EP0768017B1 - Procede et four pour la fabrication d'un produit fondu - Google Patents

Description

La présente invention est relative à un procédé pour la fusion d'une matière solide, notamment d'une charge métallique ou céramique, dans un four électrique, dans le but de former un produit électrofondu, tel que défini dans le préambule de la revendication 1.

Un des buts essentiels de la présente invention est de proposer un procédé permettant la fabrication, d'une manière très simple et économiquement justifiée, d'un produit électrofondu à partir de matières solides très diverses conductrices d'électricité ou non.

Il s'agit plus particulièrement d'un procédé qui permet la préparation de produits électrofondus à température relativement élevée.

Dans les procédés connus du type précité, la charge de la matière solide à fondre doit de préférence être conductrice d'électricité. Si la charge est non conductrice, des précautions particulières doivent être prises pour le démarrage de la fusion, telle que l'addition de carbone ou de graphite, pour permettre la création d'un courant électrique à travers la charge.

De plus, en général ces procédés connus ne sont applicables qu'à des températures relativement basses, p.e. de l'ordre de 1500 à 1600°C, de sorte qu'ils ne conviennent pas pour le traitement de matières réfractaires.

Le document "Patent Abstracts of Japan, vol.14, n° 172 (M-958),07/04/1990 and JP-A-02025292 concerne un procédé ayant les caractéristiques décrites par le préambule de la revendication 1 mais dans lesquel le contrôle de la fabrication est relativement complexe et aléatoire.

Ainsi, l'invention vise à proposer un procédé qui permet de remédier aux inconvénients des procédés connus et pouvant convenir aussi bien pour une charge conductrice d'électricité ou non conductrice sans que pour cette dernière, des précautions particulières doivent être prises.

A cet effet, suivant l'invention, pour le démarrage de la fusion, on met lesdites extrémités des électrodes en contact avec ladite matière solide à fondre, en les rapprochant suffisamment l'une de l'autre pour pouvoir créer entre ces électrodes un courant électrique, de manière à pouvoir fondre la matière solide se trouvant à proximité des extrémités des électrodes et l'on écarte ensuite graduellement les extrémités l'une de l'autre au fur et à mesure de la progression de la fusion de la matière solide, tout en les maintenant en contact avec cette matière et en veillant à ce que le passage du courant électrique entre les électrodes et à travers la partie fondue de la charge se formant entre celles-ci persiste.

L'invention concerne également un four électrique pour la préparation d'un produit électrofondu, notamment pour la mise en oeuvre du procédé précité, comprenant un creuset, au moins deux électrodes s'étendant à travers la paroi latérale du four et des moyens pour créer entre les extrémités libres de ces électrodes un courant électrique, les électrodes étant inclinées l'une par rapport à l'autre et mobiles l'une par rapport à l'autre entre une position rapprochée, où leurs extrémités libres sont éventuellement en contact l'une avec l'autre, et une position écartée, où ces extrémités se trouvent à une certaine distance l'une de l'autre, tout en étant en contact avec la charge à fondre, des moyens étant prévus pour permettre de déplacer ces extrémités d'une manière sensiblement continue entre ces deux positions.

Un tel four est par exemple connu du document FR-A-483 147.

Le four selon l'invention est caractérisé en ce que les électrodes sont montées chacune sur un support, le montage étant à basculement autour d'un point extérieur au four écarté de la paroi latérale de ce dernier et à translation suivant leur axe respectif et en ce que les électrodes s'étendent librement à travers la paroi latérale, chacune dans une ouverture respective prévue dans cette dernière dont la section est telle à former autour de l'électrode respective un passage annulaire correspondant, l'angle (α) formé entre les axes de ces électrodes pouvant varier entre 15° et 165°, le creuset étant fermé à sa partie supérieure par une voûte dans laquelle est prévue une ouverture pour introduire la charge dans le creuset..

D'autres détails et particularités de l'invention resortiront de la description donnée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, d'une forme de réalisation particulière du procédé et du four suivant l'invention avec référence aux figures annexées.

La figure 1 est une vue schématique d'une coupe verticale d'un four suivant cette forme de réalisation particulière.

La figure 2 est une vue suivant la ligne II-II de la figure 1.

La figure 3 est une représentation schématique du circuit d'alimentation des électrodes.

Dans les différentes figures les mêmes chiffres de référence concernent des éléments identiques.

L'invention concerne, d'une façon générale, un procédé pour la fusion d'une matière solide qui peut être de nature très variée, mais qui est plus particulièrement formée par une charge de produits réfractaires destinés à être soumis à une oxydation, dans le but de former un produit réfractaire électrofondu.

La fusion a lieu dans un four électrique comprenant au moins deux électrodes entre les extrémités libres desquelles peut être créé un courant électrique fournissant l'énergie nécessaire pour ladite fusion.

Surtout, lorsque la charge à fondre est non ou peu conductrice d'électricité, comme c'est par exemple le cas pour des matériaux céramiques solides, lors du démarrage de la fusion, on met lesdites extrémités des électrodes en contact l'une avec l'autre et avec ladite matière solide à fondre. A ce moment, on crée entre ces électrodes un arc électrique de manière à obtenir l'échauffement de la matière solide se trouvant à proximité des extrémités des électrodes et ainsi pouvoir fondre cette dernière.

Ensuite, on écarte graduellement ces extrémités l'une de l'autre au fur et à mesure de la progression de la fusion de la matière solide, tout en maintenant ces électrodes en contact avec la matière solide et en veillant à ce que le courant électrique puisse subsister entre les électrodes et à travers la partie fondue de la charge se formant entre celles-ci. Dans cette étape du procédé, l'échauffement est essentiellement dû à l'effet Joule de la résistance opposée par la charge, dans laquelle les électrodes sont partiellement immergées, au passage du courant électrique. Il est, en effet, ainsi qu'une matière solide qui est non conductrice d'électricité devient généralement conductrice d'électricité lorsque celle-ci est amenée à l'état liquide.

Si la matière à fondre est suffisamment conductrice d'électricité et est, par exemple, formée d'une charge métallique, il n'est pas indispensable que, pour le démarrage, les extrémités des électrodes soient en contact l'une avec l'autre, mais il suffit de les rapprocher suffisamment l'une de l'autre pour pouvoir créer entre celles-ci un courant électrique. L'échauffement obtenu est ainsi dû, en partie à la chaleur des arcs jaillis au sein de la matière solide et, en partie, à l'effet Joule de la résistance opposée par la charge, dans laquelle les électrodes sont partiellement immergées, au passage du courant électrique.

Il résulte de ce qui précède que les positions rapprochée et écartée peuvent varier suivant la nature de la charge à fondre. Ainsi, par exemple, pour des charges non conductrices d'électricité, dans la position rapprochée, les électrodes se touchent pratiquement ou sont très près l'une de l'autre de manière à pouvoir créer un arc entre leurs extrémités en regard, alors que ceci n'est pas nécessairement le cas pour une charge conductrice.

Il en est de même pour la position écartée qui peut également dépendre de la conductivité de la charge fondue et de la puissance de l'installation électrique. Cette position écartée correspond en fait à celle dans laquelle le rendement est optimal.

Par ailleurs, suivant l'invention, afin d'homogénéiser la matière ainsi fondue, on crée dans cette dernière un brassage par convection avant de l'évacuer. Ce brassage est avantageusement créé en rapprochant à nouveau les électrodes l'une de l'autre pendant un certain temps après que toute la matière soit fondue.

Les figures annexées concernent un four électrique pour la fabrication d'un produit électrofondu et notamment pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus.

Il s'agit d'un four du type utilisant le système à électrodes immergées.

Ce four comprend un creuset 1 fermé à sa partie supérieure par une voûte 2 dans laquelle est prévue une ouverture 3 pour introduire la charge à fondre dans le creuset 1.

Deux électrodes 4 et 5, inclinées l'une par rapport à l'autre, sont montées chacune sur un support 6 isolé électriquement et se situent latéralement par rapport au creuset 1, de part et d'autre de ce dernier, et ceci d'une manière telle à pouvoir subir une translation entre une position rapprochée, où leurs extrémités libres sont éventuellement en contact l'une avec l'autre, et une position écartée, où ces extrémités se trouvent à une certaine distance l'une de l'autre. A cet égard, les électrodes pénètrent librement dans des ouvertures prévues dans les parois latérales 1' du creuset 1 et dont la section est telle à former un passage annulaire 19 permettant l'entrée d'air dans le four et le basculement des électrodes. Généralement, l'angle α formé entre les axes des électrodes peut varier entre 15° et 165°.

Le basculement a avantageusement lieu autour d'un point 28 extérieur au four et suffisamment écarté de la paroi 1' de ce dernier, de manière à obtenir un bras de basculement aussi grand que possible des électrodes 4 et 5 dans le four et ainsi un contrôle parfait de l'évolution de la fusion indépendamment de la quantité de matière mise en oeuvre. Ce point de basculement 28 se situe en pratique sur le support 6.

Plus particulièrement, chaque support 6 comprend une base 7 sur laquelle est fixée une colonne 8 à l'extrémité supérieure de laquelle, formant le point de basculement 28, est articulé un berceau 9 dans lequel une électrode peut être fixée d'une manière amovible par des cerceaux 10. De plus, un volant de règlage 11 motorisé ou non est prévu au berceau 9 permettant de soumettre les électrodes à une translation dans le sens des flèches 12 et ainsi de faire varier l'écartement entre les extrémités libres 13 des électrodes 4 et 5 à l'intérieur du creuset 1. Cet écartement peut également être réglé par un basculement des électrodes autour du point 28, comme déjà indiqué ci-dessus.

Le fond du creuset 1 présente une paroi extérieure cylindrique 15 avec laquelle il repose, par l'intermédiaire de galets 16, sur un socle 14, ces galets pouvant se déplacer dans des rails 17 prévus sur cette paroi cylindrique 15.

Enfin, un trou de coulée 18 est ménagé dans la paroi latérale du creuset 1, sensiblement à mi-hauteur de celui-ci.

Ainsi, pour vider le creuset on le fait basculer sur son socle 14 dans le sens de la flèche 26, comme montré à la figure 2.

Le fait que les électrodes 4 et 5 s'étendent complètement librement à travers les parois 1' du four, en formant aucun contact avec ces dernières constitue une caractéristique très importante qui distingue ce four des fours connus d'électrofusion.

En effet, dans ces fours connus, les électrodes sont généralement montées dans les parois de ce dernier et sont suspendues à basculement dans des dispositifs relativement complexes soumis à des températures élevées pour lesquels, par conséquent, des précautions très importantes doivent être prises, notamment pour la protection des électrodes contre ces températures élevées. La présence de tels dispositifs est d'ailleurs souvent la raison pour laquelle ces fours connus ne peuvent travailler qu'à des températures de l'ordre de 1600°C.

Par contre, grâce au fait que dans le four, suivant l'invention, un passage annulaire 19 suffisamment important est prévu autour des électrodes permettant ainsi une circulation d'air froid autour de ces dernières à travers ce passage et que, de plus, elles sont montées chacune sur un support latéral 6 assez éloigné des parois 1', aucune précaution particulière ne doit être prise pour la protection de ces électrodes et de leur support vis-à-vis des températures élevées règnant dans le creuset.

Ceci a comme conséquence qu'il est possible de travailler à des températures supérieures à 2500°C et donc de soumettre des produits réfractaires à un traitement d'électrofusion.

La figure 3, qui montre schématiquement le circuit d'alimentation électrique des électrodes 4 et 5, est raccordé, en 29, au réseau d'une manière traditionnelle par l'intermédiaire d'un disjoncteur, non représenté, et comprend une bobine d'auto-induction 20 pouvant être branchée en série avec les électrodes 4 et 5 lorsque ces dernières sont dans leur position rapprochée précitée.

Un interrupteur 21 est prévu pour court-circuiter cette bobine 20 lorsque les électrodes 4 et 5 sont dans leur position écartée précitée.

Ce circuit comprend en outre un transformateur 27 permettant d'appliquer la tension aux bornes des électrodes et d'assurer la densité du courant nécessaire pour créer la fusion. Il peut, plus particulièrement, s'agir d'un tranformateur classique à rapport de tension fixe, p.e. 220V/11000V.

Enfin, un interrupteur principal 22 permet de fermer le circuit électrique et ainsi de mettre les électrodes 4 et 5 sous tension.

Ainsi, lors du démarrage, on ferme d'abord l'interrupteur 22 en veillant à ce que l'interrupteur 21 est dans sa position ouverte et que les électrodes 4 et 5 sont immergées par leurs extrémités libres dans la charge à fondre ou au moins en contact avec celle-ci, tout en étant dans leur position rapprochée.

Une fois qu'une certaine quantité 24 de la matière solide 23 est fondue, on écarte graduellement les électrodes 4 et 5 l'une de l'autre et on ferme l'interrupteur 21 de manière à court-circuiter la bobine d'auto-induction 20.

Au fur et à mesure de la progression de la fusion, on augmente l'écartement des électrodes et ceci en prenant soin que la densité du courant entre les électrodes traversant la partie fondue 24 reste suffisamment importante pour créer l'échauffement nécessaire à la fusion progressive de la matière solide voisinante 23.

Au moment où toute la matière solide est fondue, on rapproche avantageusement à nouveau les électrodes 4 et 5 l'une de l'autre, de préférence à une distance suffisamment grande en-dessous du niveau de cette matière fondue, et, si nécessaire, on ouvre l'interrupteur 21 pour éviter des courants électriques trop élevés dans le circuit. Ceci a comme conséquence une concentration relativement importante d'énergie en un volume réduit au sein de la matière fondue créant une augmentation locale de la température dans cette dernière. Il en résulte ainsi, par suite de courants de convection produits, un brassage important de cette matière fondue permettant d'obtenir une masse sensiblement homogène de haute qualité.

Ci-après sont donnés des exemples concrets permettant d'illustrer l'application du procédé suivant l'invention dans le four, tel que décrit ci-dessus et montré aux dessins annexés.

Exemples.

On a introduit dans le four une charge de 1500 kg qui présentait la composition suivante : 33 % d'oxyde de zirconium, 50 % d'oxyde d'aluminium, 14 % d'oxyde de silicium et 3 % de sel alcalin formé de bicarbonate de sodium, tandis que sa granulométrie moyenne variait de 0,5 mm à 15 cm (diamètre).

Dans un premier temps, on a amené les extrémités libres 13 des deux électrodes 4 et 5, qui, pour ce cas particulier, étaient en graphite, l'une près l'autre au niveau de la masse solide introduite préalablement dans le creuset 1 et on a recouvert partiellement les extrémités libres 13 de ces dernières avec une partie de la charge, de manière à ce qu'elles soient immergées.

Ensuite, on a fermé l'interrupteur 22 en veillant à ce que l'interrupteur 21 soit dans sa position ouverte et un arc électrique s'est formé entre les électrodes 4 et 5.

L'énergie aux électrodes était de l'ordre de 300kW. Après environ 5 minutes, on a obtenu une quantité de la charge fondue 24 autour des extrémités 13 des électrodes 4 et 5 suffissante pour permettre de court-circuiter la bobine d'auto-induction 20 et on a, par conséquent, fermé l'interrupteur 21 en écartant en même temps graduellement les électrodes l'une de l'autre.

Cette masse liquide 24 étant conductrice d'électricité, le courant électrique se propageait donc entre ces électrodes 4 et 5 à travers la partie fondue 24 de la charge. La durée totale de la fusion était de l'ordre de 45 minutes, tandis que la température était aux environs de 2250°C.

La chaleur ainsi produite était suffisante pour permettre de faire fondre graduellement la charge pendant que l'on continuait à augmenter la distance entre les électrodes et ceci jusqu'à ce que la charge complète soit fondue.

D'autres types de charges ont été traités dans ce four d'une façon analogue.

Il s'agissait notamment d'une charge de 50 % de fer et 50 % de cobalt, d'une charge de 95 % d'oxyde d'aluminium et de 5 % de sel alcalin d'une charge de 50 % de cobalt et de 50 % de nickel d'une charge de bronze, d'une charge de laiton, etc....

Un autre exemple important concerne la fusion de groisils, tel que du verre de récupération.

Dans ce cas on a p.e. fait usage d'électrodes en molybdène ou en graphite.

Ces groisils ont été mis en fusion dans le four tel que décrit ci-dessus et montré aux figures annexées, ensemble avec des déchets d'incinération contenant éventuellement des métaux lourds. Il s'agissait plus particulièrement de déchets subsistant à l'état solide dans des incinérateurs de détritus.

Par suite de cette fusion, on a obtenu un produit vitreux dans lequel étaient incorporés lesdits métaux lourds et qui pouvait servir comme matière de base pour la fabrication de billes suivant des techniques connues en soi, dans le but de rendre inerte des métaux lourds.

Avantageusement, cette fusion a été réalisée en continu en maintenant le creuset 1 dans une position inclinée d'une manière telle que la masse vitreuse fondue pouvait s'écouler par débordement à travers le trou de coulée 18 au fur et à mesure de la progression de la fusion pendant qu'en même temps on ajoutait la charge à fondre dans le creuset par l'ouverture 3 dans la voûte du four.

Ce procédé continu a également été appliqué sur tout autre type de charge à fondre.

Le procédé suivant l'invention, tel que décrit ci-dessus, et le four électrique pour la mise en oeuvre de ce procédé présentent l'avantage qu'aucune précaution particulière ne doive être prise lors du démarrage ou de l'arrêt du four.

Ainsi, il est par exemple possible de laisser solidifier une partie de la charge non conductrice dans le four pour autant que l'on veille à ce que les électrodes 4 et 5 soient amenées dans leur position écartée au-dessus du bain avant cette solidification pour permettre le démarrage, tel que décrit ci-dessus. Si la charge est conductrice d'électricité cette précaution ne doit pas être prise.

Par ailleurs, on peut régler les conditions de travail du four de manière à maintenir le long des parois du creuset une certaine couche de produit électrofondu 25 constituant donc une protection permanente des parois intérieures du creuset 1.

Le four peut travailler aussi bien en courant continu qu'en courant monophasé qu'en courant triphasé.

Enfin, avantageusement, le montage des électrodes 4 et 5 par rapport au creuset 1 est tel qu'il soit possible de régler leur angle d'incidence a par rapport au niveau de la charge à fondre. De cette façon, on veille à ce que les électrodes puissent également subir un certain basculement sur la colonne 8 du support 6 avec une amplitude relativement importante, surtout grâce au fait que le point de basculement est éloigné de la paroi du four.

Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation particulière décrite ci-dessus et que bien de variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention.

C'est ainsi que l'on peut faire usage de tout type d'électrode utilisée dans les fours électriques connus comprenant un système à électrodes immergées et que la construction du support 6 pour les électrodes peut être de conceptions très diverses.

Pour ce qui concerne la charge à fondre, non seulement sa composition peut être très variable, mais également sa granulométrie. Il peut notamment s'agir aussi bien de poudre que de blocs présentant des diamètres de plusieurs dizaines de centimètres.

Claims (8)

1. Procédé pour la fusion d'une matière solide (23), notamment d'une charge métallique ou céramique, dans un four électrique, dans le but de former un produit électrofondu, ce four comprenant au moins deux électrodes (4, 5) entre les extrémités libres (13) desquelles peut être créé un courant électrique, notamment un arc électrique, lesdites extrémités (13) des électrodes (4, 5) étant mises en contact avec ladite matière solide à fondre (23) en les rapprochant suffisamment l'une de l'autre pour le démarrage de la fusion afin de créer entre ces électrodes (4, 5) un courant électrique, éventuellement sous forme d'un arc, de manière à fondre la matière solide (23) se trouvant à proximité des extrémités (13) des électrodes (4, 5), ce courant traversant ensuite également la partie fondue de la charge se formant entre celles-ci, les extrémités (13) étant ensuite écartées l'une de l'autre, ce procédé étant caractérisé en ce que l'écartement des extrémités (13) est réalisé graduellement au fur et à mesure de la progression de la fusion de la matière solide (23), tout en les maintenant en contact avec cette matière (23) et en veillant à ce que le passage du courant entre les électrodes (4, 5) et à travers la partie fondue de la charge se formant entre celles-ci persiste.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on amène, lors de la fusion, graduellement la charge à fondre à proximité des électrodes (4, 5) et notamment entre ces dernières pendant que simultanément on évacue de la matière fondue (24), de manière à réaliser ainsi un procédé sensiblement continu.
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on réalise la fusion en milieu oxydant.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on crée un brassage, par convection, de la matière fondue avant de l'évacuer.
5. Four électrique pour la préparation d'un produit électrofondu par la fusion de charges de matières solides (23), notamment de charges métalliques ou céramiques, plus particulièrement pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un creuset (1), au moins deux électrodes (4) et (5) s'étendant à travers la paroi latérale (1') du four et des moyens (20,21,22) pour créer entre les extrémités libres (13) de ces électrodes (4) et (5) un courant électrique, les électrodes (4) et (5) étant inclinées l'une par rapport à l'autre et mobiles l'une par rapport à l'autre entre une position rapprochée, où leurs extrémités libres (13) sont éventuellement en contact l'une avec l'autre, et une position écartée, où ces extrémités (13) se trouvent à une certaine distance l'une de l'autre, tout en étant en contact avec la charge à fondre (23), des moyens (9,10,11) étant prévus pour permettre de déplacer ces extrémités (13) d'une manière sensiblement continue entre ces deux positions, ce four étant caractérisé en ce que les électrodes (4) et (5) sont montées chacune sur un support (6), le montage étant à basculement autour d'un point extérieur (28) au four écarté de la paroi latérale (1') de ce dernier et à translation suivant leur axe respectif et en ce que les électrodes s'étendent librement à travers la paroi latérale (1'), chacune dans une ouverture respective prévue dans cette dernière dont la section est telle à former autour de l'électrode respective (4;5) un passage annulaire correspondant (19), l'angle (α) formé entre les axes de ces électrodes (4) et (5) pouvant varier entre 15° et 165°, le creuset (1) étant fermé à sa partie supérieure par une voûte (2) dans laquelle est prévue une ouverture (3) pour introduire la charge (23) dans le creuset (1).
6. Four suivant la revendication 5, caractérisé en ce que chaque support (6) est isolé électriquement et comprend une base (7) sur laquelle est fixée une colonne (8) à l'extrémité supérieure de laquelle, formant le point de basculement (28), est articulé un berceau (9) dans lequel une des électrodes (4, 5) est fixée d'une manière amovible, de manière à permettre de soumettre cette électrode à une translation et un basculement et ainsi de faire varier l'écartement entre les extrémités libres 13 des électrodes (4, 5).
7. Four suivant l'une ou l'autre des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation électrique des électrodes (4) et (5) comprend une bobine d'auto-induction (20) pouvant être branchée en série avec les électrodes (4) et (5) lorsque ces demières sont dans leur position rapprochée précitée, cette bobine (20) pouvant être court-circuitée lorsque les électrodes (4) et (5) sont dans leur position écartée.
8. Four suivant l'une quelconque des revendication 5 à 7, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour maintenir, lors de la fusion de la charge, le creuset (1) dans une position inclinée, d'une manière telle à permettre une évacuation sensiblement continue de la matière fondue obtenue pendant que l'on introduit graduellement de la matière à fondre dans le creuset (1).

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