FR2512311A1 - Electrode for mfg. metals in arc melting furnace etc. - consists of bundle of graphite bars sepd. from each other by ionisable dopant and providing stable arc - Google Patents
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Abstract
Description
ELECTRODE POUR L'ELABORATION DES METAUX DANS UN FOUR ELECTRIQUE
A ARC OU RECIPIENT ANALOGUE.ELECTRODE FOR THE PREPARATION OF METALS IN AN ELECTRIC OVEN
WITH ARC OR SIMILAR CONTAINER.
L'invention a trait à l'élaboration des métaux, notamment de l'acier, dans un four électrique à arc. Elle s'applique en fait à tout récipient métallurgique, four à arc ou autre, équipé d'une ou plusieurs électrodes servant à apporter à la charge métallique l'énergie nécessaire à son élaboration sous la forme d'un arc électrique qui s'établit entre cette charge et l'électrode. The invention relates to the production of metals, in particular steel, in an electric arc furnace. It applies in fact to any metallurgical container, arc furnace or other, equipped with one or more electrodes serving to provide the metallic charge with the energy necessary for its development in the form of an electric arc which is established between this charge and the electrode.
On sait que les électrodes de ce type sont des corps électroconducteurs, généralement massifs et en graphite, de forme cylindrique et que l'on dispose verticalement dans le four L'extrémité supérieure, qui dépasse du four, est connectée à une alimentation électrique, alors que l'autre extrémité (dite "active"), étant placee au voisinage de la charge métallique, devient, lorsque les conditions adéquates sont satisfaites, le siège d'un arc électrique qui s'établit dans le milieu gazeux séparant l'électrode de la charge à élaborer. It is known that electrodes of this type are electroconductive bodies, generally massive and made of graphite, of cylindrical shape and that are placed vertically in the oven. The upper end, which protrudes from the oven, is connected to a power supply, so that the other end (called "active"), being placed in the vicinity of the metallic charge, becomes, when the adequate conditions are satisfied, the seat of an electric arc which is established in the gaseous medium separating the electrode from the charge to be developed.
La pratique montre cependant qu'il est difficile, "oire impossible de maîtriser parfaitement l'arc tant les conditions de fonctionnenlent du four sont changeantes voire aléatoires et il n'est pas exagéré de dire que les difficultés liées à l'instabilité de l'arc sont depuis longtemps un sujet de preoccupation des spécialistes du monde entier
I1 est utile de rappeler à cet égard que les conséquences principales de l'instabilité de l'arc se font sentir à plusieurs niveaux : limitation de la puissance réelle utilisable ; accroissement du traail de la régulation qui souvent contribue à augmenter la consommation des électrodes, nuisance sonore à laquelle les responsables, soucieux des conditions de travail de leur personnel, ne restent pas insensibles.Practice shows, however, that it is difficult, "impossible to master the arc perfectly as the operating conditions of the oven are changeable or even random and it is not an exaggeration to say that the difficulties linked to the instability of the arc have long been a concern of specialists around the world
It is useful to recall in this respect that the main consequences of the instability of the arc are felt on several levels: limitation of the real usable power; increased work on regulation, which often contributes to increasing the consumption of electrodes, a noise nuisance to which managers, concerned about the working conditions of their staff, are not unmoved.
Différentes solutions ont déjà éte proposées pour améliorer la stabilité de l'arc. Various solutions have already been proposed to improve the stability of the arc.
L'une d'entre elles consiste à superposer à l'alimentation électrique de puissance à fréquence industrielle (50 ou 60 Hz), une tension haute fréquence (50 kHz, par exemple) de maniée à former une étincelle quasipermanente, dite "étincelle pilote" qui maintient le milieu gazeux où jaillit l'arc dans un état ionisé pratiquement ininterrompu (BF 2.432.816). One of them consists in superimposing on the power supply of power at industrial frequency (50 or 60 Hz), a high frequency voltage (50 kHz, for example) so as to form a quasi-permanent spark, called "pilot spark". "which maintains the gaseous medium where the arc shoots out in a practically uninterrupted ionized state (BF 2,432,816).
Une autre solution, plus ancienne, consiste à modifier la nature chimique du milieu gazeux localisé dans la région d'établissement de l'arc, c'est à dire approximativement dans le prolongement de l'électrode, en insufflant au travers de cette dernière, préalablement percée axialement à cet effet, un gaz plus facilement ionisable que l'atmosphère habituelle dans le four. Another, older solution consists in modifying the chemical nature of the gaseous medium located in the region in which the arc is established, that is to say approximately in the extension of the electrode, by blowing through the latter, previously pierced axially for this purpose, a gas more easily ionizable than the usual atmosphere in the oven.
Cependant, cette pratique n'est pas dénuée d'inconvénients, notamment du fait qu'elle nécessite une adaptation de l'installation pour la mise en place des moyens d'insufflation. En outre, des impératifs métallurgiques tenant à la qualité du métal élaboré restreignent le choix des gaz possibles à un eventail assez étroit (azote, gaz rares ...) qui n'est pas le plus heureux au plan économique et dont l'efficacité réelle demeure limitée. However, this practice is not without drawbacks, in particular because it requires an adaptation of the installation for the installation of insufflation means. In addition, metallurgical imperatives relating to the quality of the metal produced restrict the choice of possible gases to a fairly narrow range (nitrogen, rare gases, etc.) which is not the most economically happy and whose real efficiency remains limited.
Un autre solution, relativement récente (BF 2.442.567) s'affranchit des inconvénients précités grâce à une électrode, également percée axialement, mais dont la cavité centrale est remplie, de fabrication, par des sels minéraux aisément ionisables. Une électrode composite de ce type, habituellement dénommée électrode à "mèche dopante", représente indéniablement un progrès notable en particulier par le fait que, au point de vue de l'utilisation, elle ne se distingue plus des électrodes massives traditionnelles. Another relatively recent solution (BF 2,442,567) overcomes the aforementioned drawbacks thanks to an electrode, also axially pierced, but the central cavity of which is filled, during manufacture, with easily ionizable mineral salts. A composite electrode of this type, usually referred to as a "doping wick" electrode, undeniably represents significant progress in particular by the fact that, from the point of view of use, it is no longer distinguished from traditional solid electrodes.
Pour être plus complet, il convient de préciser que, sur le plan economique cependant, une telle électrode suppose une plus-value sensible apportée notamment par la presence de matière dopante généralement assez onéreuse. To be more complete, it should be pointed out that, from an economic point of view, however, such an electrode supposes a significant added value provided in particular by the presence of doping material which is generally quite expensive.
Les inventeurs viennent de découvrir, non sans surprise, que, dans la mesure où certaines conditions, qui seront précisees par la suite, sont respectees, l'effet bénéfique des electrodes " mèches dopantes" sur la stabilité de l'arc s'avère, en fait, lié pour partie seulement à la matière dopante et pour le reste aux cavités elles-memes qui contiennent cette matière. Pour fixer les idées, on peut dire que les contributions respectives sont à peu près de niveau égal, de sorte que l'influence propre des cavites, loin d'être négligeable, intervient au premier ordre, au même titre que la matière dopante elle-meme. The inventors have just discovered, not without surprise, that, in so far as certain conditions, which will be specified later, are respected, the beneficial effect of the "doping wicks" electrodes on the stability of the arc proves, in fact, partly linked only to the doping material and for the rest to the cavities themselves which contain this material. To fix the ideas, we can say that the respective contributions are roughly of equal level, so that the proper influence of the cavities, far from being negligible, intervenes in the first order, in the same way as the doping matter itself. even.
On saisit immediatement l'intérêt pratique de cette découverte, puisqu'on doit pouvoir, à partir de là, améliorer sensiblement la stabilité de l'arc par rapport à une électrode massive classique et ceci de façon plus économique qu'avec une électrode composite à "mèche dopante". We immediately grasp the practical interest of this discovery, since we must be able, from there, to significantly improve the stability of the arc compared to a conventional solid electrode and this more economically than with a composite electrode with "doping wick".
Autrement dit, une telle dëcouverte révèle qu'en fait, il existe entre les deux extrêmes connus, à savoir l'électrode massive et l'électrode composite, une grande variété de possibilites selon l'importance relative que I'on accorde à la stabilite de l'arc ou, au contraire, au critère économique. In other words, such a discovery reveals that in fact, there exists between the two known extremes, namely the massive electrode and the composite electrode, a great variety of possibilities depending on the relative importance that is given to stability. of the arc or, on the contrary, to the economic criterion.
L'invention, issue de cette découverte, a ainsi pour objet une elec- trode pour l'élaboration des métaux dans un four à arc ou récipients métallurgiques analogues, caractérisée en ce qu'elle est constituée essentiellement par un faisceau de barres parallèles, en matière electroconductri ce, notamment en graphite, réunies en contact mutuel et définissant entre elles des espaces longitudinaux repartis, de préférence le plus uniformement possible, dans toute la section de l'électrode. The invention, resulting from this discovery, thus relates to an electrode for the production of metals in an arc furnace or similar metallurgical vessels, characterized in that it consists essentially of a bundle of parallel bars, in electroconductive material, in particular graphite, brought together in mutual contact and defining between them longitudinal spaces distributed, preferably as uniformly as possible, throughout the section of the electrode.
Selon une réalisation, la cohésion du faisceau est assuree par une enveloppe maintenant les barres serrées entre elles. According to one embodiment, the cohesion of the beam is ensured by an envelope keeping the bars clamped together.
Selon une variante, la section des barres est polygonale, par exemple triangulaire, carrée ou hexagonale, auquel cas les espaces longitudinaux peuvent être initialement occupés par une matière quelconque, mais facilement thermodégradable. Cette matière peut avantageusement être conditionnée elle-même sous forme de barres identiques-aux barres principales électroconductrices, moyennant quoi l'électrode selon l'invention se présente en un faisceau compact de barres parallèles composites, les barres facilement thermodégradables étant disposées de telle façon que leur disparition ultérieure donne naissance à un réseau d'espaces longitudinaux repartis, et de préférence, répartis le plus uniformément possible, dans la section de l'électrode. According to a variant, the section of the bars is polygonal, for example triangular, square or hexagonal, in which case the longitudinal spaces can be initially occupied by any material, but easily thermodegradable. This material can advantageously be packaged itself in the form of bars identical to the main electroconductive bars, whereby the electrode according to the invention is in a compact bundle of parallel composite bars, the easily thermodegradable bars being arranged in such a way that their subsequent disappearance gives rise to a network of longitudinal spaces distributed, and preferably distributed as uniformly as possible, in the section of the electrode.
Ainsi qu'on l'aura dejà compris, les conditions préalablement évoquees comme nécessaires à l'obtention d'un effet de stabilisation de l'arc propre aux espaces, ou évidements, ménagés dans l'électrode, (de fabrication ou apparaissant en cours d'usage selon la variante retenue), consistent en ce que ces derniers, ou tout au moins leurs orifices sur l'extrémité active de l'électrode, doivent deboucher à la surface de cette extrémité en formant un réseau d'orifices repartis sur ladite surface,-et de préférence répartis le plus uniformément possible. As will already be understood, the conditions previously mentioned as necessary for obtaining a stabilization effect of the arc specific to the spaces, or recesses, formed in the electrode, (during manufacture or appearing in progress according to the variant chosen), consist of the fact that the latter, or at least their orifices on the active end of the electrode, must lead to the surface of this end by forming a network of orifices distributed over said surface, and preferably distributed as uniformly as possible.
Des essais ont montré en effet que
- des électrodes à évidements localises dans la région centrale seulement ne procuraient pas d'amélioration sensible de la stabilité de l'arc, et ceci quelque soit le nombre des évidements et/ou que ces evidements soient ou non remplis de matière dopante.Tests have shown that
- Electrodes with recesses located in the central region only did not provide a significant improvement in the stability of the arc, regardless of the number of recesses and / or whether or not these recesses are filled with doping material.
- mais, la conjugaison d'évidements groupés au centre avec une couronne d'évidements annulaires à la périphérie de la surface active de l'électrode, permettait d'obtenir une amélioration nette de la stabilité de l'arc,
- enfin, une amélioration plus sensible encore a eté obtenue grâce à une répartition des évidements selon une distribution uniforme dans toute la section droite de l'électrode.- but, the combination of recesses grouped in the center with a ring of annular recesses at the periphery of the active surface of the electrode, made it possible to obtain a marked improvement in the stability of the arc,
- Finally, an even more significant improvement has been obtained thanks to a distribution of the recesses according to a uniform distribution throughout the cross section of the electrode.
Le paramètre choisi pour apprécier la stabilité de l'arc repose sur la mesure des fluctuations de la puissance électrique instantanée des trois arcs (four équipe de trois électrodes). L'indicateur retenu à cet égard a été le rapport entre la valeur efficace de la puissance instantanée totale dans une bande de fréquence allant de 1 Hz à 1 kHz et la valeur efficace de la puissance instantanée totale allant du continu (fréquence nulle) à 10 kHz. The parameter chosen to assess the stability of the arc is based on the measurement of the fluctuations of the instantaneous electric power of the three arcs (oven equipped with three electrodes). The indicator retained in this regard was the ratio between the effective value of the total instantaneous power in a frequency band going from 1 Hz to 1 kHz and the effective value of the total instantaneous power going from the continuous (zero frequency) to 10 kHz.
Cet indice, qui traduit les fluctuations de puissance caractérisant l'instabilité de l'arc, passe d'une valeur de 0,20 environ pour une électrode pleine classique à 0,14-0,15 environ pour une électrode à évidements uniformément répartis. This index, which translates the power fluctuations characterizing the instability of the arc, goes from a value of approximately 0.20 for a conventional solid electrode to approximately 0.14-0.15 for an electrode with uniformly distributed recesses.
A noter, à titre-indicatif, que la valeur de l'indice atteint pratiquement 0,10 lorsque ces évidements sont occupés par de la matière dopante. It should be noted, by way of indication, that the value of the index reaches practically 0.10 when these recesses are occupied by doping material.
A l'heure actuelle, plusieurs hypothèses explicatives des phénomènes observés peuvent etre emises, sans que l'on puisse cependant en retenir une avec un degré de certitude suffisant. Il semblerait, toutefois, qu'une origine possible puisse être recherchée au travers d'un effet de concentration de la densité de courant électrique analogue à l'effet dit "ae pointe" bien connu en électrostatique et qui interviendrait ici pour localiser l'arc sur les portions de surface de l'extrémité active de l'électrode laissées disponibles en dehors des évidements. At the present time, several explanatory hypotheses for the observed phenomena can be put forward, without however one being able to retain one with a sufficient degree of certainty. It would seem, however, that a possible origin could be sought through an effect of concentration of the density of electric current analogous to the so-called "tip effect" well known in electrostatic and which would intervene here to locate the arc on the surface portions of the active end of the electrode left available outside the recesses.
Une autre tentative d'explication se base sur des micro-climats favorisés par les cavités et dans lesquelles l'état ionisé du milieu gazeux conserverait une certaine pérennité. Another attempt at explanation is based on micro-climates favored by cavities and in which the ionized state of the gaseous medium retains a certain durability.
Il est possible, et même probable, qu'en réalité, les deux causes qui viennent d'être énoncées jouent conjointement. It is possible, and even probable, that in reality, the two causes which have just been stated play together.
On va maintement décrire quelques réalisations de l'électrode selon l'invention, de façon non limitative et en se référant a la planche de dessins annexée sur laquelle
- la figure 1 est une vue en perspective partiellement arrachée.We will now describe some embodiments of the electrode according to the invention, without limitation and with reference to the accompanying drawing sheet on which
- Figure 1 is a partially broken away perspective view.
- les figures 2 et 3 sont des vues en section partielle de deux variantes de réalisation avec barres polygonales. - Figures 2 and 3 are views in partial section of two alternative embodiments with polygonal bars.
Comme on le voit clairement sur la figure 1, l'électrode est essen tellement constituée par un faisceau de barres parallèles en graphite 1, réunies en contact mutuel de maniée à définir entre elles des espaces longitudinaux 2 répartis dans toutes la section de ]'électrode et qui viennent déboucher sur la surface active 3 de celle-ci. As can be clearly seen in FIG. 1, the electrode is essentially constituted by a bundle of parallel graphite bars 1, brought together in mutual contact so as to define between them longitudinal spaces 2 distributed throughout the section of the electrode and which come out on the active surface 3 thereof.
Uans l'exemple décrit, une enveloppe en graphite 4 assure la cohésion du faisceau. bien entendu d'autres dispositions peuvent être prévues pour remplir cette fonction, par exemple un frettage par plusieurs bagues se succedant le long de l'électrode. In the example described, a graphite envelope 4 ensures the cohesion of the beam. other arrangements can of course be provided to fulfill this function, for example hooping by several rings succeeding each other along the electrode.
Une autre façon a'assurer cette cohésion consiste à remplir, lors de la fabrication de l'électrode, les évidements 2 par une matière liante qui soit facilement thermodëgradable de maniere à disparaitre lorsque l'electrode est en cours d'utilisation dans le four. De préférence, on optera pour une matière liante capable de disparaître progressivement au fur et à mesure de l'usure de l'électrode, ce qui assurera une cohésion régulière et permanente de celle-ci. Another way of ensuring this cohesion consists in filling, during the manufacture of the electrode, the recesses 2 with a binder material which is easily thermodegradable so as to disappear when the electrode is in use in the oven. Preferably, one will opt for a binder material capable of gradually disappearing as the electrode wears, which will ensure regular and permanent cohesion thereof.
Il est clair cependant qu'une solution de ce type doit surtout etre reservée a une électrode dont la structure du faisceau est telle que chaque barre constitutive présente au moins une portion de surface libre definissant la paroi d'un évidement. It is clear however that a solution of this type must above all be reserved for an electrode whose beam structure is such that each constituent bar has at least a portion of free surface defining the wall of a recess.
Cette condition, comme on le comprend, est satisfaite implicitement dans le cas de barres rondes 1, représentées sur la figure 1. This condition, as it is understood, is satisfied implicitly in the case of round bars 1, shown in FIG. 1.
Par ailleurs, il doit être noté qu'il n'est pas indispensable, pour réaliser l'invention, d'assurer une cohésion totale et parfaite du faisceau de barres. Furthermore, it should be noted that it is not essential, to carry out the invention, to ensure total and perfect cohesion of the beam of bars.
On peut, en effet, admettre de laisser libre l'extrémité active 3 de l'electroue et même de la laisser libre sur toute sa longueur, en se contentant de la maintenir fixee à son extrémité supérieure
Sur les figures 2 et 3 suivantes, les barres rondes précédentes ont Gté remplacées par des barres à section respectivement triangulaire 5 et hexagonale b. We can, in fact, admit leaving the active end 3 of the electro free and even leaving it free over its entire length, by simply keeping it fixed at its upper end.
In the following FIGS. 2 and 3, the preceding round bars have been replaced by bars with triangular section 5 and hexagonal section b respectively.
Bien entendu, il ne s'agit la que d'exemples non limitatifs illustrant la grande variété de profils de barres possibles qui va en fait depuis un profil aplati, quasiment linéaire, jusqu'à un profil rond (figure 1) que l'on considèrera comme la limite supérieure du nombre de côtés d'un profil polygonal (et ceci en passant par tous les profils intermédiaires, triangulaire, carré, pentagonal, ..., octogonal, etc...). Of course, these are only non-limiting examples illustrating the wide variety of possible bar profiles which in fact goes from a flattened, almost linear profile, to a round profile (Figure 1) which will consider as the upper limit of the number of sides of a polygonal profile (and this passing through all the intermediate profiles, triangular, square, pentagonal, ..., octagonal, etc ...).
Toutefois, les barres de section triangulaire, carrée, rectangulaire ou hexagonale présentent un interet tout particulier, car elles permettent de réaliser un assemblage compact. Des lors, il est possible d'obtenir une électrode de structure évidée, conformément à l'invention, dans laquelle les éviaements sont de même forme et de même dimension que les barres constitutives. However, the bars of triangular, square, rectangular or hexagonal section have a very particular interest, because they allow to realize a compact assembly. Consequently, it is possible to obtain an electrode of hollow structure, in accordance with the invention, in which the sinks are of the same shape and of the same dimension as the constituent bars.
Pour y parvenir, une solution simple consiste à réaliser un faisceau composite fonné de barres en graphite et de barres factices, dispersées parmi les barres en graphite et constituées de préférence en matériau facilement thermoaégradable qui disparaitra rapidement, soit au cours 'éventuels traitements thermiques ultérieurs, soit lors de la mise en oeuvre de l'électrode dans le four d'elaboration. To achieve this, a simple solution consists in producing a composite beam formed from graphite bars and dummy bars, dispersed among the graphite bars and preferably made of easily thermo-degradable material which will disappear quickly, that is to say during any subsequent heat treatments, either during the implementation of the electrode in the processing furnace.
Le résultat obtenu est clairement montré sur les figures 2 et 3 où l'on voit que les évidements respectivement triangulaires 7 et hexagonaux d sont les repliques exactes des barres 5 et 6 qui les dëfinissent. The result obtained is clearly shown in Figures 2 and 3 where we see that the respectively triangular 7 and hexagonal d recesses are the exact replicas of the bars 5 and 6 which define them.
Cette particularité permet notamment, par le choix de barres d'un certain gabarit, d'obtenir des évidements ayant la taille que l'on veut.This particularity allows in particular, by the choice of bars of a certain size, to obtain recesses having the size that one wants.
En outre, rien n'empêche, bien au contraire, de choisir des barres factices faites en un materiau thermodégradable qui soit egalement dopant, c'est à dire facilement ionisable, comme des sels ou hydroxydes de métaux alcalins ou alcalino-terreux par exemple, et notamment les sels ou hydroxydes de potassium. In addition, nothing prevents, quite the contrary, from choosing dummy bars made of a thermodegradable material which is also doping, that is to say easily ionizable, such as salts or hydroxides of alkali or alkaline-earth metals for example, and in particular potassium salts or hydroxides.
Sien entendu, ce procédé de fabrication peut également être appliqué pour les barres de section autre que celles precitées. Cependant, l'assem- blage ne pouvant alors être compact, on comprend que leur réunion laissera apparaître des évidements de forme, de taille, et de distribution aléatoires difficilement maîtrisables. Cette observation ne concerne pas, à l'évidence, le cas des barres rondes. It is understood that this manufacturing process can also be applied for bars of section other than those mentioned above. However, since the assembly cannot then be compact, it is understood that their meeting will reveal recesses of shape, size, and random distribution which are difficult to control. This observation obviously does not concern the case of round bars.
En plus des résultats qu'elle permet d'obtenir quant à la stabilité de l'arc, l'invention présente des avantages secondaires fort appréciables. In addition to the results which it makes it possible to obtain as regards the stability of the arc, the invention has very appreciable secondary advantages.
En particulier, un avantage pratique réside dans le fait, qu'a partir de barres en graphite de dimensions et de format standard, il est possible, par une opération 'assemblage relativement simple, à la portëe de l'utilisateur, de fabriquer soi-même ses propres électrodes en leur donnant la structure, la forme et la taille appropriees à ses besoins particuliers.In particular, a practical advantage lies in the fact that, from graphite bars of standard dimensions and format, it is possible, by a relatively simple assembly operation, at the reach of the user, to manufacture even its own electrodes by giving them the structure, shape and size appropriate to its particular needs.
Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend a de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où sont respectées les caractéristiques enoncées dans les revendications jointes. It goes without saying that the invention cannot be limited to the examples described, but extends to multiple variants or equivalents insofar as the characteristics stated in the appended claims are respected.
Ainsi, il n'est pas impératif que les barres en graphite (plus généralement en matériau électroconducteur) soient pleines. En effet, ces barres peuvent elles-mêmes être tubulaires, des évidements internes ainsi ménagés pouvant etre laisses libres ou remplis de matiere, notamment de matière dopante. Thus, it is not imperative that the graphite bars (more generally of electroconductive material) are full. Indeed, these bars can themselves be tubular, internal recesses thus formed can be left free or filled with material, in particular doping material.
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Citations (4)
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1981
- 1981-08-27 FR FR8116533A patent/FR2512311A1/en active Granted
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| FR2512311B1 (en) | 1984-11-09 |
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |