Brevet FR2003929A1 — publié le 19691114

i 2003929 La présente invention concerne une électrode de fours à arc et plus particulièrement un joint entre deux électrodes adjacentes» ïl est de pratique .courante .depuis un certain temps dans 5 les fours à arc de raccorder les électrodes de carbone "bout à "bout pour former une électrode virtuellement continuée Avec les ensembles de ce genre, l'arc peut fonctionner sans interruption "bien que les électrodes se consument" en avançant vers luio Une façon courante de faire ce raccord consiste à pratiquer unta-10 raudage aux; extrémités de chaque électrode et à relier une extrémité de chacune d'elles à celle de l'électrode adjacente au moyen d'un noyau fileté. Un raccord de ce genre présente plusieurs inconvénients importants. Far exemple, les fortes contraintes dûes à la dila-15 tation des éléments en service provoquent parfois leur rupture qui éteint complètement l'arc. De plus, sa résistance électrique est indésiratlement élevée à cause des interstices entre las filets et essentiellement parce qu'il est difficile de maintenir directement en contact les faces d'extrémité en regard des 20 électrodes. Cette grande résistance du raccord nuit au passage du courant et donc à la qualité de l'arc» On a apporté un grand nombre de modifications aux joints afin d'améliorer leur rendement. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique H° 2.970.854- expose que l'on obtient de bons résultats 25 en insérant une cale fusible entre les flancs des filets des éléments. D'autres innovations telles que des noyaux en fuseau, des filets dégagée, ont parfois réussi à diminuer les effets des contraintes thermiques» Mais on cherche encore d'autres a-mé 1 i or at i ons. 30 La présente invention vise à diminuer à la fois les ef fets des contraintes thermiques dans les joints pour électrodes et leur résistance électrique. En substance l'invention consiste à placer du graphite "dilaté" entre les faces d'extrémité associées du joint des é-35 lectrodeso Dans la forme de réalisation préférée, une garniture en graphite dilaté dont le poids spécifique est compris en- % tre environ 0,03 et; 0,24- g/cm , de préférence une bague, occupe la plus grande partie de lEespace compris entre ces faces d'extrémité, tandis qufune seconde garniture en graphite dilaté, o9 07399 2 2003929 également en forme de bague de préférence, et dont le poids spécifique est supérieur .à environ 0,4 g/cnr' est placée contre la première,, Un dégagement est pratiqué dans cès faces pour loger les bagues„ De plus, on peut ménager un interstice entre les 5 bords périphériques des faces adjacentes, c'est-à-dire contre la seconde bague, afin de diminuer encors la contrainte thermique pendant que les électrodes sont en service. Le graphite dilaté à faible densité constitue .une garniture élastique absorbant la dilatation des électrodes avec 10 1*augmentation de la température0 II se comprime facilement et, dans la plage de densités précitées, il a une excellente rési-lience, ce qui lui permet de revenir en cas de besoin à ses dimensions initialess sous les pressions qui se manifestent normalement en services La première garniture améliore"également 15 la résistance électrique du joint à pratiquement toutes les températures de service. On utilise la seconde garniture en graphite dilaté pour donner de la solidité ail bâton d1électrodes, afin qu'il reste rigide quand il est incliné et qu'il résiste aux poussées latérales appliquées par le "déplacement de la charge 2C du four-o Ce graphite a une élasticité permanente de retour d'environ 10 c8est-à-dire qu'il peut être déformé (comprimé) de manière répétée de jusqu^à 10'% de son épaisseur sans manquer lorsque l'effort est supprimé, de revenir à son épaisseur initiale» Les contraintes dûes aux modifications de gradient de 25 température et à l'incompatibilité thermique des éléments du ra.ccord peuvent ainsi être encore mieux absorbés en service. Si l'on utilise un interstice circonférentiel sur la périphérie des faces d'extrémité, celui-ci agit essentiellement comme "butée" positive lorsque le joint est soumis à un couple de fluxion. 30 La structure interne des graphites est caractérisée par des couches ou plans de réseau hexagonaux d'atomes de carbone. Oes couches sont sensiblement planes, parallèles et équidistan-tes0 . Elles sont liées par les faibles attractions de van der Waal qui, ainsi qu'on lla constaté, peuvent être attaquées avec 35 certaines, matières, cet qui affaiblit encore leur liaison. Le résultat de cette attaque est de permettre d'augmenter l'écart entre les couches superposées, ce qui provoque une dilatation sensible perpendiculairement à elles, c'est-à-dire dans le sens "0" en formant des particules de graphite "dilaté". On peut 69 07399 3 2003929 ensuite traiter ces particules pour former un produit utilisabla Conformément aux "brevets des Etats-Unis d'Amérique ÏT° 1.137.373 et 1.191 »3833 on dilate des particules de graphite naturel en les soumettant d'abord pendant une durée convenable à 5 l'action d'une atmosphère oxydante à une température appropriée. Une fois que le traitement d'oxydation est terminé, on lave les. particules mouillées à l'eau, puis on les chauffe à une température comprise entre 350 et 600°G pour les dilater dans le sens "C". Elles se dilatent ainsi poux* atteindre jusqu'à 25 fois 10 leur dimension initiale dans ce sens "C'r, puis on les combine avec une résine phénolique et on les moule aux formes désirées. On a découvert récemment que les particules qui ont été ■ dilatées au moins 80 fois et de préférence 200 fois dans le sens "G" peuvent être assemblées par compression en l'absence 15 de liant en formant une feuille cohérente, une bande de papier, une mousse, par exemple. On peut faire que le poids spécifique du produit obtenu soit compris- entre environ 0,08 ou moins et environ 0,2 g/cm^ en modifiant la pression pendant le façonnage. Cette matière nouvelle a une excellente flexibilité, une bonne -20 résistance et une anisotropie appréciable. Une description complète de cette matière et de son procédé de fabrication a été faite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique îf0 273 245 du 15 Avril 1963s déposée par 25 Dans le cadre de l'invention, la signification du terme "graphite dilaté" englobe donc les graphites formés par dilatation d'un graphite de base qui peut être naturel, pyrolytique, en paillettes, ou autre puis recompression. La matière préférée ne contient pas de liant, ainsi que l'expose la demande de bre-30 vet précitée, mais peut en contenir un si sa proportion est inférieure à 10 % du poids du produit fini. Des quantités de liant plus grandes donnent au graphite une rigidité qui diminue sa flexibilité. On comprendra que l'on peut ajouter à ce graphite dilaté d'autres matières avant ou après le moulage à la for-35 me, pourvu que ses importantes propriétés de résilience et de conductibilité électrique et thermique ne soient pas affectées sensiblement. On peut y inclure des poudres ou filaments métalliques, des matières fibreuses, telles que des fibres de verre, de l'argile, etc.. pour le renforcer ou raidir, augmenter sa 69 07399 4 2003929 solidité ou pour en améliorer la conductibilité électrique» Le graphite dilaté utilisé dans le joint selon l'invention est de façon générale composé de couches contiguës superposées de lames minces du graphite maintenues assemblées par un liant ou 5 seulement par leur nature cohésive. Cette matière peut être'placée entre les faces d'extrémité des électrodes sous l'une ou l'autre de deux orientations» Elle peut être "orientée sur la tranche", c'est-à-dire les bords des couches tournés vers les surfaces des faces d'extrémité et de préférence directement en 10 contact avec elles, ou "orientée à plat", c'est-à-dire les surfaces des couches supérieure et inférieure placées entre ces faces d'extrémité et de préférence directement en contact avec elles. On a constaté que l'on obtient d'excellents résultats lorsqu'une partie appréciable du graphite disposé entre les fa— 15 ces d'extrémité des électrodes est orientée sur la tranche. Bien que les termes "orienté sur la tranche" et "orienté à plat" se rapportent de façon générale as. graphite dilaté constitué de couches superposées, ils sont également applicables à un graphite formé par compression en un produit massif de par-20 ticules dilatées. Ces particules sont disposées par nature de façon à être orientées en général perpendiculairement à la force appliquée. La surface sur.laquelle cette force est appliquée pendant la formation est celle qui est orientée à plat, alors que celle qui fait avec cette dernière un angle de 90° (en tra-25 vers des grains) est orientée sur la tranche. - D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins- annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif une forme de réalisation conforme à l'invention. 30 Sur ces dessins, La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un raccord à noyau entre deux électrodes réalisé selon l'invention 5 La figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail 2 de la figure 1 ; 35 La figure 3 est une vue en perspective cavalière des élé ments du joint de la figure 1 5 et La figure 4- est un diagramme montrant les rapports entre le couple appliqué et la résistance électrique du joint. On voit en se reportant maintenant aux dessins que la 69 07399 5 2003929 figure 1 représente tua joint composé d'une électrode inférieure : 10 et d'un noyau 12 qui y est introduit et la relie à une électrode supérieure 14. Une première garniture 16 en graphite dilaté est placée contre le noyau 12, et autour de lui. Une seconde 5 garniture de graphite dilaté 18 est placée contre la première, près d'un interstice 20 séparant les extrémités des électrodes. Ces garnitures touchent les faces d'extrémité 22 et 24- des deux électrodes 10 et 14 respectivement et leur donnent une résistance électrique faible. 10 La figure 2 représente plus clairement les garnitures de graphite dilaté. On voit que la matière de la première garniture 16 a une orientation différente de celle de la seconde dans la forme de réalisation préférée de l'invention. La matière 16 est orientée sur la tranche alors que la matière 18 est orien— 15 tée à plat suivant les définitions précitées. Le graphite orienté sur la tranche a une conductibilité électrique plus grande parallèlement à ses couches et est capable de résister aux pressions créées par la dilatation des électrodes avec plus de souplesse que la matière orientée à plat, qui est la plus dure. On 20 voit plus clairement ces orientations en se reportant à la figure 3 où l'on voit que la première garniture 16 est composée de couches superposées ou bandes 26 de graphite dilaté. Ces couches sont fixées l'une à l'autre simplement par compression ou par interposition d'un liant tel qu'une résine phénolique. La 25 bague 16 est disposée autour du noyau 12 de façon que sa surface supérieure 28 qui touche la face d'extrémité d'une électrode, soit orientée sur la tranche, c'est-à-dire soit la surface sur laquelle les bords des couches sont visibles et sur laquelle il n'a pratiquement pas été appliqué ■: de pression pendant la for-30 mation des couches. Mais on a représenté une garniture 18 composée de couches ou bandes 30 orientées perpendiculairement à celles de la première garniture 16. La surface 32 qui touche aussi la face d'extrémité de l'électrode est orientée à plat, c'est-à-dire que c'est la surface sur laquelle la pression a 35 été appliquée pendant le façonnage de la bague 18. On peut démontrer de plusieurs façons l'amélioration du joint entre les électrodes et donc l'amélioration de l'ensemble à plusieurs électrodes; et celle de la qualité de l'arc. Par exemple, on a mesuré la résistance électrique sur les faces 69 07399 2003929 d'extrémité de deux électrodes de charbon d'environ 355 mm de diamètre, reliées par un noyau habituel d'environ 180 x 355 mm -■ en y. faisant passer un courant d'environ 20.000 ampères et. en mesurant la chute de tension,, On a fait 1*essai à une tempéra-5 ture ambiante de 22°C sans interposer de graphite dilate entre les faces d'extrémité de ces électrodes. On â également fait le même essai sur un second ^oint du même bâton d'électrodes, mais où du graphite dilaté était placé entre leurs forces d'extrémité. On a dispose entre ces faces un graphite orienté sur 10 la tranche ayant un poids spécifique d'environ 0,1 g/cm^ en contact avec pratiquement toute leur surface, sans utiliser de dégagement. Le tableau ci—dessous indique les tensions Relevées à diverses.températures du joint. TABLEAU 15 Joint témoin Joint au graphite dilaté —— /m Y — —;— Température tensionv y température tensionv • C^T* (Volts) C*c) (volts) 688 0,24 688 0,13 980 0,40 74-5 0,21 20 1000 0,65 790 0,22 150 0,35 150 0,30 (1) mesurée de face d0extrémité à face d'extrémité entre électrodes. Ainsi qu'on peut le remarquer par les chiffres indiqués, 25 dans toute la plage de températures, les chutes de tension sont plus faibles (et donc aussi les résistances) avec le joint garni de graphite dilaté. Il s'est manifesté dans ce joint au graphite des températures plus faibles bien que l'intensité du courant fût la même que dans l8autre joint parce que sa résis-30 tance était plus faible. Dans un autre essai, on a relié deux électrodes au carbone d'un diamètre d'environ 355 m™ par un noyau d'environ 180 x 355 mm. On a partagé ce noyau en deux segments et l'on a placé entre eux une matière non électriquement conductrice. De la 35 sorte, le courant qui passait dans les électrodes était.forcé de passer autour de ce noyau et donc par les faces d'extrémité des électrodes» On a branché une source de tension d'environ 6 volts en parallèle avec ces électrodes et on a fait passer dans le joint un courant d'environ 20 ampères. On a utilisé un pont 69 07399 2003929 à résistances électriques pour mesurer la résistance entre les faces d'extrémité pour diverses pressions d'application» On a relevé deux: séries de résultats avec le même g oint; dans le premier. essai on n'a pas utilisé de graphite dilaté, alors que dars 5 le second on a disposé entre ses faces du graphite dilaté orienté sur la tranche, de la manière décrite ci-dessous pour l'essai précédent. La figure 4 indique les résultats de ces essais. Le joint utilisant le graphite dilaté est désigné par la.lettre 10 "A". L'examen de la figure montre que la plus grande valeur de la résistance pour la courbe A est inférieure à la plus petite valeur obtenue avec le témoin, même sous la compression la plus forte. L'incorporation de graphite dilaté entre les faces d'extrémité des électrodes raccordées présente donc l'avantage sup-15 plémentaire de diminuer la pression nécessaire pour amener ces électrodes en contact électrique, ce qui diminue le risque de rupture. De plus les très faibles valeurs obtenues pour la résistance sont importantes pour l'efficacité de fonctionnement du bâton d'électrodes. 20 On expose ■ ci-dessous des exemples de bâtons d'électrodes utilisant le joint selon l'invention. EXEMPLE 1 . On a relié deux électrodes en semi-graphite ayant chacune un diamètre d'environ 1730 mm par un noyau en graphite ayant 25 une longueur de 1270 mm et un diamètre d'environ 750 mm. On a pratiqué dans les faces d'extrémité de ces électrodes un dégagement de profondeur telle, que lorsque lesdites électrodes ont été assemblées, on disposait d'un logement mesurant à peu près 7 mm. 0e logement s'étendait sur toute la surface d'extré-30 mité circulaire jusqu'à environ 50 mm du bord des électrodes. On a pratiqué dans cette surface extérieure de 50 mm un vide, annulaire d'environ 0,8 mm adjacent au logement précité. On a rempli ce dernier de graphite dilaté orienté sur la tranche de poids spécifique 0,1 g/cur' sauf sur les 50 mm périphériques ad-35 jacents au vide ou interstice. On a rempli ce segment de graphite dilaté orienté à plat de poids spécifique 0,8 g/cm^ environ montrant une résilience permanente à 100 % sous essais répétés de compression entre zéro et 35 kg/cm . Le graphite orienté sur la tranche avait initialement une épaisseur d'environ 11,5 mm, BAD ORIGINAL 69 07399 8 20Ô3929 l'amenée à environ 7j5 min par la compression à l'assemblage» Cette compression crée la contrainte initiale désirée qui, avec le fait que la matière peut "revenir" élastiquement de 0,3 à 0,5 mm, permet de maintenir la constance du contact avec les faces 5 d'extrémité» Le graphite orienté à plat avait une épaisseur d'environ 7,6 m qui a été ramenée à environ 7 n™ pendant que l'électrode fonctionnait et à ce moment l'interstice était complètement refermé» EXEMPLE 2 10 On relie deux électrodes d'environ 610 mm de diamètre au moyen d'un noyau en fuseau d'environ 318 x 355 mm» On pratique un seul logement mesurant environ 1,6 mm entre les faces d'extrémité en l'usinant dans l'électrode supérieure» On y insère une bague en graphite dilaté orienté sur la tranche ayant une 15 épaisseur d'environ 392 mm, un diamètre extérieur d'environ 510 mm et un diamètre intérieur d'environ 330 mm» Les 50 mm exté- • rieurs des faces d'extrémité n'avaient pas dîinterstice entre eux, ces faces y étant directement en coSitact. Le graphite avait un poids spécifique de 0,10 g/crn^» 20 Comme le montrent ces exemples, on peut apporter un grand nombre de modifications au joint selon l'invention, c'est-à*?dire que l'on peut supprimer l'interstice sur le bord ou le graphite orienté à plat, bien que leur présence soit très désirable pour les joints entre grosses électrodes. En outre, on peut utiliser 25 des combinaisons variées de matières orientées à plat et sur la tranche. On comprendra que les dimensions de la garniture seront différentes suivant les besoins de l'ensemble. C'est ainsi qu'il j&aut tenir compte des dimensions des électrodes, de leur matière, des paramètres électriques et des efforts sur la structure pour réaliser un joint de conception particulière. De plus, on peut disposer le graphite dilaté entre les faces^d'extrémité des électrodes avec un grand nombre de dispositifs mécaniques de ^ raccord. Bien que l'on a décrit des garnitures en forme de bagues, elles peuvent avoir toute forme appropriée. Des segments convenablement espacés donneront également les améliorations importantes apportées par l'invention s'ils sont én contact avec la plus grande partie de la surface des faces d'extrémité. 35 II va de soi que la présente invention a été décrite ci- dessus à titre d'exemple préférentiel explicatif, mais nullement limitatif et que l'on pourra introduire toute équivalence dans ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. 69 07399 9 REVEND I C A I I OIS 1. Joint pour électrode composite comprenant deux électrodes ayant chacune une face d'extrémité, et des moyens pour les raccorder, caractérisé par le fait que du graphité dilaté est 5 placé entre ces faces et est en contact avec la plus grande partie de leur surface. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le graphite orienté est orienté sur la tranche et que son poids spécifique est compris entre environ 0,03 et 0,24 g/ 10 cm^. 3. Joint selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'une petite partie du graphite est orientée à plat et a un poids spécifique supérieur à environ 0,4 g/cm^. . 4. Joint selon la revendication 1, caractérisé £ar le 15 fait qu'un interstice est ménagé entre les faces d'extrémité sur leur segment périphérique adjacent au graphite dilatée 5« Joint selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le graphite est composé de plusieurs couches superposées et contiguës de graphite dilaté# 20 6. Joint pour électrode, caractérisé par le fait qu'il comprend : deux longueurs d'électrodes comportant des faces d'extrémité et réunies par un noyau fileté, une de ces faces au moins comportant un dégagement sur la plus grande partie de sa surface; et du graphite dilaté disposé dans ce dégagement et 25 en contact avec ces faces, ce graphite dilaté disposé dans ce dégagement et en contact avec ces faces, ce graphite étant o-rienté sur la tranche et ayant un poids spécifique compris en-tre environ 0,03 et 0,4 g/cm de telle sorte que le joint est capable de résister aux contraintes thermiques pendant que les 30 électrodes sont en service, et que sa résistance électrique entre faces est plus faible. 7. Joint selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le graphite contient moins de dix pour cent en poids d'un liant. 35 . 8. Joint selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'une seconde garniture en graphite orienté à plat est disposée dans une petite partie du dégagement contre le graphite orienté sur la tranche. 9. Joint selon la revendication 8,.caractérisé par le 69 07399 10 2003929 fait qu'un interstice circonférentiel est ménagé âur le segment périphérique des faces d'extrémité .et est adjacent à la seconde -garniture, cet interstice ménageant entre ces faces un jeu plus faible que le dégagement afin d'empêcher les électrodes de su— 5 "bir m déplacement excessif lorsque le joint est soumis à un effort de flexion. 10. Joint selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les deux garnitures sont composées de plusieurs couches superposées et contiguës de graphite dilaté. 10 11P Joint selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la densité du graphite orienté sur la tranche est supérieure à environ ô*4. 12o Joint selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les deux garnitures ont la forme de "bagues.