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Description jointe à une demande de
BREVET BELGE déposée par : Jean, Albert, François SUNNEN ayant pour objet : Four électrique à arc Qualification proposée : BREVET D'INVENTION
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L'invention est relative à un procédé pour conduire un four électrique à arc comportant au moins deux électrodes.
Elle concerne également le four électrique à arc mettant en oeuvre ledit procédé.
Elle trouve sa principale application dans l'électrométallurgie et l'électrosidérurgie pour le traitement de métaux, d'alliages métalliques et de laitiers.
On connatt divers types de fours électriques à arcs de grande puissance pour l'élaboration, la fusion, le chauffage de métaux et d'alliages. Il est fait usage, normalement, d'une ou de plusieurs électrodes, en graphite ou métalliques, affleurant la surface du bain de fusion. L'arc électrique est formé d'une ou plusieurs décharges d'arc entre les électrodes, ou entre les électrodes et le bain fondu. Dans certains cas, le bain métallique est recouvert d'une épaisse couche de laitier fondu et l'effet de chauffage est obtenu par effet JOULE au sein du laitier.
Ces fours électriques à arcs connus présentent cependant les nombreux inconvénients suivants : - pertes par rayonnement ; - contamination du métal par l'atmosphère ambiante ; - attaque des réfractaires par le laitier ; et - contamination du bain de métal fondu par le laitier.
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La présente invention vise à remédier aux inconvénients susdits. Elle est relative à un procédé pour conduire un four électrique à arc comportant au moins deux électrodes, ce procédé étant essentiellement caractérisé en ce qu'on développe et entretient au sein même d'un bain de fusion, un arc électrique formé par des décharges entre lesdites électrodes enrobées latéralement d'une matière réfractaire isolante de l'électricité.
Suivant une particularité de l'invention, on amorce l'arc entre les électrodes au dehors du bain de fusion et on enfonce progressivement les électrodes entre lesquelles jaillit l'arc électrique susdit, dans la masse du bain de fusion.
Suivant une autre particularité de l'invention, on introduit dans la masse à traiter, des désoxydants, des désulfurants ou réducteurs et/ou des éléments d'alliage en vue d'assurer une ionisation correcte de l'arc, en particulier du carbure de silicium, du fluorure de calcium, de l'oxyde de calcium, du tétrachlorure de carbone et du disiliciure de calcium.
L'invention concerne également un four électrique à arc destiné à la fusion rapide, l'élaboration et l'affinage de métaux, alliages et/ou laitiers, comprenant une cuve revêtue intérieurement d'un garnissage réfractaire et d'au moins deux électrodes et mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, four essentiellement caractérisé en ce que les électrodes enrobées latéralement d'une matière réfractaire isolante de l'électricité, peuvent être immergées dans le bain de fusion.
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Suivant une particularité de l'invention, les électrodes sont disposées parallèlement les unes aux autres en étant séparées par un enrobage en matière réfractaire isolante de l'électricité. Elles peuvent être avantageusement disposées concentriquement.
Suivant une autre particularité de l'invention, l'enrobage des électrodes contient des matières susceptibles de se décomposer à haute température et de dégager du gaz en vue de favoriser l'entretien d'une poche gazeuse au sein du bain de fusion.
Dans une forme de réalisation particulière, on prévoit dans l'âme des électrodes ou leur enrobage, au moins un conduit d'amenée de gaz sous pression, de préférence de l'argon, au voisinage de l'arc.
D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description des dessins ci-annexés, qui représentent schématiquement et à titre non limitatif, une forme de réalisation du four à arc suivant l'invention.
Dans ces dessins : - la figure 1 est une coupe verticale schématique d'un four à arc à électrodes immergées ; - les figures 2 à 4 illustrent diverses configurations d'électrodes.
Dans ces figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
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Comme illustré à la figure 1, la poche 1 garnie de réfractaire contient une grande masse de métal en fusion 2. Les deux électrodes consommables 3 et 4 sont introduites profondément au sein du bain de fusion à traiter. Ces électrodes 3 et 4 sont reliées par les conducteurs 5 à un transformateur de puissance 6 lui-même connecté au réseau par le disjoncteur 7.
L'arc électrique 8 s'établit entre les extrémités des deux électrodes 3 et 4 isolées électriquement l'une de l'autre et de la masse liquide par leur enrobage 9. Ces électrodes sont normalement disposées l'une contre l'autre mais peuvent, dans certaines formes de réalisation, être écartées. Pour assurer un fonctionnement correct de l'arc 8 à l'extrémité des électrodes 3 et 4, il est nécessaire de maintenir au sein du métal liquide, une poche gazeuse provenant partiellement de la vaporisation du métal à traiter. On ajoute, éventuellement, à l'enrobage des électrodes, des matières dégageant du gaz, par exemple des carbonates. Dans une forme de réalisation différente, on amène par l'âme des électrodes 3 et 4 ou par un ou plusieurs conduits distincts 10 du gaz éventuellement sous pression au voisinage de l'arc 8.
La figure 2 montre une coupe transversale de deux électrodes parallèles 3 et 4 dont les âmes sont entourées par l'enrobage 9 lequel comporte deux conduits d'amenée de gaz 10.
La figure 3 montre une coupe transversale semblable de deux électrodes concentriques 11 et 12, l'âme 11 étant creuse de façon à permettre l'introduction d'un gaz sous pression 10. Les deux électrodes sont isolées l'une de l'autre par l'enrobage 9.
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La figure 4 montre une coupe transversale de trois électrodes 3, 4, 13 alimentées en courant alternatif triphasé, le tube 10 placé dans l'axe servant de conduit d'amenée de gaz. Les électrodes sont isolées électriquement l'une de l'autre par l'enrobage 9.
Comme déjà indiqué plus haut, l'enrobage des électrodes doit jouer un rôle d'isolant électrique, mais il peut remplir d'autres rôles, par exemple par décomposition à haute température assurer un dégagement de gaz suffisant pour entretenir la poche gazeuse au sein de laquelle l'arc se maintient, ou encore assurer une ionisation correcte de l'arc, introduire dans la masse à traiter des désoxydants, des désulfurants ou des éléments d'alliage.
EXEMPLE 1 Citonsà titre d'exemple le traitement d'une poche d'acier liquide de 120 tonnes dans laquelle on désire introduire en une dizaine de minutes 2.5 kg de disiliciure de calcium par tonne d'acier, compte tenu de sa faible densité (2. 5 gr/cm3) le disiliciure de calcium flotte à la surface du bain, il est donc nécessaire de l'introduire le plus profondément possible au sein de l'acier liquide. On fera usage, par exemple, de trois électrodes en acier d'un diamètre d'âme d'environ 30mm et d'une longueur utile d'au moins 4 mètres, ce qui pour trois électrodes représente un poids au mètre courant de 3 x 5.50 kg ou 16.5 kg d'acier, enrobées de disiliciure de calcium à raison de 75 kg/m de façon, par fusion de 4m d'électrode à apporter les 300 kg de disiliciure de calcium désirés.
Les trois âmes sont isolées l'une de l'autre par une mince couche isolante ou par dispersion du disiliciure de calcium de l'enrobage au sein d'une masse isolante et de liants appropriés. Les tensions d'arc utilisées sont fonction de l'écartement des électrodes
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et de la pression au sein du métal liquide (trois atmosphères sous 4m d'acier liquide) et sont én général supérieures à 50 volts. L'utilisation sur des électrodes de 30 mm de diamètre de courants de plus de 10 KA permet de fondre en quelques minutes les âmes et l'enrobage et surtout de compenser les pertes de chaleur de l'acier liquide.
En courant triphasé, sous une tension d'arc de 100 volts, un courant de 12 kA permet de développer une puissance de 2100 kW ou, pour une durée de fonctionnement de 10 minutes, d'apporter au sein du métal liquide une énergie égale à 350 kWh, dont moins de 150 kWh sont nécessaires à la fusion des électrodes, le solde 200 kWh ou 172000 kcal permettant de compenser, sur une charge de 120 tonnes d'acier une chute de température de 120C. L'apport de chaleur, en plus de l'énergie électro- que dissipée dans l'arc, peut être également obtenu par réaction exothermique entre l'âme constituant la ou les électrodes et une partie de l'enrobage ou par des éléments constituant l'enrobage.
Enfin, le gaz injecté dans le bain par la ou les électrodes creusas peut également agir par son caractère oxydant ou réducteur et peut servir de véhicule pour l'apport, dans le bain, doxyde de calcium, fluorure de calcium, alliages ou éléments métalliques désulfurants ou réducteurs ou encore d'éléments d'alliage.
EXEMPLE 2
Citons également à titre d'exemple l'utilisation d'un tel procédé lors d'opérations de dégazage sous vide. De nombreuses observations ont montré que lors d'une opération de dégazage sous vide, la température de l'acier liquide diminue d'environ 2 à 30C par minute pour des charges de 100 tonnes et qu'elle peut atteindre 90C par minute pour des charges de 25 tonnes.
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Au cours du dégazage d'une charge de 100 tonnes en 20 minutes on doit donc pouvoir compenser une chute de température de 40oC, c'est-à-dire apporter une énergie d'environ 500.000 kcal soit une puissance de 1700 durant 20 minutes. La mise en oeuvre d'un dispositif à trois électrodes permet, pour 19 kA et une tension d'arc de 100 volts de développer en courant triphasé environ 3200 kW dont 1700 KW pour compenser les pertes de chaleur de l'acier, le solde de 1500 kW étant largement suffisant pour assurer la fusion des électrodes et des enrobages qui peuvent contenir les ferro-alliages et désoxydants que l'on peut désirer ajouter lors de l'opération de dégazage.
Ce procédé permet d'utiliser desferroalliages d'une granulométrie supérieure à 0.3mm, ce qui en réduit le coût ainsi que le risque d'introduction de gaz toujours présents en quantités plus importantes dans les ferroalliages fins.
Si l'électrode est munie d'un chenal d'amenée de gaz on pourra utilement faire usage d'un gaz inerte tel que l'argon pour maintenir la poche gazeuse à l'extrémité des électrodes ou introduire un gaz réactif tel que CCI en vue d'éliminer l'hydrogène du métal fondu.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation et modes de mises en oeuvre décrit dans le présent mémoire et que de nombreuses modifications peuvent être apportées dans le nombre, la forme, les dimensions et la disposition des électrodes dans le four à arc suivant l'invention.