled by circulation of water (18) at the level of the slag bath (4), the latter forming a solid layer (20) in contact with said cooled walls (1). The layer (20) thus formed constitutes a good thermal insulator and limits the heat losses via the cooling water. The electrode consists of a thin sheet (14) placed vertically between two walls made of refractory materials in the form of dense blocks (21) placed on a layer of a lighter material (22) allowing better thermal insulation. Expansion joints (23) are placed against the water-cooled walls (1).
The electrical connection of each electrode is carried out in a connection chamber (16) which has a cooling system, in the exposed case a ramp of water nebulizers (25). This type of cooling can impose certain precautions such as the use of a sheet (14) protected against corrosion, for example a coated sheet, and the presence of a system for removing excess cooling water as well as water vapor such as the orifices (26) shown in Figure 8a.
During operation of the submerged arc furnace according to the invention, the sheet (14) melts in its upper part in direct contact with the slag bath and, under the main effect of the cooling of its end in the connection chamber (16 ) by the water nebulizers (25), a balance is formed in the heat transfers which gives rise to the appearance of a solidification front (27) separating the molten upper part of the sheet (28) from its part solid bottom (29).
FIG. 9 illustrates another particular configuration of an electrode intended for a rectangular oven of the type of that shown in FIG. 8a. There are the walls (1) of the oven which are cooled by circulation of water (18) at the level of the slag bath (4), the latter forming a solid layer (20) in contact with said cooled walls (1). The layer (20) thus formed constitutes a good thermal insulator and limits the heat losses via the cooling water. The electrode consists of a thin sheet (14) placed horizontally in an assembly composed of refractory materials under
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form of dense blocks (21) and a layer of a lighter material (22) allowing better thermal insulation. Expansion joints (23) are placed against the water-cooled walls (1).
The electrical connection of each electrode is carried out in a connection chamber (16) which has a cooling system, in the exposed case a ramp of water nebulizers (25). This type of cooling can impose certain precautions such as the use of a sheet (14) protected against corrosion, for example a coated sheet, and the presence of a system for removing excess cooling water as well as water vapor such as the orifices (26) shown in Figure 8a.
During the operation of the submerged arc furnace according to the invention, the sheet (14) melts in its internal part in direct contact with the slag bath and, under the main effect of the cooling of its end in the connection chamber (16 ) by the water nebulizers (25), a balance is formed in the heat transfers which gives rise to the appearance of a / solidification front (27) separating the molten upper part of the sheet (28) from its solid lower part (29).
A preferred field of application of an oven according to the present invention is the production of cast iron or steel. The result is a process consisting schematically of supplying the furnace with a charge (2) consisting mainly of scrap and ores, possibly prereduced, to which one or more materials containing carbon are added such as coal or coke, the latter being introduced in quantities controlled in order to ensure, on the one hand, a substantially complete reduction of the iron oxides present in the feed in order to limit the iron content of the upper slag bath (4) to 2% and preferably to less than 0.
8% when the main objective is the production of pig iron, and on the other hand a partial reduction of the iron oxides present in the feed in order to maintain the iron content of the upper slag bath (4) between 5 and 40% and preferably between 15 and 25% in the case of steel production.
In addition, in both cases corrective additions are made such as lime, limestone, bauxite or magnesia introduced in controlled quantities in order to produce a slag phase (4) which is both conductive of electric current and which has a basicity index, on the one hand greater than 0.8, and even preferably between 1 and 1.3, for the production of a cast iron of quality comparable to that of blast furnaces, and on the other hand greater than 1, and even
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preferably between 1.2 and 2.5, for the production of a steel containing little sulfur and phosphorus.
Conclusions This new approach both in the positioning and in the design of the electrodes has the practical consequence during the construction of a submerged arc furnace according to the present invention to avoid any consumption of carbon electrode and to allow the supply by the top directly from the furnace working out the constituent materials of its charge.
It is found in fact that the problem of wear of the electrodes is solved because the secondary metal bath of each electrode does not participate directly in the supply of the production bath and practically does not decrease, the minimal decreases being able to be compensated - if necessary - by the periodic addition above the secondary baths of the electrodes of small quantities of a metal identical to that constituting the abovementioned secondary baths.
In addition, given the clearance of the upper part of the furnace due to the location at the periphery of the electrodes, there is no longer any obstacle to the arrangement above said furnace of a unit for preparing charged materials, for example a unit and the possibility of transferring the hot materials from the pre-reduction unit directly into the submerged arc furnace, while following a reverse path to the gases from the submerged arc furnace towards the pre-reduction unit in which their latent heat is usefully recovered.