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Electrode à arc non consumable.
La présente invention concerne des perfectionnements aux électrodes et particulièrement celles destinées aux fours à arc, l'invention se rapportant plus spécialement à une électrode non consumable perfectionnée,
Dans les fours à arc électrique , on a couramment utilisé jusqu'ici des électrodes en carbone et en graphite, qu'il s'agisse de fours à arc électrique du type submergé, du type di- rect ou du type indirect. Dans un four à arc du type direct, la majeure partie de la puissance consommée dans le four est concen- trée dans un arc jaillissant entre l'électrode et la matière à chauffer, cette matière habituellement appelée bain de fu-
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sion.
Dans un four à arc du type indirect, l'arc jaillit entre deux électrodes ; dans ce cas, la matière à chauffer ne consti- tue pas une des électrodes comme dans le cas du four à arc du ty- pe direct. Dans un four à arc du type submergé, l'électrode est submergée par la matière à chauffer et la chaleur communiquée au bain en fusion est obtenue par effet Joule ainsi que par un grand nombre de petits arcs qui jaillissent entre l'électrode et la matière à chauffer ajnsi qu'entre les particules de la matière elle-même.
Dans tous les cas précités, l'électrode en carbone ou en graphite est utilisée jusqu'à son oxydation, sa sublimation ou le moment où il y a réaction chimique avec la matière à chauffer, ou encore jusqu'à ce que l'électrode se brise. Les électrodes en carboné et en graphite doivent être constammant remplacées au fur et à mesure de leur consommation. Les temps d'arrêt du four nécessaires pour recharger les électrodes, glisser les électro- des dans leursporte-électrcdes ou pour enlever des parties d'électrode brisées dans le four, peuvent représenter une perte de production considérable que l'on estime constituer 2 à 3 % du temps de fonctionnement.
Dans son brevet de même date intitulé "Four à arc électriques et électrode non consumable pour ce fpur", la Deman- deresse décrit une électrode non consumable permettant de supprimer la plus grande partie des frais, du temps d'arrêt et des difficultés de fonctionnement qui accompagnent l'utilisation d'électrodes en carbone et en graphite se consumant au fur et à mesure de la marche . du four.
L'électrode non consumable décrite dans ce brevet de même date comprend une face d'électrode annulaire refroidie à l'eau qui constitue une surface d'arc, un support se composant au moins en par- tie d'une matière conductrice de l'électricité et électriquement
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connectée à la face d'électrode, le support comprenant des con- duits ou passages pour amener un fluide de refroidissement jus- qu'à la face d'électrode et pour évacuer le fluide de cette face d'électrode, la partie conductrice du support étant reliée à une source de potentiel de manière à produire un arc prenant naissan- ce sur la face d'électrode, ainsi qu'une bobine inductrice dispo- sée dans le voisinage de la face d'électrode,
cette bobine induc- trice étant alimentée et créant un champ maghétique à hauteur de la surface d'arc de la face d'électrode, ce champ magnétique forçant l'arc à se déplacer sans interruption autour de la surfa- ce d'arc annulaire de la face d'électrode. Une pièce de forme allongée,en uhe matière fortement refractaire comme de la cérami- que,fait partie du support et enferme le reste du support de ma- nière à protéger celui-ci contre la chaleur de rayonnement et'de con- vection provenant de l'arc et des gaz, ainsi qu'un moyen d'obturation, ou bouchon construit en une matière fortement réfractaire comme de la céramique qui obture le vide central de la face d'électro- de annulaire.
La présente invention représente un progrès sur l'é- lectrode non consumable décrite dans le brevet précité et comporte de n o m b r e u s e particularités nouvelles et originales. Le support de la présente invention est de forme tubulaire et comprend des manchons coaxiaux de dia- mètres différents délimitant des conduits annulaires pour le pas- sage d'un fluide. Un manchon extérieur, de préférence en acier, donne une résistance mécanique maximum à l'ensemble, et un manchon céraminue ext4rieur au manchon en acier constitue un écran contre la, chaleur ou'écran thermique.
La présente invention procure un disposi- tif à conduits nouveau et original constituant aussi support pour la face d'électrode de manière à établir des passages pour le fluide
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de refroidissement vers la surface d'arc de la face d'électrode.
La bobine inductrice est montée de façon que les lignes de force magnétiquéssuivent le contour de la surface d'arc. Le support de la bobine est construit, de préférence, en une matière magnéti- que qui diminue la reluctance du circuit magnétique. Dans cer- taines formes d'exécution, un bouchon refroidi à l'eau obture le vide central de la face d'électrode annulaire. Dans une autre forme d'exécution de l'invention, une partie de la face d'électro- de est recouverte d'un écran thermique.
L'invention a pour but principal de procurer une' électrode non consumable perfectionnée destinée à un four à arc.
L'invention a aussi pour buts de procurer : une électrode nouvelle et perfectionnée qui ne se consume pas pen- dans la marche du four à arc et comporte un écran thermique nouveau et perfectionné, une électrode nouvelle et perfectionnée dont l'arc se déplace sur la surface de l'électrode sous l'action d'un champ magnétique produit à hauteur de la surface d'arc de l'électrode et dont les lignes de force épousent le contour de la surface d'arc, une électrode non consumable nouvelle et perfectionnée dont la sur- face d'arc soit refroidie à l'eau d'une manière perfectionnée.
Ces buts ainsi que d'autres buts de l'invention res- sortiront clairement de la description donnée ci-après avec réfé- rence aux dessins annexés, dans lesquels :
Les figures lA et 1B réunies constituent une vue en coupe d'une électrode suivant la présente invention.
La figure 2 est une vue en bout ou en plan de l'é- lectrode de la figure 1.
La figure 3 est une vue en coupe d'une électrode ayant
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une partie centrale refroidie par fluide'et constituant une forme d'exécution supplémentaire et préférée de l'invention.
La figure 4 est une vue d'une face d'électrode selon une troisième forme d'exécution de l'invention.
La figure 5 est une vue fragmentaire de la partie centrale d'une électrode constituant une modification de l'appa- reil de la figure 3, et
La figure 6 est une vue d'une électrode à partie cen- trale rentrée constituant une autre forme d'exécution de l'inven- tion.
Sur les différentes figures, les mêmes éléments por- tent les mêmes références. La figure 1 représente un long tube 10 de préférence en acier ou en un autre métal comportant, à cha- que extrémité, des parties 11 et 12 à plus grand diamètre inté- rieur de manière à constituer des épaulements 13 et 14. Comme celà ressortira ci-après, ces épaulements sont prévus pour déter- miner exactement la position du tube par rapport à d'autres par- ties de l'électrode. Dans la description ci-aprs, la partie de l'électrode où l'arc prend naissance est appelée face d'électrode, cette partie se trouvant au bas de l'électrode.
L'extrémité su- périeure de celle-ci consiste en un bloc ou tête 15 en métal dont une partie de la paroi extérieure 16 vient s'engager sans jeu im- portant dans le tube 10 précité, La surface inférieure du bloc
15 peut venir s'appliquer contre l'épaulement précité 13, et l'ex- trémité ad.jacente du tube 10 peut aussi venir s'appliquer contre l'épaulement 17 de la tête 15. Comme le dessin le montre, le bloc ou tête 15 n'est pas cylindrique mais approximativement rec- tangulaire, de sorte que des parties du vide 73 séparant le tube
10 d'un manchon coaxial intérieur 21 décrit ci-après sont ouver- tes à l'atmosphère à l'extrémité supérieure de l'électrode, ce
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qui permet une ventilation et donne aussi la place pour introduire les connexions de la bobine inductrice.
Un conduit axial ou ver- tical 18 pratiqué dans la tête 15, a une partie 19 qui est taraudée et qui vient se visser sur l'extrémité filetée du nanchon métal- lique 21, celui-ci étant en cuivre de préférence. Corme celà est décrit ci-après, grâce au vissage de la partie 19 sur le man- chon 21,-celui-ci attache la tête 15 à l'électrode proprement-di- te et constitue aussi un moyen efficace pour le passage du .courant.
Une gorge angulaire 22 (voir figure lA) pratiquée dans la tête 15 contient un joint d'éanchéité torique 23.
Une chambre annulaire 24 est prévue à l'intérieur de la tête 15 et communique avec un conduit annulaire 32 situé entre le manchon 21 et un manchon de plus petit diamètre 31 coaxial par rapport au premier, la chambre 24 étant pourvue d'une admis-' sion d'eau 25 dont la paroi 26, si on le désire, est filetée com- me représenté. Comme le dessin le montre, le conduit axial pré- cité 18 comporte, en 30, une partie de plus petit diamètre inté- rieur, de manière à déterminer un épaulement 27. Le conduit 18 communique avec une évacuation d'eau 28 dont la paroi intérieure 29 est partiellement taraudée.
L'extrémité supérieure du manchon métallique 31 précité vient se loger sans jeu important dans le conduit 18 et son extrémité vient s'appliquer contre l'épaulement
27 précité du manchon 31 constituant le conduit 41 tandis que ce manchon 31 délimite, avec le manchon 21 précité, le conduit annulaire précité 32 laissant passer l'eau de refroidissement vers la face d'électrode. Cornue le dessjn le montre, une gorge annulaire 33 pratiquée près de l'extrémité supérieure du manchon
31, contient un joint d'étanchéité torique 34. Le conduit 41 sert à évacuer le fluide de refroidissement provenant de la face d'élec- trode vers 1'évacuation d'eau 28.
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L'autre extrémité ou .extrémité inférieure du manchon métallique 21 est fileter en 36 sur sa paroi extérieure de manière à venir se visser dans le support 37 de forme générale cylin- drique dont la paroi intérieure est taraudée ; ce support 37 sert à porter la bobine inductrice.et la face d'électrode et 'constitue aussi un.dispositif à conduits pour le'fluide ainsi qu'un circuit magnétique aux endroits où ce support est,en une matière magnéti- que. Le support 37 de la bobine et de la face d'électrode est pourvu, sur' sa paroi extérieure, d'une.gorge peu profonde 38, de .grands trous disposés périphériquement faisant communiquer la gor- ge 38 avec l'intérieur du support cylindrique 37.
Un de ces trou-s est représenté en 39, les différents trous donnant dans le conduit annulaire 32 précité de façon que l'eau s'écoule du con- duit annulaire 32, par les trous transversaux ou passages 39, dans l'espace vide constitué par la gorge 38.
La surface extérieure du support 37 est entourée d'un manchon métallique.100. Ce support 37 a aussi, sur sa hau- teur. médiane, un diamètre extérieur légèrement plus petit afin de délimiter un conduit annulaire 40,entre la paroi intérieure du manchon 100 et la paroi extérieure du support 37, par lequel l'eau peut atteindre la face de l'électrode, comme celà est décrit ci après. Une gorge annulaire 42 pratiquée dans le support 37 con- tient un joint d'étanchéité torique 43 tandis Qu'une gorge annu- laire 59 contient un joint torique 60. Le support cylindrique 37 comporte aussi, sur sa paroi intérieure, l'épaulement 44 contre lequel vient s'appliquer l'extrémité adjacente du manchon 21.
Une partie de la paroi intérieure du support 37 est taraudée en , 46 et vient se visser sur la paroi extérieure filetée d'un dispo- sitif à conduit pour fluide portant la référence générale 48 et pourvu d'une vis de maintien 49 dont le rôle est exposé ci-après.
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Le dispositif 48 comprend un conduit axial 51 dont une partie a un diamètre intérieur plus petit de manière à définir un épaule- ment 52 contre lequel vient s'appliquer l'extrémité adjacente du manchon 31 précité. Le dispositif 48 est pourvu, sur sa paroi extérieure,d'une gorge annulaire large et peu profonde 53 ainsi que de trous transversaux espacés périphériquement, un de ces trous étant représenté en 53. La paroi extérieure 55 est écartée de la paroi intérieure du support 37 de manière à délimiter un conduit annulaire 56.
Comme celà est décrit en détail ci-après, l'eau pénétrant par l'admission d'eau 25 descend par le conduit 32, tra- verse les passages 39 de manière à atteindre la gorge annulaire
38 et de là le conduit annulaire 40, l'eau atteignant finalement le pourtour d'un circuit de refroidissement voisin de la face d'é- lectrode. Comme le dessin le montre, le dispositif à conduits de fluide 48 comporte une gorge annulaire 57 sur sa paroi inté- rieure, cette gorge contenant un joint d'étanchéité torique 58 entre la paroi du dispositif 48 et la paroi extérieure du manchon
31.
Le support 37 de la bobine inductrice et de la face d'électrode comporte de petits rebords annulaires sur sa paroi in- térieure et sur sa paroi extérieure de manière à définir un épaule- ' ment 61 sur sa paroi intérieure et un épaulement 62 sur sa paroi ex- térieure. Un manchon 64 de forme générale annulaire et monté sur l'extrémité inférieure du support 37 comprend des parties de paroi cylindriques 67 et 83 qui sont radialement espacées et con- centriques, le manchon 64 se terminant par une partie d'extrémité annulaire 89 dont la face extérieure est courbe et la face inté- rieure 70 plane.
La partie de paroi extérieure 83 vient s'appli- quer, à son extrémité supérieure, contre l'épaulement 62, tandis que l'extrémité supérieure de la partie,de paroi intérieure 67 vient
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s'appliquer contre l'épaulement 61. En outre, le support 37'com- porte, sur sa surface cylindrique extérieure, une gorge annulaire
65 contenant un joint torique 66 tandis que sa surface intérieure comporte une gorge annulaire 68 contenant un joint torique 69.
Comme précité, l'extrémité du manchon 64 comporte une partie cons- tituant en substance une surface annulaire plate 70, et le vide annulaire du manchon 64 compris entre la surface 70 et la surface plane intérieure 63 du support 37 est occupée par une bobine in- ductrice 71 entourée d'une gaine de protection 72 en une matière électriquement isolante, de la céramique par exemple.
De préférence, la bobine 71 est constituée par un tu- be de cuivre creux enroulé parallèlement à la face de l'électrode, les différentes spi@ss étant isolées les unes des autres. De l'eau de refroidissement-circule à l'intérieur des spires de ma- nière à évacuer la chaleur régnant à l'intérieur de la bobine.
Une telle forme d'exécution est représentée à la figure 6 et est décrite en détail ci-après.
Deux conducteurs isolés 121 et 122 (voir figure 2) servant à alimenter la bobine 71 partent de la gaine 72 et traver- sent un conduit axial ou longitudinal 124 du support 37 pour at- teindre l'espace ou chambre 73 délimitée entre le tube 10 et le manchon 21 précité. De là,les conducteurs vont vers des bornes qui peuvent comporter des moyens de connexion refroidis à l'eau et se trouvant dans le voisinage de la tête 15 tout en étant iso- lés de celle-ci, les conducteurs électriques 121 et 122 allant vers la bobine inductrice étant représentés creux.
Le support 37 et le manchon 64.réunis peuvent être considérés comme un dispositif général de canalisation du fluide.
Le dispositif à conduits pour fluide précité portant la référence générale 48 est pourvu, à son extrémité inférieure,
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d'une bague ou rebord annulaire 75 formant prolongement sxial tan- dis qu'un dispositif de retenue 76 comportant une gorge annulai- re 77 contenant un joint torique 76 est'monte dans l'espace vide délimité par le rebord 75. Le dispositif de retenue 76 est per- ce d'un alésage axial 79 dans lequel pénètre la partie filetée du boulon 49 précité.
La tête 81 du boulon 49 vient s'appliquer contre un épaulement 80 du dispositif de retenue 76 de manière à bien fixer en place le dispositif de retenue 76 par rapport au dispositif à conduits 48. Le dispositif de retenue 76 peut aussi être construit en une matière magnétique de manière à encore ré- duire la reluctance du circuit magnétique. Un ressort à boudin
82 entoure la tête 81 du boulon 49, l'extrémité supérieure du res- sort venant s'appliquer contre la surface d'épaulement 80 du dis- positif de retenue '76, tandis que l'extrémité inférieure du res- sort vient s'appliquer contre un bouchon 84 construit en une ma- tière fortement réfractaire, comme de la céramique.
Le bouchon
84 comporte une partie d'extrémité 85 ayant un diamètre exté- rieur plus petit de manière à délimiter une gorge dans laquelle vient se loger une partie d'une bague de maintien 86 faite en . céramique ou en une autre matière fortement réfractaire.
L'extrémité inférieure du dispositif de retenue 76 a un diamètre extérieur réduit et est filetée en 87, un joint to- rique 88 étant prévu pour faire scellement avec une face d'élec- trode de forme générale annulaire ou cylindrique portant la référence 90. La surface extérieure de la paroi cylindrique in- térieure de la face d'électrode 90 est filetée en 91 et vient se visser sur la partie filetée 87 du dispositif de retenue 76, la surface extérieure de la paroi cylindrique extérieure de la face d'électrode 90'étant aussi filetée en 92 pour des raisons exposées ci-après. La tête 93, qui constitue la surface d'arc, est déli-
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mitée latéralement par des parois annulaires 94 et 95.
On peut constater que, lorsque la face d'électrode portant la référence générale 90 est vissée en place comme représentée il reste des conduits de forme annulaire ou cylindrique 96 et 98 entre les pa- rois du manchon 64 et les parois adjacentes de la face d'électro- de 90. A l'extrémité avant ou inférieure de la face d'électrode 90, il y a aussi un passage 97 pour le fluide directenent à l'ar- rière de la surface d'arc.
Ces conduits 96,97 et 98 complètent un circuit de circulation pour un fluide de refroidissement par- tant de l'admission d'eau 25 et aboutissant à l'évacuation d'eau 28, ce circuit passant par : l'admission 25, le conduit descendant 32, les trous transversaux 39, la gor 1 38, le conduit annulaire 40, le conduit annulaire 98, le conduit incurvé 97, le conduit annulaire 98, le conduit annulaire 58, la gorge 53, les trous trans- versaux 54, le conduit 41 et l'évacuation d'eau 28.
Comme précité, la paroi intérieure du tube 10 est pourvue d'un épaulement 14 à son extrémité inférieure 12. Le long manchon métallique 100 ayant une.partie à plus grand diamè- tre extérieur 101 à son extrémité inférieure glisse contre la pa- roi intérieure de la partie à diamètre intérieur plus petit 12 du tube 10 et vient s'appliquer contre l'épaulement 14. Une ba- gue 102 ayant un rebord 103 et une partie filetée 104 est disposée dans le voisinage de la paroi extérieure du manchon métallique 100.
La partie filetée extérieure 104 vient se visser sur la partie fi- letée 107 de la paroi intérieure de l'extrémité d'une bague sup- plémentaire 106. L'autre extrémité de la bague 106 est aussi fi- letée en 108. La partie filetée 108 vient se visser sur la par- tie filetée 92 de la face d'électrode 90. La bague 106 comporte des gorges annulaires 109 et 110 contenant des joints toriques respectifs 111 et 112 servant de scellement entre les gorges annu-
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laires et la partie à plus grand diamètre 101 du manchon 100 ain- si que la partie de paroi extérieure de la face d'électrode 90, Les bagues 102 et 106 peuvent aussi être en une matière magnéti- que de manière à encore réduire la reluctance du circuit magnéti- que.
Un manchon 119 en une matière fortement réfractaire, comme de la céramique,entoure extérieurement le tube 10, l'extré- mité inférieure du manchon 119 venant s'appliquer contre une ba- gue 118 aussi en une matière céramique fortement réfractaire. La .bague 118 vient s'appliquer contre le rebord 103. En outre, l'extrémité de la face d'électrode est entourée par une bague cé- ramique 117 ayant un épaulement 116 qui vient s'appliquer contre une surface d'extrémité de la bague 106 précitée. Les pièces en céramiqùe 119, 118 et 117, la bague céramique 86 et le bouchon cé- ramique 84 constituent un,écran thermique pour les parties de l'é- lectrode qui sont le plus directement exposées au rayonnement pro- pre de l'arc, au rayonnement des gaz incandescents et à la chaleur transmise par convection.
On peut constater que toute la surfa- ce d'électrode annulaire de la tête 93 est refroidie à l'eau. La bobine inductrice 71 est alimentée de telle façon, par exemple en courant continu , que l'arc se déplace de façon ininterrompue le long d'une trajectoire circulaire faisant le tour'de la surface annulaire ou circulaire de la face d'électrode 90. Les lignes de force du champ magnétique 115 suivent un chemin qui épouse en sub- stance le contour de la surface d'arc du fait que le centre de la bobine inductrice se trouve en substance au centre de courbure vir- tuel de la surface d'ara incurvée. Afin de pouvoir représenter le champ magnétique,. il a été supposé de façon arbitraire que le support 37 est en une matière non magnétique.
Le champ magnétique produit a une intensité suffisante pour que l'arc se déplace à une vitesse
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assez grande, conformément aux indications du brevet précité de la Demanderesse.
Le fil de connexion 35 est représenté symboliquement pour indiquer l'amenée du courant à l'électrode.
La figure 2 qui est une vue en bout ou en plan de l'électrode, représente en 121 et 122 les bornes précitées pour les conducteurs allant à la bobine inductrice 71. Si on le désire, un plateau à bornes (non représenté) peut être fixé sur la tête
15, par exemple au moyen de vis se vissant dans des trous tarau- dés 125.
On peut considérer que l'ensemble de la face d'élec- trode comprend la face d'électrode proprement dite 90 et le man- chon 64 qui en est séparé par les conduits du fluide 96, 97 et
98.
La description précédente montre que la présente in- vention procure un appareil permettant d'atteindre parfaitement les buts précités de l'invention. L'arc se -déplace dé façon ininter- rompue suivant', une trajectoire circulaire sur la surface de l'élec- trode à une vitesse suffisante pour empêcher toute vaporisation notable de la matière d'électrode au ou aux points de naissance de l'arc sur la surface d'électrode ;
conformément aux enseigne- . ments du brevet précité de la Demanderesse, le dbit d'eau de refroidissement de l'électrode est tel qu'on puisse main- tenir la température de la surface d'électrode suffisamment basse pour que, lorsque l'arc repasse une seconde fois au même point de la surface d'électrode, la température de ce point ne monte pas au delà de la température de fusion de la matière d'électrode pen- dant un temps suffisamment long pour provoquer une perte nota- ble de matière.
Il va de soi que la face d'électrode 90 et le manchon
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64 sont en une matière non magnétique. De préférence, le sup- port 37 est en une matière magnétique et le dispositif à conduits de fluide 48 peut aussi être en une matière magnétique. Les pièces 37 et 48 peuvent aussi être en une matière non magnétique.
La figure 3 représente une autre forme d'exécution de l'invention dans laquelle le bouchon céramique 84 de la figure 1B a été remplacé par une partie centrale refroidie à l'eau por- tant la référence générale 140 et obturant le vide constitué par le trou central dans la face d'électrode annulaire, la partie cen- trale refroidie à l'eau étant électriquement isolée de la surface d'arc afin d'éviter qu'un arc n'atteigne cette partie centrale.Sur la figure 3, le support 37 constituant support de la face d'électro- de et dispositif de canalisation de fluide annulaire 37' a une forme générale semblable au support correspondant 37 de la figure 1B. ' Dans l'appareil de la figure 3, l'eau ou un autre fluide de re- froidissement circule de préférence dans un sens tel qu'il pénè- tre par le conduit 32' et tort par le conduit 41'.
A l'inté- rieur du support constituant en même temps dispositif de canalisa- tion de fluide 37' se trouve vissé en 46' un manchon annulaire de forme allongée constituant dispositif support ou de retenue portant la référence générale 128 et comportant une gorge annu- laire 129 contenant un joint d'étanchéité torique 130 entre la paroi circulaire intérieure du dispositif de retenue 128 et la pa- roi extérieure adjacente du manchon 31. Comme le dessin le mon- tre, le conduit intérieur passant par le dispositif 128 a une par- tie de paroi conique 131 de manière à constituer une partie de manchon de grande longueur et de diamètre extérieur réduit 132 constituant un prolongement faisant partie intégrante du disposi- tif 128.
Le rebord annulaire 133 formé par la réduction du diamètre extérieur du dispositif 128 est percé de plusieurs trous
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axiaux périphériquement espacés, deux trous étant représentés en 134 et 135. Des distanceurs 136 et 137 constitués par des tétons en une matière dure,électriquement isolante et mécanique- ment résistante sont introduits dans les trous 134 et 135.
La partie de la paroi extérieure du dispositif 128 en substance con- tiguëaux trous 134 et 135 est filetée en 138 et vientse visser dans la partie filetée adjacente 141 d'un manchon ou dispositif de canali- sation de fluide portant la référence générale 142, le manchon 142 ayant une partie 149 à plus petit diamètre intérieur de ma- nière à constituer un épaulement annulaire 163 tandis que son ex- trémité inférieure 143 de diamètre extérieur plus petit est file- tée extérieurement en 144. La partie "iletée 144 se visse sur la partie filetée 91 de la face d'électrode.
Comme le dessin le montre, la paroi du manchon 142 est percée de plusieurs trous radiaux périphériquement espacés, deux de ces trous à grand dia- mètre étant représentés en 147 et 148 ; ces trous laissent passer l'eau ou autre fluide de refroidissement de la manière décrite plus en détail ci-après.
Un chapeau 151 ayant une extrémité obturée 152 est glissé à l'intérieur du manchon 142, entre la paroi intérieure de celui-ci et le manchon 132, ceci sans toucher les deux parois puis- que le diamètre intérieur du chapeau 151 est plus grand que le diamètre extérieur du manchon 132 de manière à délimiter un con- duit 153 tandis que l'extrémité du manchon 132 s'arrête à une certaine distance de la paroi intérieure de la partie d'extrémité obturée 152 du chapeau 151 de manière à définir le conduit 154.
Le chapeau 151 est aussi séparé du manchon 142 par un espace an- nulaire 150. L'extrémité supérieure du chapeau 151 a une paroi de plus forte épaisseur et de diamètre extérieur plus grand 155, la surface d'extrémité supérieure du chapeau 151 venant s'appli- quer en substance contre les extrémités adjacentes des distan-
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ceurs isolants précités 136 et 137, ceux-ci servant à espacer de façon appropriée le chapeau 151.
Une gorge annulaire 158 pratiquée dans la surface extérieure de la partie de paroi 155 contient un joint torique ou un scellement semblable 159, et la paroi extérieure de la par- tie 155 a une forme telle qu'un épaulement 160 porte une bague 162 en une matière isolante venant s'appliquer contre l'épaule- ment 160 du chapeau 151 tout en s'appliquant aussi contre l'é- paulement 163 de la paroi intérieure du manchon 142 à hauteur du changement du diamètre intérieur. L' extrémité inférieure du chapeau 151 est séparée de la face d'électrode par la bague iso- lante 86 qui est-construite,de préférence, en une matière réfrac- taire comme la céramique et est logée dans la gorge annulaire 85 de la face d'électrode 90.
Le chapeau 151 est électriquement neutre grâce à la présence de la bague en céramique 86 et de la bague isolante 162, des espaces annulaires 150 et 153, des distanceurs isolants 136 et 137 et du joint torique 159 en caoutchouc ou en une autre ma- tière électriquement isolante.
Le chapeau 151 et le manchon 152 constituent un dis- positif de canalisation laissant passer l'eau de refroidissement' sur l'extrémité obturée 152 à l'effet d'évacuer la chaleur de cette extrémité. L'eau descendant par le conduit annulaire 32' traverse les trous radiaux 39 et descend ensuite par le conduit annulaire 40 ; de là, l'eau traverse les conduits 98,97 et 96 contournant l'arrière de la surface d'arc de la face d'électrode pour pénétrer dans le conduit annulaire 56 ; de là, l'eau traverse les trous radiaux pratiqués dans le manchon 142, deux de ces trous étant représentés en 147 et 148. L'eau descend ensuite par le conduit 153 entre le manchon 132 et la paroi intérieure du chapeau.
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151. L'eau tourne ensuite autour de l'extrémité du manchon 132 pour traverser le conduit 154 et remonte à l'intérieur du manchon 132 pour pénétrer dans le conduit 41'. L'eau.qui lèche l'extré- mité obturée 152 du chapeau 151 permet d'évacuer facilement la chaleur à cet endroit et empêche que cette surface soit portée, j par la chaleur de convection ou de rayonnement, à une température qui entraînerait autrement la destruction de la partie centrale.
La figure 4 représente une autre forme d'exécution de l'invention dont les caractéristiques propres peuvent être utilisées dans l'une ou l'autre des formesd'exécution de la figu- re lB ou de la figure 3. Comm la figure 4 le montre, les deux faces latérales de la paroi extérieure de la face d'électrode annulaire portant la référence générale 90' et constituant les faces inclinées 94 et 95, sont recouvertes de revêtements en une matière fortement réfractaire 171. et 172, ces revêtements étant en céramique, si on le désire, ou en une autre matière appropriée à l'effet d'isoler thermiquement la partie de la face d'électro- de qui ne joue pas le rôle de surface d'arc, la partie de sufa- ce 175 qui constitue la surface d'arc proprement dite pour l'arc 176 n'étant pas recouverte de ce revêtement.
En chosissant de façon appropriée les dimensions de la surface,175 laissée à nu, celle-ci peut jouer adéquatement le rôle de surface d'arc tandis que les revêtements isolants 171 et 172 diminuent les pertes de. chaleur tout en diminuant aussi le dépôt de matière provenant du bain en fusion sur la surface d'é.- lectrode, La distance 177 séparant les extrémités intérieures des revêtements 171 et 172 peut avoir toute longueur voulue.
Il va de soi que, lorsque l'électrode non consumable de la présente invention est utilisée pour faire fondre des matières paramagnétiques ou ferromagnétiques, le.champ magnétique produit
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par la bobine 71 (non représenté à la figure 4 pour la clarté du dessin) agit de façon à attirer la matière du bain de fusion sur l'électrode,cette matière venant se déposer sur l'électrode, Cette matière déposée peut affaiblir le champ magnétique nécessai- re pour faire tourner l'arc. Les revêtements en céramique 171 et 172 peuvent diminuer la quantité de matière déposée, ce qui constitue un avantage supplémentaire de ces revêtements.
L'isolement thermique de la face d'électrode provoque aussi une diminution du flux de chaleur envoyé par l'arc sur l'é- lectrode ; si on le désire, le revêtement céramique peut consis- ter en un revêtement appliqué par aspersion sur la face d'électro- de, On peut aussi utiliser d'autres moyens pour appliquer ces revêtements sur la face d'électrode.
Le bouchon refroidi à l'eau de la forme d'exécution de la fig@@@ 3 présente certains avantages par rapport au bouchon céramique de la forme d'exécution de la figure 1B. Dans les ap- pareils de chauffage à arc ainsi que dans les fours utilisant des électrodes non consumables, la face d'électrode est la partie qui doit véhiculer le courant d'arc et qui doit résister à l'élévation de température qui en découle. Afin de réduire au minimum l'usu- re de l'électrode, celle-ci a une forme annulaire et l'arc est.mis en rotation le long de sa surface sous l'effet d'un flux magnéti- que perpendiculaire à l'arc électrique. L'eau circulant à l'in- térieur de la face d'électrode évacue la chaleur absorbée par celle-ci.
La partie centrale de l'électrode est exposée à des flux de chaleur extrêmement élevez. Toute matière isolante non céra- mique placée à cet endroit se désintégrera ou commencer? à fondre en un temps très court, et même au moins certaines céramiques se dété- rioreront ou se dégraderont après une certaine durée d'utilisation.
D'autre part, si la partie centrale était une pièce de métal re-
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froidie à l'eau se trouvant au même potentiel que l'électrode, l'arc pourrait atteindre la partie centrale plutôt que se li- miter à là surface d'électrode même. Selon la présente inven- tion, l'extrémité 152 de la partie centrale métallique refroidie à l'eau est électriquement isolée par rapport à la face d'électrode 90 afin d'éviter que l'arc ne prenne naissance sur la partie cen- trale. Ceci est obtenu par la présence des bagues 86 et 162 en céramique ou en une autre matière appropriée électriquement iso- lante. En outre, comme précité, le chapeau 151 ne touche jamais le manchon 132 et des vides supplémentaires peuvent être prévus entre la surface adjacente du chapeau 151 et les distanceurs 136 et 137.
En isolant électriquement la partie centrale, la dean- deresse évite de devoir utiliser une partie centrale creuse et fortement rentrée. Des avantages supplémentaires résultent d'u- ne diminution de la superficie de la partie centrale, parce'qu'une plus petite partie de surface est alors exposée au rayonnement, ce qui réduit les pertes calorifiques. La partie centrale re- froidie à l'eau et électriquement isolante, conforme à l'inven- tion,permet de donner une petite superficie à cette partie cen- trale.
Si on le désire, la surface extérieure de l'extrémi- té 152 de la partie centrale peut être recouverte d'une matière céramique thermiquement isolante comme de l'oxyde d'aluminium ou un autre revêtement céramique approprié. Une telle solution est représentée à la figure 5 où le revêtement céramique porte la référence 166.
La figure 6 représente encore une autre forme d'exé- cution de l'invention qui diffère de la forme d'exécution de la figure lb en ce que la partie centrale est rentrée, en ce que le manchon ou revêtement céramique recouvrant extérieurement l'élec-
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trode est armé de fils sur une partie de la longueur, et en e qu'une chemise d'eau de refroidissement est utilisée.
Sur la figure 6 des manchons 200 et 201 de diamètres différents qui délimitent un conduit annulaire 202 entre eux cor- respondent respectivement aux tubes ou manchons 31 et 21 de l'é- lectrode de la figure 1. Comme précité, l'eau peut pénétrer ou sortir par le manchon 200 et, dans la forme d'exécution de la fi- gure 6, il a été supposé arbitrairement que l'eau sort par le manchon 200 et pénètre dans l'électrode par le conduit annulaire 202. Le manchon 201, qui est en cuivre, est fileté en 203 et est vissé par cette partie sur un support de face d'électrode et de bobine inductrice portant la référence générale 204, le dispo- sitif 204 correspondant au dispositif semblable 37 de la figure 1.
De préférence, le dispositif 204 est en une matière magnétique.
Une bague 205 d'un diamètre légèrement supérieur à celui du man- chon 201 de manière à définir avec celui-ci un conduit annulaire 206, est disposé au-dessus du support 204 et pose sur celui-ci, des conducteurs 207 et 208 reliés à une bobine inductrice de champ magnétique,à décrire ci-après en détail,passant par le conduit annulaire 206. La bague 205 a une partie extérieure filetée 209 qui s'engage dans l'extrémité taraudée 211 d'un manchoh 212 en mé- tal ou en une autre matière appropriée, l'extrémité inférieure 213 du manchon 212 ayant un diamètre intérieur plus grand afin de 'délimiter un espace libre pour y monter une face d'électrode por- tant la référence générale 215.
Comme le dessin le montre, un conduit ou espace de forme cylindrique 216 est prévu entre la pa- roi intérieure du manchon 212 et la paroi extérieure du prolonge- ment inférieur du support 204, le conduit 216 servant au passage de l'eau qui y pénètre par plusieurs trous radiaux espacés percés dqns la paroi 'du support 204, un de ces trous radiaux étant repré-
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senté en 217 ; les trous 217 communiquent avec le conduit annu- laire 202. La surface extérieure du support 204 est pourvue d'une gorge annulaire 218 dans le voisinage des trous 217 pour permettre à l'eau de pénétrer librement dans le conduit cylindri- que 216.
La bague 205 précitée a une partie à diamètre exté- rieur plus grand 220 de manière à définir deux épaulements 221 et 222. L'extrémité inférieure d'un manchon 224 vient s'appli- quer contre l'épaulenent 221 tandis qu'un manchon 225 en métal ou en une autre matière appropriée est disposé à l'extérieur du manchon 224 sans le toucher à l'effet de délimiter un espace an- nulaire ou cylindrique 226. Le-.,au pénètre dans l'espace annu- laire 226 en passant par des admissions et des évacuations appro- priées (non représenté pour la clarté du dessina ceci constituant une chemise de refroidissement par eau pour l'électrode.
Cette chemise refroidie à l'eau peut s'étendre en substance sur toute la longueur de l'électrode entre le support 204 et la tête de l'élect.:ode qui est assez semblable à la tête représentée à la figure 2 et à la figure lA.
L'écran thermique en céramique portant la référence 230, qui peut consister en un manchon céramique ou en un revête- ment céramique appliqué par pistolage ou encore en un revête- ment céramique appliqué de toute autre façon appropriée, compor- te une partie à paroi mince 231 et une partie à paroi épaisse 232. Le revêtement céramique protège l'extérieur de l'électro- de contre la chaleur de rayonnement et de convection provenant de l'arc et des gaz incandescents se trouvant dans le voisinage, la partie à paroi mince 231 s'étendant sur toute la longueur jusqu'à la face d'électrode 215 de manière à venir s'appliquer contre celle-ci, tandis que la partie à paroi plus épaisse 232
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comporte des fils d'armature 233.
La partie relativement épais- se 232 peut s'étendre en substance sur toute la longueur de l'é- lectrdde.-
Les parois intérieure et extérieure de l'extrémi- té inférieure du support 204 ont des formes telles que deux épau- lements annulaires 261 et 262 soient constitués.
Une cuvette à bobine portant la référence générale 238, construite en une matiè- re non magnétique et constituée par des parois latérales cylindri- ques concentriques 235, 236 et un fond annulaire 239 dont la face inférieure est incurvée comme le dessin le raontre, est montée sur l'extrémité inférieure du support annulaire 204. La cuvette porte-bobine 238 contient une gaine isolante 240 construite en une résine de polytétrafluoroéthylne ou une autre matière appro- priée dont le fond annulaire 241 et les deux parois latérales cy- lindriques et concentriqueµ242 et 243 constituent les parties constituantes,
les bords supérieure des parties latérales s'ap- pliquant contre la surface inférieure 272 du support 204, la bague distanceuse 273 immobilisant la bobine dans la position représen- tée de façon qu'elle ne puisse pas se mouvoir axialement dans le sens de la longueur de l'électrode.
Comme la dessin le montre, un.conduit annulaire 298 existe entre la paroi extérieure de la cuvette 238 et la paroi cy- lindrique intérieure de la face d'électrode 215, tandis qu'un conduit annulaire 297 à section transversale courbe est prévu entre la surface inférieure incurvée de la partie d'extrémité 239 de la cuvette porte-bobine et la partie de paroi intérieure adja- cente de la face d'électrode 215 et qu'un conduit 296 de forme générale- cylindrique est prévu entre la surface annulaire ex- térieure de la partie de paroi intérieure 236 de la cuvette porte- bobine 238 et la paroi intérieure adjacente de la face d'électrode
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215.
Comme le dessin le montre, ces conduits 298, 297 et 296 communiquent avec le conduit 216 précité se trouvant entre le support 204 et le manchon 212 de manière qu'un fluide de refroi- dissement puisse suivre un chemin qui est décrit plus en détail ci-après.
A l'intérieur du support cylindrique 204 se trouve une partie centrale portant la référence générale 248 dont l'ex- trémité supérieure est filetée extérieurement en 251 de Manière à venir se visser sur la partie filetée adjacente'252 du support 204.
La partie centrale 248 est percée de trous radiaux périphérique- ment espacés, deux de ces trous étant représentés en 249 et 250 ; ces trous communiquent avec un conduit cylindrique 256 prévu en- tre la paroi extérieure de la partie centrale cylindrique 248 et la paroi intérieure de forme cylindrique du support 204. Le conduit 256 communique avec le conduit précité 296.
L'eau ou un autre fluide de refroidissement descend par le conduit annulaire 202, traverse les trous radiaux espacés 217 percés dans le support 204, contourne la gorge annulaire 218- pour descendre dans le conduit cylindrique 216, le conduit cylin, drique 298, faisant ensuite le tour du conduit 297 voisin de la surface d'arc de l'électrode pour traverser le conduit cylindri- que 296, pénétrer dans le conduit 256, traverser les trous radiaux dont font partie les trous 249 et 250, l'eau remontant ensuite par le conduit 246 pratiqué au milieu de la partie centrale cylin- drique 248, pour finalement sortir par le manchon 200.
La face d'électrode portant la référence générale 215 comprend aussi deux parties de paroi pratiquement cylindrioues ayant des diamètres différents tout en étant concentriques l'une par rapport à l'autre, ainsi qu'une partie d'extrémité inférieure pleine qui constitue la surface d'arc. La partie de paroi annu -
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laire intérieure de la face d'électrode 215 est filetée en 258 et se visse dans la partie filetée 257 de l'extrémité 255 de la partie centrale 248. Comme le dessin le montre, le conduit 246 de la partie centrale est obturé par la cloison pleine 254, afin d'éviter que l'eau ne pénètre dans l'extrémité de prolongement 255.
Près de l'extrémité inférieure de l'extrémité de pro- longement 255 se trouve une bague 266 en une matière céramique ou une autre matière fortement réfractaire, cette bague étant mainte- nue en place par la face latérale intérieure 295 en surplomb de la face d'électrode 215. La paroi extérieure de la face d'élec- trode 215 comporte aussi une partie iatérale 294 qui s'applique contre l'extrémité du revêtement céramique et contre l'extrémité adjacente du manchon métallique 212. Si on le désire, la partie latérale 294 peut être brasée à l'extrémité adjacente 213 du man- chon 212.
La figure 6 représente aussi une bobine inductrice 23? refroidie à l'eau, cette bobine comportant huit spires 281 et cha- que spire contenant intérieurement une canalisation pour fluide
282. Les spires sont isolées les unes des autres par l'isolant
283. Des conducteurs creux 207 et 208 introduisent le fluide de refroidissement dans la bobine et l'en évacuent, respective- ment. Au cours de la construction de la bobine, le fil ou tube peut être enroulé en bobine en étant déjà isolé avant le bobina- ge. On bobine ensuite le tube, on y ajoute de l'isolant supplé- mentaire et on imprègne ensuite la bobine d'une résine appropriée de façon à constituer un ensemble en substance indéformable.
Les conducteurs 207 et 208 de la bobine inductrice
237, qui contiennent des canalisations pour fluide 227 et 228 res- pectivement, traversent un passage axial 271 pratiqué dans le sup-
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port 204. Un isolant réfractaire approprié 270 entoure les con- ducteurs 207 et 208. Le champ magnétique créé par la bobine 237 est représenté en 244. Afin de pouvoir représenter le champ, il a été supposé arbitrairement que le support 204 est construit en une matière magnétique.
En prévoyant, dans la forme d'exécution de la figure
6, un vide 275 d'une longueur ou d'une profondeur considérable à l'arrière ou au-dessus de la bague 266 en céramique, bague qn une matière fortement réfractaire, on simplifie légèrement le problè- me de refroidissement de la partie centrale 248 et de la protec- tion de la partie intérieure métallique de l'électrode contre le rayonnement de l'arc ou la. chaleur de convection des gaz ainsi que contre'l'endommagement ou la destruction du métal de cette électrode.
La partie centrale rentrée 248 peut être brasée à la face d'électrode 215, ce qui permet d'omettre les parties filetées
257 et 258. La partie centrale 248 peut aussi faire partie inté- grante de la face d'électrode 215, si on le désire.
En bref, l'appareil de la présente invention permet d'atteindre parfaitement les buts précités de l'invention. L'in- vention procure une surface d'arc, une bobine inductrice qui crée un champ faisant mouvoir l'arc sur la surface d'arc, des tubes mé- talliques véhiculant de l'eau de refroidissement et du courant vers la face d'électrode et servant en même temps de support, des isolants thermiques qui protègent les,parties non refroidies et limitent les pertes calorifiques vers l'électrode dans le four, tandis que des moyens sont prévus pour monter et connecter les ca- nalisations d'eau ainsi que pour connecter les alimentations de courant.
On remarquera que la disposition de la bobine induc-
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trice sur les figures 1B, 3 et 6 est telle que la forme des lignes de force magnétiques permette à celles-ci d'épouser de très près le contour de la surface d'arc de la face d'électrode, En d'au.. tres mots, la bobine inductrice se trouve au centre de la section transversale de la face d'électrode. Ceci est très intéressant, parce qu'on obtient ainsi un champ maximum ou optimum servant à la rotation de l'arc autour de la surface d'arc annulaire. L'in- vention procure donc un champ magnétique perfectionné autour de l'électrode ainsi qu'une meilleure énergie d'entraînement pour l'arc.
Une particularité importante de l'invention réside en la construction tubulaire des éléments constituant support, conducteurs de courant et canalisations pour l'eau de refroidis- sement, Les manchons en céramique sont avantageusement assem - blés et constituent un écran thermique efficace pour la partie de l'électrode que l'on ne désire pas exposer à la chaleur de ra- yonnement et de convection de l'arc. Le tube ou manchon 10 peut être en acier, et ce tube constitue à la fois une protection pour les conducteurs de la bobine inductrice et un support mécanique.
Le manchon ou tube 21 maintient en place les autres éléments tu- bulaires et, comme il est construit en cuivre, il véhicule la ma- jeure partie du courant allant vers l'électrode.
L'électrode de la présente invention est pourvue d'un isolement thermique efficace. Les pertes calorifiques dans la face de l'électrode et dans l'électrode entière sont réduites au minimum, ce qui permet d'augmenter le rendement de travail de l'électrode. Ceci est atteint en premier lieu en entourant l'en- semble de l'électrode d'un ou de plusieurs manchons cylindriques en céramique. Le second moyen utilisé est un bouchon en cérami- que ou refroidi à l'eau.
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Si on le désire, l'ensemble de l'électrode peut ê- tre pourvu de protubérances métalliques et de la céramique tassée peut y être appliquée. Si on le désire, un support pour la céra- mique tassée peut être constitué par des trous pratiqués dans au moins certains éléments de l'ensemble. Un revêtement en cérami- que tassée offre certains avantages ; desdommages possibles dus aux chocs subis par l'électrode au moment de la charge du four se localiseront et se répareront facilement entre les opérations de chauffe.
Comme précité, dans une forme d'exécution décrite, on utilise un isolant thermique sur des parties de la face d'élec- trode pour diminuer le flux de chaleu- dirigé par l'arc et le bain en fusion sur 'l'électrode.
Un autre avantage de l'appareil de la présente inven- tion réside en ce que la face d'électrode portant la référence générale 90 peut se remplacer facilement. Ceci est dû à l'uti- lisation d'une vis de maintien 81 (voir figure 1) et d'un man- chon 76. Lorsque ces deux éléments sont enlevés, on peut aisé- ment enlever la face d'électrode sans déranger la bobine induc- trice ni sa gaine. On peut aussi rendre les faces d'électrode des figures 3 et.6 aisément amovibles. Dans certaines applica- tions de chauffage à arc, il. peut être très intéressant de rendre l'électrode aisément amovible, puisque.l'électrode peut s'en- . dommager du fait qu'elle vient en contact avec les matières que l'on charge dans le four ou encore parce qu'elle est normale- ment usée.
L'électrode de la présente invention prise dans son ensemble se caractérise par les particularités et les éléments décrits ci-dessus et, en outre, cette électrode présente en bref les avantages suivants ;
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(1) Isolation thermique afin de limiter les pertes calorifiques.
(2) Face d'électrode amovible que l'on peut aiaément et rapide- ment enlever.
(3) Système de canalisations d'eau très économique avec circu- lation transitoire de la vapeur et de l'eau dans un sens perpendiculaire à l'arc et au sens de déplacement de l'arc.
(4) Structure relativement rigide de tubes métalliques pouvant résister à une manipulation brutale et de forme simple et économique.
(5) Simplicité générale du système, électrode compacte et aisé- ment adaptable.
(6) Convient particulièrement bien pour le domaine des fours à arc électriques et, dans ce cas en particulier, les par- ticularités suivantes sont à signaler : (a) profil permettant de lim@ter les explosions de gaz chauds sur les côtés du four, ce qui réduit la corro- sion des parois et les pertes calorifiques.
(b) refroidissement et circulation de l'arc sur l'électro- de à l'effet d'éviter l'érosion de la matière d'élec- trode.
(7) Utilisation d'une bobine inductrice refroidie à l'eau ce qui permet de réduire au minimum l'encombrement requis pour une bobine inductrice ayant un nombre déterminé d'am- pères-tours ; ceci permet de loger la bobine inductrice a l'intérieur de la pointe de l'électrode de manière à utiliser les lignes'de force d'une manière optimum.
Quoique la description précédente concernu des électrodes utilisées dans un four à arc, il va de soi que l'élec- trode de la présente invention peut aussi être utilisée dans un appareil de chauffage à arc ou dans un générateur de plasma, si on le désire.
Si on le désire, d'autres fluides appropriés que l'eau peuvent être utilisés pour le refroidissement.
Les électrodes de la présente invention sont en sub- stance non,consumables et ont une durée de vie supérieure de nom- breux ordres de grandeur à la durée de vie des électrodes en car- bone ou en graphite actuellement généralement utilisées.
Il va de soi que la bobine inductrice refroidie à
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l'eau qui a été représentée à la figure 6 peut aussi être utili- sée dans les formes d'exécution des figures 1 et 3.
L'expression "surface d'une autre polarité" qui est utilisée dans les revendications annexées, désigne aussi bien le bain en fusion qu'une autre électrode ou une autre surface d'arc, et concerne des arcs formés aussi bien par une électrode alimentée en courant continu que par une élec- trode alimentée en courant alternatif.
La chemise de refroidissement par fluide de la forme d'exécution représentée à la figure 6 peut aussi être utilisée dans les appareils des figures 1 et 3.
L'électrode peut être utilisée tout aussi aisément dans une position verticale que dans une position horizontale ou i toute autre position inclinée.
L'électrode peut être utilisée en combinaison avec d'autres électrodes comme, par exemple, dans le cas de trois é- lectrodes alimentées dans un four à arc par du courant triphasé.
L'expression "conducteur" utilisée ici et dans les revendications annexées, désigne une conductibilité électrique, si elle est utilisée telleauelle.
Le fait de passer de supports37 et 204 en une matière non magnétique à des supports en une matière magnétique peut avoir pour conséquence d'augmenter de l'ordre de 10 % l'intensité du champ magnétique à hauteur de la surface d'arc.
Quoique des formes d'exécution déterminées de l'in- vention donnant des résultats satisfaisants aient été représentées et décrites, il va de soi que des modifications peuvent y être ap- portées et que des solutions équivalentes peuvent y être substituées sans sortir du cadre de la présente invention.
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Non-consumable arc electrode.
The present invention relates to improvements to the electrodes and particularly to those intended for arc furnaces, the invention relating more especially to an improved non-consumable electrode,
In electric arc furnaces, carbon and graphite electrodes have heretofore been widely used, whether they are submerged type, direct type or indirect type electric arc furnaces. In a direct-type arc furnace, most of the power consumed in the furnace is concentrated in an arc spouting between the electrode and the material to be heated, this material usually referred to as the fuse bath.
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if we.
In an indirect type arc furnace, the arc spurts out between two electrodes; in this case, the material to be heated does not constitute one of the electrodes as in the case of the direct type arc furnace. In an arc furnace of the submerged type, the electrode is submerged by the material to be heated and the heat imparted to the molten bath is obtained by the Joule effect as well as by a large number of small arcs which shoot out between the electrode and the material to heat as well as between the particles of the matter itself.
In all the aforementioned cases, the carbon or graphite electrode is used until its oxidation, its sublimation or the moment when there is a chemical reaction with the material to be heated, or again until the electrode is broken. Carbonaceous and graphite electrodes should be constantly replaced as they are consumed. The oven downtime required to recharge the electrodes, slide the electrodes into their electrode holders, or remove broken electrode parts in the oven, can represent a considerable production loss estimated to be 2 to 3% of operating time.
In its patent of the same date entitled "Electric arc furnace and non-consumable electrode for this fpur", the Applicant describes a non-consumable electrode allowing most of the costs, downtime and operating difficulties to be eliminated. which accompany the use of carbon and graphite electrodes which are consumed as you walk. from the oven.
The non-consumable electrode disclosed in this patent of the same date comprises a water-cooled annular electrode face which constitutes an arc surface, a support consisting at least in part of a conductive material of the same. electricity and electrically
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connected to the electrode face, the support comprising conduits or passages for supplying a cooling fluid to the electrode face and for discharging the fluid from this electrode face, the conductive part of the support being connected to a source of potential so as to produce an arc originating on the electrode face, as well as an induction coil arranged in the vicinity of the electrode face,
this induction coil being energized and creating a maghetic field at the height of the arc surface of the electrode face, this magnetic field forcing the arc to move without interruption around the annular arc surface of the electrode face. An elongated piece, of a highly refractory material such as ceramic, forms part of the support and encloses the remainder of the support so as to protect it against the heat of radiation and convection from the support. arc and gases, as well as a sealing means, or plug constructed of a highly refractory material such as ceramic which seals the central void of the ring electrode face.
The present invention represents an advance on the non-consumable electrode described in the aforementioned patent and has many new and original features. The support of the present invention is tubular in shape and comprises coaxial sleeves of different diameters defining annular conduits for the passage of a fluid. An outer sleeve, preferably of steel, gives maximum mechanical strength to the assembly, and a ceramic sleeve outside the steel sleeve provides a heat shield or heat shield.
The present invention provides a new and novel conduit arrangement which also provides a support for the electrode face so as to provide passages for the fluid.
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cooling to the arc surface of the electrode face.
The field coil is mounted so that the magnetic lines of force follow the contour of the arc surface. The coil holder is preferably constructed of a magnetic material which decreases the reluctance of the magnetic circuit. In some embodiments, a water-cooled plug seals the central void of the ring electrode face. In another embodiment of the invention, part of the electrode face is covered with a heat shield.
The main object of the invention is to provide an improved non-consumable electrode for an arc furnace.
Another object of the invention is to provide: a new and improved electrode which does not burn out during the operation of the arc furnace and comprises a new and improved heat shield, a new and improved electrode, the arc of which travels on. the surface of the electrode under the action of a magnetic field produced at the height of the arc surface of the electrode and whose lines of force follow the contour of the arc surface, a new non-consumable electrode and improved arc surface which is water cooled in an improved manner.
These and other objects of the invention will emerge clearly from the description given below with reference to the accompanying drawings, in which:
Figures 1A and 1B taken together constitute a sectional view of an electrode according to the present invention.
Figure 2 is an end or plan view of the electrode of Figure 1.
Figure 3 is a sectional view of an electrode having
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a central part cooled by fluid and constituting a further and preferred embodiment of the invention.
FIG. 4 is a view of an electrode face according to a third embodiment of the invention.
Figure 5 is a fragmentary view of the central portion of an electrode constituting a modification of the apparatus of Figure 3, and
FIG. 6 is a view of an electrode with a retracted central part constituting a further embodiment of the invention.
In the various figures, the same elements bear the same references. Figure 1 shows a long tube 10 preferably of steel or another metal having, at each end, parts 11 and 12 with a larger internal diameter so as to form shoulders 13 and 14. As will be seen Hereinafter, these shoulders are provided to determine exactly the position of the tube with respect to other parts of the electrode. In the following description, the part of the electrode where the arc originates is called the electrode face, this part being at the bottom of the electrode.
The upper end thereof consists of a block or head 15 of metal, part of the outer wall 16 of which engages without significant play in the aforementioned tube 10. The lower surface of the block
15 can come to rest against the aforementioned shoulder 13, and the adjacent end of the tube 10 can also come to rest against the shoulder 17 of the head 15. As the drawing shows, the block or head 15 is not cylindrical but approximately rectangular, so that parts of the void 73 separating the tube
10 of an inner coaxial sleeve 21 described below are open to atmosphere at the upper end of the electrode, thereby
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which allows ventilation and also gives room to introduce the connections of the induction coil.
An axial or vertical duct 18 formed in the head 15 has a part 19 which is threaded and which is screwed onto the threaded end of the metal plug 21, the latter preferably being made of copper. As this is described below, thanks to the screwing of the part 19 on the sleeve 21, this attaches the head 15 to the actual electrode and also constitutes an effective means for the passage of the. current.
An angular groove 22 (see FIG. 1A) made in the head 15 contains an O-ring seal 23.
An annular chamber 24 is provided inside the head 15 and communicates with an annular duct 32 located between the sleeve 21 and a sleeve of smaller diameter 31 coaxial with respect to the first, the chamber 24 being provided with an inlet. Water flow 25, the wall 26 of which, if desired, is threaded as shown. As the drawing shows, the aforementioned axial duct 18 comprises, at 30, a part of smaller internal diameter, so as to determine a shoulder 27. The duct 18 communicates with a water outlet 28 whose wall interior 29 is partially tapped.
The upper end of the aforementioned metal sleeve 31 is received without significant play in the duct 18 and its end comes to rest against the shoulder
27 of the sleeve 31 constituting the duct 41 while this sleeve 31 defines, with the aforementioned sleeve 21, the aforementioned annular duct 32 allowing the cooling water to pass towards the electrode face. Retort as shown, an annular groove 33 made near the upper end of the sleeve
31, contains an O-ring 34. Conduit 41 serves to discharge the cooling fluid from the electrode face to the water outlet 28.
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The other end or the lower end of the metal sleeve 21 is threaded at 36 on its outer wall so as to be screwed into the support 37 of generally cylindrical shape, the inner wall of which is threaded; this support 37 serves to support the inductor coil and the electrode face and also constitutes a conduit device for the fluid as well as a magnetic circuit where this support is, of magnetic material. The holder 37 for the coil and the electrode face is provided on its outer wall with a shallow throat 38, with large holes arranged peripherally communicating the groove 38 with the interior of the holder. cylindrical 37.
One of these holes is shown at 39, the various holes opening into the aforementioned annular duct 32 so that the water flows from the annular duct 32, through the transverse holes or passages 39, into the empty space. formed by the groove 38.
The outer surface of the support 37 is surrounded by a metal sleeve. 100. This support 37 also has its height. median, a slightly smaller outer diameter in order to delimit an annular duct 40, between the inner wall of the sleeve 100 and the outer wall of the support 37, through which water can reach the face of the electrode, as described below after. An annular groove 42 made in the support 37 contains an O-ring seal 43 while an annular groove 59 contains an O-ring 60. The cylindrical support 37 also comprises, on its inner wall, the shoulder 44. against which the adjacent end of the sleeve 21 is applied.
A part of the inner wall of the support 37 is threaded at, 46 and is screwed onto the threaded outer wall of a device with a conduit for fluid bearing the general reference 48 and provided with a retaining screw 49 whose role is discussed below.
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The device 48 comprises an axial duct 51, part of which has a smaller internal diameter so as to define a shoulder 52 against which the adjacent end of the aforementioned sleeve 31 comes to rest. The device 48 is provided, on its outer wall, with a broad and shallow annular groove 53 as well as transverse holes spaced out peripherally, one of these holes being shown at 53. The outer wall 55 is spaced from the inner wall of the support. 37 so as to define an annular duct 56.
As described in detail below, the water entering through the water inlet 25 descends through the conduit 32, through the passages 39 so as to reach the annular groove.
38 and thence annular conduit 40, the water finally reaching the periphery of a cooling circuit adjacent to the electrode face. As the drawing shows, the fluid conduit device 48 has an annular groove 57 on its inner wall, this groove containing an O-ring seal 58 between the wall of the device 48 and the outer wall of the sleeve.
31.
The field coil and electrode face support 37 has small annular flanges on its inner wall and on its outer wall so as to define a shoulder 61 on its inner wall and a shoulder 62 on its inner wall. outer wall. A generally annular sleeve 64 mounted on the lower end of the support 37 includes cylindrical wall portions 67 and 83 which are radially spaced apart and concentric, the sleeve 64 terminating in an annular end portion 89 of which the the outer face is curved and the inner face 70 planar.
The outer wall part 83 comes to rest, at its upper end, against the shoulder 62, while the upper end of the inner wall part 67 comes to rest.
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be applied against the shoulder 61. In addition, the support 37 ′ comprises, on its outer cylindrical surface, an annular groove
65 containing an O-ring 66 while its inner surface has an annular groove 68 containing an O-ring 69.
As mentioned above, the end of the sleeve 64 comprises a part constituting substantially a flat annular surface 70, and the annular void of the sleeve 64 between the surface 70 and the interior flat surface 63 of the support 37 is occupied by a spool in - ductor 71 surrounded by a protective sheath 72 made of an electrically insulating material, ceramic for example.
Preferably, the coil 71 is formed by a hollow copper tube wound parallel to the face of the electrode, the various spins being insulated from each other. Cooling water circulates inside the turns so as to evacuate the heat prevailing inside the coil.
Such an embodiment is shown in Figure 6 and is described in detail below.
Two insulated conductors 121 and 122 (see FIG. 2) serving to supply the coil 71 start from the sheath 72 and pass through an axial or longitudinal duct 124 of the support 37 to reach the space or chamber 73 delimited between the tube 10 and the aforementioned sleeve 21. From there the conductors go to terminals which may include connection means cooled with water and located in the vicinity of the head 15 while being isolated therefrom, the electrical conductors 121 and 122 going to the head. the induction coil being shown hollow.
The support 37 and the sleeve 64. joined together can be considered as a general device for channeling the fluid.
The above-mentioned fluid duct device bearing the general reference 48 is provided, at its lower end,
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an annular ring or rim 75 forming a sxial extension while a retainer 76 comprising an annular groove 77 containing an O-ring 76 is mounted in the empty space delimited by the rim 75. The retaining device retainer 76 is pierced by an axial bore 79 into which penetrates the threaded portion of the aforementioned bolt 49.
The head 81 of the bolt 49 comes to rest against a shoulder 80 of the retainer 76 so as to secure the retainer 76 in place relative to the duct device 48. The retainer 76 may also be constructed as a single-piece retainer. magnetic material so as to further reduce the reluctance of the magnetic circuit. A coil spring
82 surrounds the head 81 of bolt 49, the upper end of the spring pressing against the shoulder surface 80 of the retainer '76, while the lower end of the spring comes to rest against the shoulder surface 80 of the retainer '76. apply against a plug 84 constructed of a highly refractory material, such as ceramic.
Cap
84 has an end portion 85 having a smaller outside diameter so as to define a groove in which a portion of a retaining ring 86 made of is housed. ceramic or other highly refractory material.
The lower end of retainer 76 has a reduced outside diameter and is threaded at 87, an O-ring 88 being provided to seal with a generally annular or cylindrical shaped electrode face marked 90. The outer surface of the inner cylindrical wall of the electrode face 90 is threaded at 91 and screws onto the threaded portion 87 of the retainer 76, the outer surface of the outer cylindrical wall of the electrode face 90 'also being threaded at 92 for reasons explained below. The head 93, which constitutes the arc surface, is deli-
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mitée laterally by annular walls 94 and 95.
It can be seen that, when the electrode face bearing the general reference 90 is screwed in place as shown, annular or cylindrical conduits 96 and 98 remain between the walls of the sleeve 64 and the adjacent walls of the face d. Electrode 90. At the front or lower end of the electrode face 90, there is also a passage 97 for the fluid directly to the rear of the arc surface.
These conduits 96, 97 and 98 complete a circulation circuit for a cooling fluid starting from the water inlet 25 and ending in the water outlet 28, this circuit passing through: the inlet 25, the descending duct 32, the transverse holes 39, the groove 1 38, the annular duct 40, the annular duct 98, the curved duct 97, the annular duct 98, the annular duct 58, the groove 53, the transverse holes 54, the pipe 41 and the water outlet 28.
As mentioned above, the inner wall of tube 10 is provided with a shoulder 14 at its lower end 12. The long metal sleeve 100 having a larger outer diameter portion 101 at its lower end slides against the inner wall. of the smaller internal diameter portion 12 of the tube 10 and rests against the shoulder 14. A ring 102 having a flange 103 and a threaded portion 104 is disposed in the vicinity of the exterior wall of the metal sleeve 100 .
The external threaded part 104 is screwed onto the threaded part 107 of the internal wall of the end of an additional ring 106. The other end of the ring 106 is also threaded at 108. The part thread 108 is screwed onto the threaded part 92 of the electrode face 90. The ring 106 has annular grooves 109 and 110 containing respective O-rings 111 and 112 serving as a seal between the annular grooves.
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The larger diameter portion 101 of the sleeve 100 as well as the outer wall portion of the electrode face 90, The rings 102 and 106 may also be of a magnetic material so as to further reduce reluctance of the magnetic circuit.
A sleeve 119 of a highly refractory material, such as ceramic, externally surrounds the tube 10, the lower end of the sleeve 119 being pressed against a ring 118 also of a highly refractory ceramic material. The ring 118 comes to rest against the rim 103. In addition, the end of the electrode face is surrounded by a ceramic ring 117 having a shoulder 116 which comes to rest against an end surface of the electrode. the aforementioned ring 106. The ceramic pieces 119, 118 and 117, the ceramic ring 86 and the ceramic plug 84 constitute a heat shield for the parts of the electrode which are most directly exposed to the inherent radiation of the arc. , the radiation of incandescent gases and the heat transmitted by convection.
It can be seen that the entire annular electrode surface of head 93 is water cooled. Field coil 71 is supplied in such a way, for example with direct current, that the arc moves uninterruptedly along a circular path circling the annular or circular surface of the electrode face 90. The lines of force of the magnetic field 115 follow a path which substantially follows the contour of the arc surface because the center of the field coil is substantially at the virtual center of curvature of the arc surface. curved macaw. In order to be able to represent the magnetic field ,. it has been arbitrarily assumed that the carrier 37 is of a non-magnetic material.
The magnetic field produced has sufficient intensity for the arc to travel at a speed
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quite large, according to the indications of the above-mentioned patent of the Applicant.
The connection wire 35 is represented symbolically to indicate the supply of current to the electrode.
Figure 2 which is an end or plan view of the electrode, shows at 121 and 122 the aforementioned terminals for the conductors going to the field coil 71. If desired, a terminal tray (not shown) can be fixed on the head
15, for example by means of screws screwed into threaded holes 125.
It can be considered that the whole of the electrode face comprises the actual electrode face 90 and the sleeve 64 which is separated therefrom by the fluid conduits 96, 97 and
98.
The preceding description shows that the present invention provides an apparatus which makes it possible to achieve the aforementioned objects of the invention perfectly. The arc moves uninterruptedly in a circular path over the surface of the electrode at a speed sufficient to prevent any noticeable vaporization of the electrode material at the point (s) of birth of the electrode. arc on the electrode surface;
in accordance with the sign-. According to the aforementioned patent of the Applicant, the flow rate of cooling water from the electrode is such that the temperature of the electrode surface can be kept sufficiently low so that, when the arc passes a second time at same point on the electrode surface, the temperature at that point does not rise above the melting temperature of the electrode material for a time long enough to cause substantial loss of material.
It goes without saying that the electrode face 90 and the sleeve
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64 are of a non-magnetic material. Preferably, the holder 37 is of a magnetic material and the fluid conduit device 48 may also be of a magnetic material. The parts 37 and 48 can also be of a non-magnetic material.
FIG. 3 represents another embodiment of the invention in which the ceramic plug 84 of FIG. 1B has been replaced by a central part cooled with water bearing the general reference 140 and closing the vacuum formed by the central hole in the annular electrode face, the water-cooled central part being electrically insulated from the arc surface to prevent an arc from reaching this central part. In Figure 3, the support 37 constituting support for the electrode face and annular fluid channeling device 37 'has a general shape similar to the corresponding support 37 of FIG. 1B. In the apparatus of Figure 3, water or other cooling fluid preferably flows in a direction such that it enters through conduit 32 'and backward through conduit 41'.
Inside the support constituting at the same time the fluid channeling device 37 'is screwed at 46' an annular sleeve of elongated shape constituting a support or retaining device bearing the general reference 128 and comprising an annular groove. space 129 containing an O-ring seal 130 between the inner circular wall of retainer 128 and the adjacent outer wall of sleeve 31. As the drawing shows, the inner conduit passing through device 128 has a - Tapered wall tie 131 so as to constitute a sleeve portion of great length and of reduced outside diameter 132 constituting an extension forming an integral part of the device 128.
The annular rim 133 formed by the reduction of the external diameter of the device 128 is pierced with several holes
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axially spaced apart, two holes being shown at 134 and 135. Spacers 136 and 137 formed by pins of a hard material, electrically insulating and mechanically strong are introduced into the holes 134 and 135.
The portion of the outer wall of the device 128 substantially contiguous with the holes 134 and 135 is threaded at 138 and is screwed into the adjacent threaded portion 141 of a sleeve or fluid channeling device bearing the general reference 142, the sleeve 142 having a portion 149 of smaller inside diameter so as to constitute an annular shoulder 163 while its lower end 143 of smaller outside diameter is threaded outwardly at 144. The threaded portion 144 screws onto the threaded portion 91 of the electrode face.
As the drawing shows, the wall of the sleeve 142 is pierced with several peripherally spaced radial holes, two of these large diameter holes being shown at 147 and 148; these holes allow water or other cooling fluid to pass in as described in more detail below.
A cap 151 having a sealed end 152 is slid inside the sleeve 142, between the inner wall thereof and the sleeve 132, this without touching the two walls since the inner diameter of the cap 151 is greater than the outer diameter of the sleeve 132 so as to delimit a conduit 153 while the end of the sleeve 132 stops at a distance from the inner wall of the sealed end portion 152 of the cap 151 so as to define the led 154.
The cap 151 is also separated from the sleeve 142 by an annular space 150. The upper end of the cap 151 has a wall of greater thickness and of greater outside diameter 155, the upper end surface of the cap 151 coming through. 'apply substantially against the adjacent ends of the
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aforementioned insulating cores 136 and 137, the latter serving to appropriately space the cap 151.
An annular groove 158 in the outer surface of wall portion 155 contains an O-ring or similar seal 159, and the outer wall of portion 155 is shaped such that a shoulder 160 carries a ring 162 in one. insulating material coming to bear against the shoulder 160 of the cap 151 while also pressing against the shoulder 163 of the inner wall of the sleeve 142 at the height of the change in the inner diameter. The lower end of the cap 151 is separated from the electrode face by the insulating ring 86 which is preferably constructed of a refractory material such as ceramic and is housed in the annular groove 85 of the face. electrode 90.
The bonnet 151 is electrically neutral thanks to the presence of the ceramic ring 86 and of the insulating ring 162, of the annular spaces 150 and 153, of the insulating spacers 136 and 137 and of the O-ring 159 made of rubber or another material. electrically insulating.
The cap 151 and the sleeve 152 constitute a ducting device which allows cooling water to pass over the closed end 152 in order to remove heat from that end. The water descending through the annular duct 32 'passes through the radial holes 39 and then descends through the annular duct 40; from there, water passes through conduits 98, 97 and 96 bypassing the rear of the arc surface of the electrode face to enter annular conduit 56; from there, the water passes through the radial holes made in the sleeve 142, two of these holes being shown at 147 and 148. The water then descends through the conduit 153 between the sleeve 132 and the interior wall of the cap.
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151. The water then turns around the end of the sleeve 132 to pass through the conduit 154 and rises inside the sleeve 132 to enter the conduit 41 '. The water which licks the sealed end 152 of the cap 151 easily dissipates the heat there and prevents this surface from being brought, by convection or radiant heat, to a temperature which would otherwise cause destruction of the central part.
FIG. 4 represents another embodiment of the invention, the specific characteristics of which can be used in one or the other of the embodiments of FIG. 1B or of FIG. 3. As in FIG. 4 the shows, the two side faces of the outer wall of the annular electrode face bearing the general reference 90 'and constituting the inclined faces 94 and 95, are covered with coatings of a highly refractory material 171. and 172, these coatings being made of ceramic, if desired, or other suitable material for the effect of thermally insulating the portion of the electrode face which does not act as an arc surface, the surface portion 175 which constitutes the arc surface proper for the arc 176 not being covered with this coating.
By appropriately choosing the dimensions of the surface 175 left bare, this can adequately act as an arc surface while the insulating coatings 171 and 172 reduce the losses of. heat while also decreasing the deposition of material from the molten bath on the electrode surface. The distance 177 between the inner ends of the coatings 171 and 172 can be any desired length.
Of course, when the non-consumable electrode of the present invention is used to melt paramagnetic or ferromagnetic materials, the magnetic field produces
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by the coil 71 (not shown in Figure 4 for clarity of the drawing) acts to attract the material of the molten pool on the electrode, this material being deposited on the electrode, This deposited material can weaken the field magnetic required to rotate the arc. Ceramic coatings 171 and 172 can decrease the amount of material deposited, which is an additional advantage of these coatings.
The thermal insulation of the electrode face also causes a reduction in the heat flow sent by the arc to the electrode; if desired, the ceramic coating can consist of a spray coating on the electrode face. Other means can also be used to apply these coatings to the electrode face.
The water cooled plug of the embodiment of Fig. 3 has certain advantages over the ceramic plug of the embodiment of Fig. 1B. In arc heaters as well as in furnaces using non-consumable electrodes, the electrode face is the part which must carry the arc current and which must withstand the rise in temperature which results therefrom. In order to minimize the wear of the electrode, it has an annular shape and the arc is rotated along its surface under the effect of a magnetic flux perpendicular to the electrode. 'electric arc. The water circulating inside the electrode face dissipates the heat absorbed by the latter.
The central part of the electrode is exposed to extremely high heat fluxes. Any non-ceramic insulating material placed there will disintegrate or start? to melt in a very short time, and even at least some ceramics will deteriorate or degrade after a certain period of use.
On the other hand, if the central part was a piece of metal re-
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When water-cooled is at the same potential as the electrode, the arc could reach the central part rather than be confined to the electrode surface itself. According to the present invention, the end 152 of the water-cooled metallic central part is electrically insulated from the electrode face 90 in order to prevent the arc from arising on the central part. . This is achieved by the presence of the rings 86 and 162 of ceramic or other suitable electrically insulating material. Furthermore, as mentioned above, the cap 151 never touches the sleeve 132 and additional voids may be provided between the adjacent surface of the cap 151 and the spacers 136 and 137.
By electrically isolating the central part, the dancer avoids having to use a hollow and strongly retracted central part. Further advantages result from a reduction in the area of the central part, because a smaller part of the area is then exposed to the radiation, which reduces heat losses. The central part cooled with water and electrically insulating, according to the invention, makes it possible to give a small surface area to this central part.
If desired, the outer surface of the end 152 of the core may be covered with a thermally insulating ceramic material such as aluminum oxide or other suitable ceramic coating. Such a solution is shown in Figure 5 where the ceramic coating bears the reference 166.
Figure 6 shows yet another embodiment of the invention which differs from the embodiment of Figure 1b in that the central part is tucked in, in that the ceramic sleeve or coating externally covering the elec-
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The trode is reinforced with wires for part of the length, and in e a jacket of cooling water is used.
In FIG. 6, sleeves 200 and 201 of different diameters which delimit an annular duct 202 between them correspond respectively to the tubes or sleeves 31 and 21 of the electrode of FIG. 1. As mentioned above, water can penetrate. or exit through sleeve 200 and, in the embodiment of Figure 6, it has been arbitrarily assumed that water exits through sleeve 200 and enters the electrode through annular conduit 202. Sleeve 201 , which is made of copper, is threaded at 203 and is screwed by this part onto an electrode and field coil face support bearing the general reference 204, the device 204 corresponding to the similar device 37 of FIG. 1.
Preferably, device 204 is made of a magnetic material.
A ring 205 with a diameter slightly greater than that of the sleeve 201 so as to define with the latter an annular duct 206, is disposed above the support 204 and places thereon, conductors 207 and 208 connected. to a magnetic field induction coil, to be described below in detail, passing through the annular duct 206. The ring 205 has a threaded outer part 209 which engages the threaded end 211 of a sleeve 212 in the middle. tal or other suitable material, the lower end 213 of the sleeve 212 having a larger internal diameter in order to define a free space for mounting therein an electrode face bearing the general reference 215.
As the drawing shows, a cylindrically shaped conduit or space 216 is provided between the inner wall of the sleeve 212 and the outer wall of the lower extension of the support 204, the conduit 216 serving for the passage of water therein. penetrates through several spaced radial holes drilled in the wall of the support 204, one of these radial holes being shown.
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felt in 217; the holes 217 communicate with the annular duct 202. The outer surface of the support 204 is provided with an annular groove 218 in the vicinity of the holes 217 to allow water to freely enter the cylindrical duct 216.
The aforementioned ring 205 has a portion of larger external diameter 220 so as to define two shoulders 221 and 222. The lower end of a sleeve 224 comes to rest against the shoulder 221 while a sleeve 225 of metal or other suitable material is disposed outside the sleeve 224 without touching it in order to define an annular or cylindrical space 226. The -., Au enters the annular space 226. passing through appropriate inlets and outlets (not shown for clarity of drawing this constituting a water cooling jacket for the electrode.
This water-cooled jacket can extend substantially the full length of the electrode between the holder 204 and the head of the electrode which is quite similar to the head shown in Figure 2 and Figure 2. figure lA.
The ceramic heat shield bearing the reference 230, which may consist of a ceramic sleeve or of a ceramic coating applied by spraying or of a ceramic coating applied in any other suitable manner, has a wall portion. thin 231 and a thick-walled part 232. The ceramic coating protects the exterior of the electrode from radiant and convective heat from the arc and glowing gases in the vicinity, the walled part. thin 231 extending the entire length to the electrode face 215 so as to rest against the latter, while the thicker walled portion 232
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has 233 reinforcing wires.
The relatively thick portion 232 may extend substantially the entire length of the lectern.
The inner and outer walls of the lower end of the support 204 are shaped such that two annular shoulders 261 and 262 are formed.
A coil cup bearing the general reference 238, constructed of a non-magnetic material and consisting of concentric cylindrical side walls 235, 236 and an annular bottom 239, the underside of which is curved as shown in the drawing, is mounted. on the lower end of the annular support 204. The spool holder cup 238 contains an insulating sheath 240 constructed of a polytetrafluoroethylene resin or other suitable material including the annular bottom 241 and the two cylindrical and concentric sidewallsµ242 and 243 constitute the constituent parts,
the upper edges of the side parts pressing against the lower surface 272 of the support 204, the spacer ring 273 immobilizing the spool in the position shown so that it cannot move axially in the longitudinal direction of the electrode.
As the drawing shows, an annular conduit 298 exists between the outer wall of the bowl 238 and the inner cylindrical wall of the electrode face 215, while an annular conduit 297 of curved cross section is provided between the inner cylinder wall. curved lower surface of the end portion 239 of the spool holder cup and the adjacent inner wall portion of the electrode face 215 and that a generally cylindrical conduit 296 is provided between the annular surface ex - inner wall portion 236 of the spool holder cup 238 and the adjacent inner wall of the electrode face
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215.
As the drawing shows, these conduits 298, 297 and 296 communicate with the aforementioned conduit 216 between the support 204 and the sleeve 212 so that a cooling fluid can follow a path which is described in more detail below. -after.
Inside the cylindrical support 204 is a central part bearing the general reference 248, the upper end of which is externally threaded at 251 so as to screw onto the adjacent threaded part 252 of the support 204.
The central part 248 is pierced with peripherally spaced radial holes, two of these holes being shown at 249 and 250; these holes communicate with a cylindrical duct 256 provided between the outer wall of the cylindrical central part 248 and the cylindrically shaped inner wall of the support 204. The duct 256 communicates with the aforementioned duct 296.
Water or other cooling fluid descends through annular conduit 202, passes through spaced radial holes 217 drilled in support 204, bypasses annular groove 218- to descend into cylindrical conduit 216, cylindrical conduit 298, making then around the conduit 297 adjacent to the arc surface of the electrode to pass through the cylindrical conduit 296, enter the conduit 256, pass through the radial holes of which the holes 249 and 250 form part, the water then rising through the conduit 246 made in the middle of the central cylindrical part 248, to finally exit through the sleeve 200.
The electrode face bearing the general reference 215 also comprises two substantially cylindrical wall portions having different diameters while being concentric with each other, as well as a solid lower end portion which constitutes the surface. arc. The annu wall part -
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The inner surface of the electrode face 215 is threaded at 258 and screws into the threaded part 257 of the end 255 of the central part 248. As the drawing shows, the duct 246 of the central part is closed by the partition. 254, to prevent water from entering the extension 255 end.
Near the lower end of the extension end 255 is a ring 266 of ceramic or other highly refractory material, this ring being held in place by the inner side face 295 overhanging the face. electrode 215. The outer wall of the electrode face 215 also has a side portion 294 which rests against the end of the ceramic coating and against the adjacent end of the metal sleeve 212. If desired, side portion 294 may be brazed to adjacent end 213 of sleeve 212.
Figure 6 also shows an induction coil 23? water-cooled, this coil comprising eight turns 281 and each coil internally containing a fluid line
282. The turns are isolated from each other by the insulation
283. Hollow conductors 207 and 208 feed coolant into and out of the coil, respectively. During the construction of the coil, the wire or tube can be wound into a coil having already been insulated before winding. The tube is then wound up, additional insulation is added thereto and the coil is then impregnated with a suitable resin so as to form a substantially undeformable assembly.
Conductors 207 and 208 of the induction coil
237, which contain fluid lines 227 and 228, respectively, pass through an axial passage 271 in the support.
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port 204. A suitable refractory insulator 270 surrounds the conductors 207 and 208. The magnetic field created by the coil 237 is shown at 244. In order to be able to represent the field, it has been arbitrarily assumed that the holder 204 is constructed as a magnetic material.
By providing, in the embodiment of the figure
6, a void 275 of considerable length or depth behind or above the ceramic ring 266, ring made of a highly refractory material, the problem of cooling the central part is slightly simplified. 248 and the protection of the metallic inner part of the electrode against the radiation of the arc or the. convection heat of the gases as well as against the damage or destruction of the metal of this electrode.
The retracted central portion 248 can be soldered to the electrode face 215, which allows the threaded portions to be omitted.
257 and 258. The central portion 248 can also be an integral part of the electrode face 215, if desired.
In short, the apparatus of the present invention perfectly achieves the above objects of the invention. The invention provides an arc surface, an induction coil which creates a field causing the arc to move on the arc surface, metal tubes conveying cooling water and current to the face of the arc. 'electrode and serving at the same time as a support, thermal insulators which protect the uncooled parts and limit heat losses to the electrode in the furnace, while means are provided for mounting and connecting the water pipes as well as to connect the power supplies.
It will be noted that the arrangement of the induction coil
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trice in Figures 1B, 3 and 6 is such that the shape of the magnetic lines of force allows them to closely match the contour of the arc surface of the electrode face, in at. Quite simply, the inductor coil sits in the center of the cross section of the electrode face. This is very interesting, because we thus obtain a maximum or optimum field serving for the rotation of the arc around the annular arc surface. The invention therefore provides an improved magnetic field around the electrode as well as better drive energy for the arc.
An important particularity of the invention lies in the tubular construction of the elements constituting support, current conductors and pipes for the cooling water. The ceramic sleeves are advantageously assembled and constitute an effective heat shield for the part of the electrode which one does not wish to expose to the heat of radiating and convection of the arc. The tube or sleeve 10 can be made of steel, and this tube constitutes both a protection for the conductors of the induction coil and a mechanical support.
The sleeve or tube 21 holds the other tubular elements in place and, as it is constructed of copper, it carries most of the current to the electrode.
The electrode of the present invention is provided with efficient thermal insulation. The heat losses in the face of the electrode and in the entire electrode are reduced to a minimum, which makes it possible to increase the working efficiency of the electrode. This is achieved in the first place by surrounding the entire electrode with one or more cylindrical ceramic sleeves. The second means used is a ceramic or water-cooled stopper.
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If desired, the electrode assembly can be provided with metallic protuberances and packed ceramic can be applied thereto. If desired, a support for the packed ceramic may be formed by holes made in at least some elements of the assembly. A packed ceramic coating offers certain advantages; possible damage due to shocks undergone by the electrode when charging the furnace will be easily located and repaired between heating operations.
As noted above, in one described embodiment, thermal insulator is used on portions of the electrode face to decrease the flux of heat directed by the arc and the molten bath to the electrode.
Another advantage of the apparatus of the present invention is that the electrode face bearing the general reference 90 can be easily replaced. This is due to the use of a retaining screw 81 (see figure 1) and a sleeve 76. When these two elements are removed, the electrode face can be easily removed without disturbing. the induction coil and its sheath. It is also possible to make the electrode faces of FIGS. 3 and 6 easily removable. In some arc heating applications it. can be very advantageous to make the electrode easily removable, since.l'électrode can be-. damage due to the fact that it comes into contact with the materials that are loaded into the oven or because it is normally worn.
The electrode of the present invention taken as a whole is characterized by the features and the elements described above and, moreover, this electrode has in brief the following advantages;
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(1) Thermal insulation to limit heat loss.
(2) Removable electrode face which can be easily and quickly removed.
(3) Very economical water piping system with transient circulation of steam and water in a direction perpendicular to the arc and to the direction of displacement of the arc.
(4) Relatively rigid structure of metal tubes that can withstand rough handling and simple and economical in shape.
(5) General simplicity of the system, compact and easily adaptable electrode.
(6) Particularly suitable for the field of electric arc furnaces and, in this case in particular, the following peculiarities should be noted: (a) profile making it possible to limit hot gas explosions on the sides of the furnace , which reduces wall corrosion and heat loss.
(b) cooling and circulating the arc over the electrode to prevent erosion of the electrode material.
(7) Use of a water-cooled induction coil which makes it possible to reduce to a minimum the size required for an induction coil having a determined number of ampere-turns; this allows the induction coil to be housed inside the tip of the electrode so as to utilize the lines of force in an optimum manner.
Although the foregoing description relates to electrodes used in an arc furnace, it goes without saying that the electrode of the present invention can also be used in an arc heater or in a plasma generator, if desired. .
If desired, suitable fluids other than water can be used for cooling.
The electrodes of the present invention are substantially non-consumable and have a life that is many orders of magnitude longer than the life of carbon or graphite electrodes currently in general use.
It goes without saying that the induction coil cooled to
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the water which has been shown in Figure 6 can also be used in the embodiments of Figures 1 and 3.
The expression "surface of another polarity" which is used in the appended claims, designates both the molten bath and another electrode or another arc surface, and relates to arcs formed by a powered electrode as well. direct current than by an electrode supplied with alternating current.
The fluid cooling jacket of the embodiment shown in Figure 6 can also be used in the devices of Figures 1 and 3.
The electrode can be used just as easily in a vertical position as in a horizontal position or any other inclined position.
The electrode can be used in combination with other electrodes, for example in the case of three electrodes supplied in an arc furnace with three-phase current.
The term "conductor" as used herein and in the appended claims means electrical conductivity, if used such.
Switching from supports37 and 204 made of a non-magnetic material to supports of a magnetic material can have the consequence of increasing the intensity of the magnetic field at the height of the arc surface by about 10%.
Although specific embodiments of the invention giving satisfactory results have been shown and described, it goes without saying that modifications can be made to them and that equivalent solutions can be substituted without departing from the scope of the present invention.