Brevet FR2005776A1 — publié le 19691219

La présente invention concerne un procédé pour la refusion é-lectrique sous laitier de métaux, en particulier d'aciers, où la direction du courant électrique circulant èt travers l'électrode à fondre est soumise à une variation périodique, ainsi que des installa-5 tions pour la mise en oeuvre de ce procédé. Il est connu d'utiliser dans les installations de refusion sous lëtier de métaux à partir d'électrodes auto-fusibles aussi bien du courant continu que du courant alternatif à la fréquence normale de 50 ou 60 Hz. En cas d'utilisation de courant continu, à conditions 10 par ailleurs égales, les rendements (en poids de métal par heure) et la consommation d'énergie (en klfh/t de métal refondu) d'une part, et les propriétés métallurgiques du bloc métallique obtenu par le processus de refusion, d'autre part, dépendent dans une mesure importante du sens du courant» lorsque l'électrode à fondre constitue 15 le pôle positif et le bloc métallique formé constitue le pôle négatif, le rendement est élevé mais les propriétés métallurgiques du bloc sont mauvaises en raison, par exemple, d'une teneur relativement élevée en oxygène. Lorsque, par contre, l'électrode en fusion est le pôle négatif, tandis que le bloc formé constitue le pôle po-20 sitif, les propriétés métallurgiques du bloc obtenu sont meilleures en raison, par exemple, d'une teneur relativement faible en oxygène, mais le rendement est notamment plus faible que dans le premier cas. En cas d'utilisation de courant alternatif avec la fréquence de réseau normale de 50 ou 60 Hz, le rendement de la fusion est presque 25 aussi élevé que dans le premier cas et les propriétés métallurgiques du bloc obtenu sont voisines de celles correspondant au deuxième cas, mais il y a néanmoins des inconvénients en ce sens que des impédances inductives additionnelles notables se manifestent dans les canalisations et qu'en outre, par suite des puissances électriques 30 considérables exigées par le processus de refusion, la charge dis-.symétrique imposée au réseau est inadmissible, dans la plupart des cas. Pour éviter ces inconvénients, on a déjà proposé l'utilisation du courant triphasé dans les installations de refusion sous laitier, la plaque de base sur laquelle repose le bloc métallique 35 en formation étant reliée au centre de l'étoile formée par trois électrodes fondant simultanément dans une coquille, ces électrodes étant de leur côté reliées aux phases. Les installations triphasées 6910631 2 2005776 de ce genre représentent une extrême complication du point de vue constructif étant donné que trois électrodes doivent fondre dans une même coquille. Par conséquent, aussi bien les frais de cons- -truction de l'installation que les coûts d'exploitation sont très 5 élevés» Les courants alternatifs décalés en phase les uns par rapport aux autres, qui circulent dans les trois électrodes, produisent un champ magnétique tournant entraînant en rotation le laitier liquide électriquement conducteur qui surnage sur le bain de métal en fusion, Oette rotation du laitier a pour effet que d'une part la 10 surface de la couche de laitier liquide forme un paraboloïde de révolution et augmente ainsi les surfaces d'échange de chaleur entre le laitier et la paroi refroidie de la coquille et, d'autre part, le coefficient de transfert de chaleur entre le laitier et la paroi refroidie de la coquille se trouve augmenté» Il en résulte un au-15 tre inconvénient consistant en ce que les pertes de chaleur sont notablement plus élevées que dans les installations à courant continu ou à courant alternatif monophasé. L'invention a pour objet d'éviter les inconvénients précités en créant un procédé qui rend possible, dans tous les cas de refusion 20 sous laitier, la réalisation de conditions particulièrement favorables aussi bien en ce qui concerne le rendement de la refusion que les propriétés métallurgiques du métal refondu. Selon l'invention, on y parvient, dans un procédé du genre indiqué au... début, par la conversion du courant triphasé ou alternatif 25 en un courant de sens périodiquement variable avec une fréquence dite de base (f ) qui diffère notablement de la fréquence du courant d'alimentation triphasé ou monophasé, le courant ainsi élaboré étant appliqué à l'électrode en fusion. Il s'avère avantageux de prévoir en cas de besoin une variation aussi bien du rapport dans chaque cy-30 cle des temps (T^ , pendant lesquels l'électrode en fusion forme respectivement le pôle positif et le pôle négatif, que de la fréquence de base. Il est avantageux d'autre part, que la fréquence de base f du courant électrique circulant dans l'électrode en fusion soit inférieur à la fréquence du réseau et se situe par exem-35 pie entre 5 et 10 Hz. Il est souvent favorable pour l'obtention de conditions optimales que le rapport dès temps pendant lesquels l'électrode en fusion 6910631 3 2005776 forme le pôle positif et le pôle négatif soit différent de l'unité» Une installation pour la mise en oeuvre du procédé est alimentée par un système triphasé et comporte un dispositif redresseur^ par exemple une batterie d'éléments redresseurs secs au sélénium 5 ou de redresseurs à diodes commandées (thyristors par exemple) et un onduleur, de préférence à bas® d© thyristors, un redresseur étant prévu dans chacune des trois phases du système triphasé et chaque redresseur ayant une de ses bornes reliée à lcime des entrées de 1 Onduleur tandis que l'autre entrée de celui-ci est raccordée au ©entre 10 d'étoile du système triphasé» Il existe une autre possibilité de réduction des résistances inductives, consistant à disposer le commutateur de l'onduleur qui est relié à l'électrode en fusion à proximité immédiate de cette électrode et à placer les éléments de commutation de 1'onduleur, 15 qui sont reliés à la plaque de base ou à la coquille, à proximité de cette plaque ou de cette coquille» Un autre objet de l'invention est la réalisation d'une installation permettant une exécution particulièrement simple et efficace du procédé selon l'invention, ce qui est obtenu par le fait que 20 l'on raccorde aux conducteurs de phase et au conducteur du centre de l'étoile du système triphasé ou hexaphasé? des jeux de thyristors adaptés à convertir le courant triphasé ou hexaphasé en un courant monophasé de sens périodiquement inversé et par la connexion de l'électrode en fusion dans le circuit de courant monophasé» 25 Dans une forme préférée de réalisation d'une telle installa tion, il est prévu une commande mécanique ou électronique réglable coopérant avec les jeux de thyristors. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple non 30 limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue en élévation en partie schématique d'une installation permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 2 est un schéma fonctionnel de l'onduleur 5 incorpo-35 ré dans la figure 1, étant bien entendu que les commutateurs et ne sont pas nécessairement des commutateurs mécaniques mais peuvent être constitués par des soupapes commandées, genre BAD ORIGINAL 6910631 4 2005776 thyristors par exemple? >,s figure 3 est laa diagrassa® aoatraat en fonction du tesps t, Isa variatioaae de la taasloa électrique U appliquée à 18 électeoêle sa fusion 9 par rapport au blo© métallique 14 en formation; 5 la figure 4 est une vue semblable à la figure 1, Montrant xm® autre forme d'installation permettant Ionise en oouvre du procédé en cause. Suivant la forme de réalisation choisie et représentée sur la figure 1, un courant triphasé capté sur les conducteurs de phase 10 B,5 S et T d'un réseau triphasé normal (de la fréquence usuelle de 50 Hs par exemple) est transformé,, à l'aide d'un transformateur triphasé 1, à une tension notablement plus basse et converti au moyen du redresseur 2 en un courant continu présentant un taux d'ondulation réduit» Ge courant s'écoule par les canalisations 3 et 4 ms-15 nant à un onduleur 5. Cet onduleur, comportant une commande 6 mécanique ou électronique, délivre à sa sortie un courant d© sens périodiquement inversé. Aussi bien le rapport des temps pendant lesquels ce courant circulo ©n sens positif et négatif, que la fréquence de base f de ce courant sont modifiables à l'aide de la 20 commande 6. le sens positif est indiqué par la flèche Z dirigée vers le bloc d'acier 14 en formation. La fréquence de base f est déterminée par la relation f = 1 : (ï^ + T^)• l'une des canalisations électriques 7 et 8 qui partent de la sortie de l'onduleur 5» mène à l'électrode en fusion 9 tandis que l'autre est reliée à la 25 plaque de base 10, de préférence en cuivre» L'électrode consommable 9, qui est constituée par l'acier à refondre, est disposée con-centriquemsnt par rapport à la coquille 11 refroidie à l'eau et plonge par son extrémité inférieure dans la couche de laitier 12 nageant sur le bain de métal en fusion 13» Le bloc d'acier solidifié 30 14 formé par le processus de refusion dans la coquille 11 refroidie à l'eau repose sur la plaque de base 10. Lorsque l'électrode 9 se trouve consumée au point d'être réduite à un court tronçon résiduel, elle est dégagée de la couche de laitier 12 et une nouvelle électrode 9 est introduite dans celle-ci«> Afin d'éviter que pendant ce 35 processus de changement de l'électrode 9 la couche de laitier surnageant sur le bain de métal en fusion 13 soit refroidie et qu'elle se solidifie par conséquent, on met en oeuvre, pendant ce processus, bÀU uHiGINAL 6910631 5 2005776 l'électrode auxiliaire 15 parcourue par le couranta Cette électrode est formée de plusieurs barreaux 151 fixés dans un anneau de support 16 autour de l'électrode 9 et parallèlement à celle-ci, les extrémités inférieures de ces barreaux plongeant également dans la cou-5 che de laitier 12. Du pôle positif (+) du système à courant continu part m conducteur électrique 18 vers l'un des plots d'un inverseur 17 et du pôle négatif (-) part une canalisation électrique 19 vers l'un des plots de celui-ci dont le contact mobile est relié par une canalisation électrique 20 à l'électrode auxiliaire 15» 10 Ainsi l'électrode auxiliaire 15 peut être reliée au moyen de l'inverseur 17 alternativement aux deux pôles (+) et (-) du système à courant continu. Lorsqu'ainsi (comme le montrent les figures 1 et 2) l'électrode auxiliaire est reliée au pôle positif du système à courant continu, celui-ci développe des tensions puisantes positi-15 ves par rapport à la plaque de base 10 et à l'électrode 9. Par conséquent, aussi bien la plaque de base 10 que l'électrode 9 se trouvent alors portées à des tensions négatives par rapport à l'électrode auxiliaire 15. Oeci signifie que l'électrode auxiliaire 15 forme anode à l'égard du bain de scorie électriquement conducteur î 20 les ions négatifs chargés qui sont présents dans ce bain de laitier, par exemple les ions d'oxygène, se trouvent ainsi captés. Lorsque, par contre, l'inverseur 17 se trouve dans sa position en traits interrompus (et que par conséquent l'électrode auxiliaire 15 se trouve reliée au pôle négatif du système à courant continu), l'électrode 25 15 forme cathode et capte les ions chargés positivement du bain de laitier, par exemple les ions métalliques. Il est donc possible d'influencer au moyen de l'électrode auxiliaire 15 la réaction métallurgique se développant dans la couche de laitier c'est-à-dire d'une part obtenir à l'électrode auxiliaire la séparation de sub-30 stances d'accompagnement indésirables et d'éviter d'autre part le passage dans la scorie de substances non désirées dans le bloc d'acier formé (par exemple certains métaux). Dans la forme.ife réalisation représentée à la figure 4, le courant triphasé, par exemple de la fréquence usuelle de 50 Hz capté 35 sur les phases R, S et I d'un réseau triphasé est transformé au moyen du transformateur 21 à une tension notablement plus basse. Du côté secondaire de ce transformateur partent - selon la forme d'exé- BAO ORIQINAV 6910631 6 2005776 cution de celui-ci - trois ou six conducteurs de phase 22 et un neutre 23 vers des thyristors disposés dans une armoire à thyristors 24o A l'aidevde la commande 25 mécanique ou électronique et des jeux de thyristors, le courant triphasé ou hexâphasé est transformé 5 en un courant monophasé de sens périodiquement inversé. Aussi bien le rapport des temps pendant lesquels ce courant monophasé circule en sens positif et négatif que la fréquence de base f de ce courant est modifiable au moyen de la commande 25. Le sens positif est indiqué ici encore par la flèche Z pointée vers le bloc d'acier 10 33 en formation. A partir des jeux de thyristors une canalisation électrique 26 mène à l'électrode principale en fusion 28 et une se- . conde canalisation 27 rejoint la plaque de base 29 de préférence en cuivre. L'électrode consommable 28 qui est formée par l'acier à refondre est disposée concentriquement dans la coquille 30 refroidie 15 à l'eau et plongée par son extrémité inférieure dans la couche de laitier 31 surnageant dans le bain de métal en fusion 32. Le bloc d'acier 33 formé par le métal se solidifiant dans la coquille 30 repose sur la plaque de base 29. La tension électrique U que présente l'électrode en fusion 28 par rapport au bloc d'acier en formation 20 33 varie en fonction du temps t de la manière visible sur la figure 3. Contrairement au mode de fonctionnement usuel en matière de refusion sous laitier, le procédé selon l'invention permet l'obtention de conditions particulièrement favorables dans tous les cas de re-25 fusion de métaux aussi bien en ce qui concerne le rendement que les propriétés métallurgiques du métal refondu. Les frais d'installation ainsi que les coûts de l'exploitation selon l'invention sont relativement faibles. Un autre avantage des installations selon l'invention consiste en ce que ces installations peuvent être alimen-30 tées par le courant triphasé des réseaux de distribution usuels, les trois phases étant utilisées d'une manière parfaitement symétrique. A l'égard des installations connues à courant monophasé ou triphasé en matière de refusion de métaux, le procédé selon l'invention a en outre l'avantage très important de permettre de travailler à des fac-35 teurs de puissance (cos. f) notablement plus élevés. Ceci est attribué au fait que dans le circuit monophasé où. se trouve l'électrode en fusion, les chutes de tension inductive sont très faibles lorsque l'on travaille dans ce circuit aveo des fréquences de base notablement plus faibles que la fréquence normale du réseau, se situant par 40 exemple entre 5 et 10 Hz. 0AQ 6910631 7 005776 swmmiQAsioim 1 - Procédé pour la fusion sous laitier de métaux, en particulier d'aciers, où le sens du courant électrique traversant 1'électrode en fusion se trouve périodiquement inversé, caractérisé par la 3 conversion du courant d'alimentation triphasé ou monophasé en un courant de sens périodiquement inversé à une fréquence de hase différant notablement de la fréquence du courant d'alimentation et par l'application du courant ainsi élaboré à l'électrode en fusion. 2 - Procédé selon 1, caractérisé en ce que, aussi bien le rap-10 port des temps Pen 3 - Procédé selon 1, caractérisé en ce qus la fréquence de base f du courant traversant 1*électrode on fusion est inférieure à la 15 fréquence du réseau et se situe par exemple entre 5 et 10 Hz. 4 - Procédé selon 1, caractérisé en ee que le rapport des temps pendant lesquels l'électrode en fusion forme le pôle positif est différent de 1. 5 - Installation pour l'exécution du proeédé selon 1, alimentée 20 par un système triphasé, caractérisée par un dispositif redresseur, par exemple à âéments secs au sélénium ou à valves commandé par des thyristors et par un onduleur, de préférence à base de thyristors, un redresseur étant prévu dans chacune des phases du système triphasé et chaque redresseur ayant une borne reliée à l'une des entrées 25 de l'onduleur, l'autre entrée de celui-ci étant reliée au neutre du système triphasé. 6 - Installation selon 5, caractérisé en ce que les moyens de commutation de l'onduleur qui sont reliés à l'électrode en fusion sont disposés à proximité immédiate de ladite électrode et en ce que 30 les moyens de commutation de l'onduleur qui desservent la plaque de base ou la coquille sont disposés à proximité de cette plaque ou coquille. 7 - Installation selon 5 avec une électrode auxiliaire, caractérisée par la disposition d'un ou plusieurs conducteurs électriques 35 par lesquels l'électrode auxiliaire peut être reliée à volonté au pôle positif ou au pôle négatif du système à courant continu alimentant l'onduleur. 6910631 8 2005776 S - Installation selon caractérisée en ce qu'à partir du pôle positif du système à gourant continu une canalisation électrique mène à l'un des plots, et à partir du pôle négatif tm© autre canalisation mène à l'autre plot, d'un inverseur desservant l'élse» 5 trode auxiliaire® 9 - Installation pour Ieexécution du procédé selon i, alimentée par un système triphasé, caractériséepar le raccordement aux conducteurs de phase et au neutre d'un système triphasé ou hexaphasé d'un ensemble de thyristors adapté à convertir le courant triphasé ou 10 hexaphasé en un courant monophasé de sens périodiquement inversé air par l'insertion de l'électrode en fusion dans le circuit monophasé ainsi constitué, 10 - Installation selon 9, pour la mise en oeuvre du procédé selon 2S caractérisée par une commande mécanique ou électronique 15 coopérant avec la batterie de thyristors. 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