FR2707379A1 - DC arc furnace for melting metals - Google Patents
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Abstract
Description
FOUR A ARC A COURANT CONTINU POUR LA FUSION DES METAUX
La présente invention concerne un four à arc à courant continu pour la fusion des métaux, notamment de l'acier, et plus particulièrement l'implantation dans un tel four d'une électrode de sole.DIRECT CURRENT ARC FURNACE FOR METAL MELTING
The present invention relates to a direct current arc furnace for melting metals, in particular steel, and more particularly the installation in such an furnace of a hearth electrode.
I1 est connu d'utiliser dans les fours de ce type, une électrode de sole constituée d'un barreau en métal qui traverse la paroi de fond du four en affleurant par une extrémité la surface supérieure du revêtement réfractaire de la cuve du four. I1 is known to use in ovens of this type, a hearth electrode consisting of a metal bar which passes through the bottom wall of the oven by flush with one end the upper surface of the refractory lining of the tank of the oven.
Ce barreau est lié mécaniquement à la cuve du four par un dispositif de fixation qui assure également la connexion électrique entre le barreau et l'alimentation en électricité. This bar is mechanically linked to the tank of the oven by a fixing device which also ensures the electrical connection between the bar and the electricity supply.
Ce dispositif comporte par exemple une chemise refroidie en matériau électro-conducteur qui entoure l'extrémité inférieure du barreau, débordante sous la cuve du four, cette chemise étant isolée électriquement de la cuve sur laquelle elle est fixée. This device comprises for example a cooled jacket made of electrically conductive material which surrounds the lower end of the bar, projecting under the tank of the oven, this jacket being electrically insulated from the tank on which it is fixed.
Dans des systèmes de fixation connus, la chemise refroidie comporte à son extrémité supérieure une collerette, laquelle est fixée sous la cuve. In known fixing systems, the cooled jacket has at its upper end a flange, which is fixed under the tank.
La partie supérieure du barreau, est entourée d'une virole ou de plusieurs viroles superposées en matériau réfractaire, sur sensiblement toute l'épaisseur du revêtement réfractaire du four. Ces viroles forment donc un puits en matériau réfractaire dans le prolongement vers le haut de la chemise du dispositif de fixation et s'appuyant sur cette chemise. Ce puits permet de contenir le métal liquéfié résultant de la fusion du barreau lors du fonctionnement du four. Le niveau du front de fusion (limite entre la partie solide et la partie fondue du barreau) varie en fonction de la hauteur de ce puits, qui a tendance à diminuer simultanément à l'épaisseur de la sole réfractaire, par l'usure qui se produit lors d'une campagne de fonctionnement. The upper part of the bar is surrounded by a ferrule or several superimposed ferrules of refractory material, over substantially the entire thickness of the refractory lining of the furnace. These ferrules therefore form a well of refractory material in the upward extension of the jacket of the fixing device and resting on this jacket. This well makes it possible to contain the liquefied metal resulting from the melting of the bar during the operation of the furnace. The level of the melting front (limit between the solid part and the molten part of the bar) varies according to the height of this well, which tends to decrease simultaneously with the thickness of the refractory hearth, due to wear which produced during an operating campaign.
Ce niveau reste cependant normalement un peu au-dessus de l'extrémité inférieure du puits réfractaire, ceci étant dû à l'effet refroidissant de la chemise refroidie qui se trouve immédiatement sous les viroles réfractaires. I1 en résulte que le métal fondu reste toujours contenu à sa périphérie par le puits réfractaire et vers le bas par la partie solidifiée du barreau.However, this level normally remains a little above the lower end of the refractory well, this being due to the cooling effect of the cooled jacket which is immediately under the refractory ferrules. As a result, the molten metal always remains contained at its periphery by the refractory well and downwards by the solidified part of the bar.
Par ailleurs, la ou les viroles réfractaires sont entourées d'un pisé réfractaire, qui constitue la majeure partie du revêtement interne de la cuve, sur une épaisseur de l'ordre de 1 m. Furthermore, the refractory shell (s) are surrounded by a refractory rammed earth, which constitutes the major part of the internal coating of the tank, over a thickness of the order of 1 m.
Lors de la marche du four, il se produit une usure de ce pisé, qui est classiquement compensée, au moins partiellement, par un ajout de pisé neuf effectué périodiquement lors d'une campagne de fonctionnement. Ces ajouts permettent de prolonger la durée de vie de la sole entre deux réfections complètes. When the oven is in operation, this ramming occurs, which is conventionally compensated, at least partially, by the addition of new rammed earth carried out periodically during an operating campaign. These additions extend the life of the sole between two complete repairs.
Cependant, il a ete constaté que les viroles réfractaires subissaient, en plus de l'usure consécutive à celle de la sole, une usure interne, à partir de leur surface interne en contact avec le métal du barreau. Cette usure conduit à une réduction d'épaisseur des viroles, et donc à leur fragilisation avec des risques de fissurations. Que ce soit par ladite réduction à'épaisseur, ou par les fissures induites, le métal liquéfié du barreau, ou certains composants de ce métal, peuvent s'infiltrer, à travers les viroles, dans le pisé avoisinant, ce qui, d'une part, nuit à l'isolation électrique du barreau par rapport à la cuve du four et, d'autre part, provoque un durcissement du pisé par frittage. Ce durcissement limite les capacités de déformation du pisé, et, en conséquence, celles des viroles qui se trouvent ainsi soumises à de très fortes contraintes mécaniques lors des variations de températures subies lors du fonctionnement du four. However, it was found that the refractory ferrules underwent, in addition to the wear consecutive to that of the sole, internal wear, from their internal surface in contact with the metal of the bar. This wear leads to a reduction in the thickness of the ferrules, and therefore to their embrittlement with the risk of cracking. Whether by said reduction in thickness, or by the induced cracks, the liquefied metal of the bar, or certain components of this metal, can seep through the ferrules into the surrounding rammed earth, which, in a on the other hand, harms the electrical insulation of the bar relative to the tank of the oven and, on the other hand, causes hardening of the rammed earth by sintering. This hardening limits the deformation capacities of the rammed earth, and, consequently, those of the ferrules which are thus subjected to very high mechanical stresses during temperature variations undergone during the operation of the oven.
Pour tenter de limiter cette usure, il a déjà été proposé de réaliser les viroles sous forme de pièces pressées en magnésie-carbone. On vise ainsi à exploiter les caractéristiques antimouillantes du carbone vis-à-vis du métal fondu du barreau et des oxydes qu'il contient, ce qui tend à limiter les infiltrations de ces éléments dans le réfractaire des viroles. De plus une telle composition est supposée offrir une bonne résistance aux chocs thermiques, grâce à la bonne conductibilité thermique du carbone. In an attempt to limit this wear, it has already been proposed to produce the ferrules in the form of pressed parts made of magnesia-carbon. The aim is thus to exploit the anti-wetting characteristics of carbon with respect to the molten metal of the bar and the oxides which it contains, which tends to limit the infiltration of these elements into the refractory of the ferrules. In addition, such a composition is supposed to offer good resistance to thermal shocks, thanks to the good thermal conductivity of carbon.
Par contre des infiltrations métalliques dans des viroles de ce type peuvent provoquer une dissolution du carbone, et former un alliage fer-carbone à forte teneur en carbone. Ce composé a une basse température de fusion, et il est donc susceptible de se rapprocher, par migration dans le pisé, de la cuve du four, nuisant ainsi à l'isolation électrique. De plus cette dissolution du carbone, ou son oxydation, conduisent à accroitre la porosité du matériau constitutif des viroles, et donc à accroître les risques d'infiltration de métal. On the other hand, metallic infiltrations in ferrules of this type can cause a dissolution of the carbon, and form an iron-carbon alloy with a high carbon content. This compound has a low melting temperature, and it is therefore likely to approach, by migration in the rammed earth, the tank of the oven, thus harming the electrical insulation. In addition, this dissolution of carbon, or its oxidation, leads to increasing the porosity of the material constituting the ferrules, and therefore to increasing the risks of metal infiltration.
La présente invention a pour but d'apporter une nouvelle solution à ces problèmes, et d'éviter ou au moins de réduire l'usure des viroles et les risques d'affaiblissement de l'isolation électrique entre le métal du barreau et la cuve du four. The aim of the present invention is to provide a new solution to these problems, and to avoid or at least reduce the wear of the ferrules and the risks of weakening the electrical insulation between the metal of the bar and the tank of the oven.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un four à arc à courant continu comportant une électrode de sole comprenant un barreau métallique qui traverse la paroi de fond de la cuve du four et la sole réfractaire de ce four, et une ou plusieurs viroles réfractaires entourant ledit barreau sur toute l'épaisseur de la sole. With these objectives in view, the subject of the invention is a direct current arc furnace comprising a hearth electrode comprising a metal bar which passes through the bottom wall of the furnace tank and the refractory hearth of this furnace, and one or several refractory ferrules surrounding said bar over the entire thickness of the sole.
Selon l'invention, le four est caractérisé en ce que la ou lesdites viroles sont réalisées en un béton de granulats de magnésie ou d'alumine, de spinelle et d'un liant phosphatique ou d'un liant hydraulique. According to the invention, the furnace is characterized in that the said shell (s) are made of a concrete of aggregates of magnesia or alumina, spinel and a phosphate binder or a hydraulic binder.
La composition essentiellement magnésienne et alumineuse de ces viroles leur donne une grande résistance à la corrosion par les oxydes liquides contenus dans le métal fondu du barreau. La réalisation sous forme de pièces moulées en béton leur confère une faible porosité, et on a pu constater que l'utilisation de ce béton conduit à la création, à la surface interne des viroles en contact avec le métal du barreau, d'une couche de produits de réactions enrichie en spinelle, qui protège les viroles de l'usure et étanchéifie le matériau. En conséquence, les risques d'infiltration de métal ou d'oxydes sont réduits, de même que le frittage du pisé entourant les viroles, car ce frittage est accentué par ces infiltrations. The essentially magnesian and aluminous composition of these ferrules gives them great resistance to corrosion by liquid oxides contained in the molten metal of the bar. The production in the form of molded concrete parts gives them a low porosity, and it has been observed that the use of this concrete leads to the creation, on the internal surface of the ferrules in contact with the metal of the bar, of a layer of reaction products enriched in spinel, which protects the ferrules from wear and seals the material. Consequently, the risks of metal or oxide infiltration are reduced, as is the sintering of the rammed earth surrounding the ferrules, since this sintering is accentuated by these infiltrations.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va être faite à titre d'exemple d'un four à arc à courant continu pour la fabrication de l'acier. Other characteristics and advantages will emerge from the description which will be given by way of example of a direct current arc furnace for the manufacture of steel.
On se reportera à l'unique dessin annexé qui est une vue partielle du four, en coupe selon l'axe d'une électrode de sole. Reference will be made to the single appended drawing which is a partial view of the furnace, in section along the axis of a sole electrode.
On n'a représenté que la partie du four avoisinant l'électrode de sole. Le four comporte une cuve à paroi métallique 1 revêtue intérieurement d'un garnissage de brique 2 et de pisé 3 réfractaires formant la sole. Only the part of the oven around the hearth electrode has been shown. The oven comprises a metal-walled tank 1 lined internally with a lining of brick 2 and rammed earth 3 refractory forming the hearth.
Dans la zone d'implantation de l'électrode de sole, la paroi 1 porte une bride 8 de renfort, qui lui est solidarisée par des boulons, représentés uniquement par leurs axes 9, avec interposition d'une plaque isolante 10. L'ensemble paroi 1 et bride 8 comporte un orifice 4 circulaire dans lequel passe un barreau 5 en acier dont l'extrémité supérieure affleure la surface 31 de la couche de pisé 3. L'extrémité inférieure 51 du barreau 5 est entourée par une chemise refroidie 6 pourvue d'une collerette 7 fixée sur la bride 8. In the implantation area of the sole electrode, the wall 1 carries a reinforcement flange 8, which is secured to it by bolts, represented only by their axes 9, with the interposition of an insulating plate 10. The assembly wall 1 and flange 8 has a circular orifice 4 through which passes a steel bar 5, the upper end of which is flush with the surface 31 of the adobe layer 3. The lower end 51 of the bar 5 is surrounded by a cooled jacket 6 provided a flange 7 fixed to the flange 8.
Au-dessus de la chemise 6, le barreau 5 est entouré par des viroles 11, 12, 13 réfractaires superposées sur toute l'épaisseur de la sole, et maintenues par le pisé 3 qui les entoure. L'ensemble de ces viroles forme un puits qui contient le métal liquide résultant de la fusion du barreau 5 lors du fonctionnement du four. Above the jacket 6, the bar 5 is surrounded by refractory ferrules 11, 12, 13 superimposed over the entire thickness of the hearth, and held by the rammed earth 3 which surrounds them. All of these ferrules form a well which contains the liquid metal resulting from the melting of the bar 5 during the operation of the furnace.
La virole inférieure 11 repose directement, par son extrémité inférieure, sur la chemise refroidie 6, et se trouve de ce fait partiellement au niveau de la paroi 1 et de la bride 8. The lower ferrule 11 rests directly, by its lower end, on the cooled jacket 6, and is therefore partially located at the level of the wall 1 and of the flange 8.
La virole supérieure 13 affleure la surface supérieure 31 du pisé. The upper ferrule 13 is flush with the upper surface 31 of the adobe.
Au cours d'une campagne de fonctionnement, le barreau 5 fond partiellement et se resolidifie périodiquement. Lorsque le four est en service, pour fondre la charge de ferrailles, le barreau 5 fond progressivement puis la fusion se stabilise lorsque le front de fusion se rapproche de la chemise refroidie. Lors des arrêts du four, par exemple èn fin de semaine, le barreau refroidit et se resolidifie. De ce fait les viroles sont soumises à des cycles thermiques qui provoquent des déformations de dilatation et contraction. Ces déformations sont normalement absorbées par le pisé avoisinant qui, à cette fin, doit rester suffisamment meuble. During an operating campaign, the bar 5 partially melts and resolidifies periodically. When the oven is in service, to melt the scrap charge, the bar 5 gradually melts, then the melting stabilizes when the melting front approaches the cooled jacket. When the oven stops, for example at the weekend, the bar cools and re-solidifies. As a result, the ferrules are subjected to thermal cycles which cause deformations of expansion and contraction. These deformations are normally absorbed by the surrounding adobe which, for this purpose, must remain sufficiently loose.
Ce pisé est un pisé magnésien dont la composition varie en fonction de la position dans l'épaisseur de la sole. Au voisinage de la virole inférieure, on utilise un pisé très pur à forte teneur en magnésie, par exemple a plus de 98 % de
MgO. Plus haut, au voisinage des viroles intermédiaire 12 et supérieure 13, on utilise un pisé de magnésie et de chaux, ayant de 75 à 90 % de MgO et de 20 à 8 % de CaO, par exemple d'environ 86 % de MgO et 9 % de CaO pour le pisé situé audessus du pisé de magnésie très pur, et 77 % de MgO et 18 % de CaO pour le pisé de surface de sole.This adobe is a magnesian adobe whose composition varies according to the position in the thickness of the sole. In the vicinity of the lower shell, a very pure rammed earth with a high magnesia content is used, for example at more than 98%
MgO. Above, in the vicinity of the intermediate ferrules 12 and upper 13, an adobe of magnesia and lime is used, having from 75 to 90% of MgO and from 20 to 8% of CaO, for example around 86% of MgO and 9% of CaO for the rammed earth above the very pure rammed earth, and 77% of MgO and 18% of CaO for the rammed earth.
Les viroles sont réalisées en béton de composition magnésienne et/ou alumineuse. The ferrules are made of magnesian and / or aluminous composition concrete.
Selon une première réalisation, ce béton est formé de granulats de magnésie et de fines de spinelle (Mgo-A1203), avec un liant phosphatique. According to a first embodiment, this concrete is formed from magnesia aggregates and spinel fines (Mgo-A1203), with a phosphate binder.
Préférentiellement ce béton est formé avec de 60 à 90 % de granulats de magnésie et de 10 à 40 % de spinelle, et sa composition est de
- 5 à 30 % de Al203
- 1 à 4 % de P205
- 1 à 4,5 % de CaO
- le reste étant de la magnésie MgO, avec des traces de Six2, Na20, Fe203.Preferably, this concrete is formed with 60 to 90% of aggregates of magnesia and 10 to 40% of spinel, and its composition is
- 5 to 30% of Al203
- 1 to 4% of P205
- 1 to 4.5% CaO
- the rest being MgO magnesia, with traces of Six2, Na20, Fe203.
Un tel béton, formé par exemple avec 66 % de granulat de magnésie et 29 % de spinelle, a une composition pondérale de 73,6 % de MgO, 19,1 % de A1203, 1,3 % de CaO, 0,8 % de Silo2, 1,4 % de P205, 0,8 % de Na2O et 0,1 % de Fe203. Such concrete, formed for example with 66% of magnesia aggregate and 29% of spinel, has a weight composition of 73.6% of MgO, 19.1% of A1203, 1.3% of CaO, 0.8% Silo2, 1.4% P205, 0.8% Na2O and 0.1% Fe203.
Avec des viroles ayant cette composition, on a constaté une réduction de l'usure des viroles due à la formation à la surface interne de celles-ci d'une couche de produits de réaction résultant de l'action des oxydes liquides, notamment Silo2, provenant du métal fondu du barreau 5, avec les constituants de la virole. Les inventeurs ont en effet découvert que si les flux de ces oxydes à travers la virole ont pour effet de dissoudre le liant phosphaté et les grains de magnésie, cette dissolution conduit à un enrichissement en spinelle de la surface interne des viroles, la couche riche en spinelle formant une barrière qui limite les infiltrations desdits oxydes et du métal de base du barreau. With ferrules having this composition, there has been a reduction in the wear of the ferrules due to the formation on the internal surface of these of a layer of reaction products resulting from the action of liquid oxides, in particular Silo2, coming from the molten metal of the bar 5, with the constituents of the shell. The inventors have in fact discovered that if the fluxes of these oxides through the shell have the effect of dissolving the phosphate binder and the grains of magnesia, this dissolution leads to an enrichment in spinel of the internal surface of the ferrules, the layer rich in spinel forming a barrier which limits the infiltration of said oxides and of the base metal of the bar.
Par ailleurs, lorsque le béton et/ou le pisé comportent de la chaux (par exemple dans le cas d'une composition de béton à 4,5 % de CaO), les phosphates du liant, dissous par les liquides silicatés, et qui auraient tendance à migrer profondément dans le pisé d'entourage, sont en fait également bloqués par leur réaction avec la chaux du béton et du pisé, réaction qui forme des silicophosphates calciques à haut point de fusion, qui précipitent dans le pisé à proximité de l'électrode ou même dans les viroles, dès lors que, en s'éloignant du barreau fondu, leur température diminue. De ce fait, le frittage du pisé, qui se produirait à cause des infiltrations de phosphates, est limité et le pisé entourant les viroles reste suffisamment meuble pour absorber les déformations de ces dernières. Furthermore, when the concrete and / or the rammed earth contain lime (for example in the case of a concrete composition with 4.5% CaO), the phosphates of the binder, dissolved by the silicate liquids, and which would have tend to migrate deep into the surrounding rammed earth, are in fact also blocked by their reaction with the lime of concrete and rammed earth, a reaction which forms calcium silicophosphates with high melting point, which precipitate in the rammed earth near the electrode or even in the ferrules, since, as they move away from the molten bar, their temperature decreases. As a result, the sintering of the adobe, which would occur due to the ingress of phosphates, is limited and the adobe surrounding the ferrules remains sufficiently loose to absorb the deformations of the latter.
Selon une autre réalisation, le béton est formé de granulats d'alumine et de spinelle avec un liant hydraulique du type à basse ou ultrabasse teneur en ciment. According to another embodiment, the concrete is formed from alumina and spinel aggregates with a hydraulic binder of the low or ultra-low cement content type.
Préférentiellement on utilise de 60 à 90 % de granulats d'alumine et de 10 à 40 % de spinelle, avec moins de 10 % de liant hydraulique, la composition du béton obtenu étant
- de 0,5 à 15 % de MgO
- de 0,1 à 4 % de CaO
- le reste étant de l'alumine A1203 , avec des traces de Sio2 Na2O, Fe203, et ne comportant pas de phosphates.Preferably, 60 to 90% of alumina aggregates and 10 to 40% of spinel are used, with less than 10% of hydraulic binder, the composition of the concrete obtained being
- 0.5 to 15% MgO
- 0.1 to 4% CaO
- the remainder being alumina A1203, with traces of Sio2 Na2O, Fe203, and containing no phosphates.
Un tel béton réalisé par exemple avec 77 % de granulats d'alumine et 21 % de spinelle a une composition de 6 % de
MgO, 92 % de A1203, 1,7 % de CaO, 0,4 % de Sio2. Dans ce cas la couche protectrice des produits de réaction formée à la surface des viroles est moindre, mais l'imprégnation du béton par les oxydes liquides reste superficielle puisque le liant n'est pas dissous.Such concrete produced for example with 77% of alumina aggregates and 21% of spinel has a composition of 6% of
MgO, 92% A1203, 1.7% CaO, 0.4% Sio2. In this case the protective layer of the reaction products formed on the surface of the ferrules is less, but the impregnation of the concrete by the liquid oxides remains superficial since the binder is not dissolved.
Il en résulte donc également une faible migration des oxydes à travers les viroles et peu de frittage du pisé d'entourage. This therefore also results in a low migration of the oxides through the ferrules and little sintering of the surrounding rammed earth.
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2707379B1 (en) | 1995-08-11 |
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| ST | Notification of lapse |