Brevet FR2176546A1 — publié le 19731102

La présente invention se rapporte à des perfectionnements aux électrodes de fours électriques à arc du type utilisé pour la fusion de ferrailles ou de produits métallisés et 11 affinage éventuel du métal liquide obtenu pour produire de placier. zanis ltétat actuel de la technique des fours électriques à arc, on utilise des électrodes en carbone amorphe ou de préférence en graphite pour faire jaillir un arc, soit entre les électrodes et le matériau à chauffer, soit éventuellement entre les électrodes elles mêmes. Au cours des opérations effectuées dans le four, les électrodes sont sujettes à des causes diverses d'usure, par exemple combustion et sublimation dans la zone de formation de l'arc, oxydation latérale dans l'atmosphère du four, oxydation et érosion locales au droit du passage de l'électrode dans la volte du four, détérioration de l'électro- de au droit des colliers de serrage amenant lténergie électrique, bris etc... L'usure se traduit par une consommation appréciable d'électrodes, en particulier dans les fours très performants actuellement utilisés. A titre indicatif, on peut mentionner qu'une consommation moyenne de 6 kg de graphite par tonne d'acier produit semble actuellement gtre une limite inférieure. Les opérations de remplacement des électrodes représentent en outre une perte de production importante. On a ainsi estimé que le coût moyen global des électrodes par rapport à la consomtion d'énergie électrique se situait entre le tiers et la moitié du prix de cette dernière. On aonqoit donc que toute amélioration visant à limiter l'usure des électrodes se traduise par un abaissement substantiel du prix de revient du produit élaboré.On a proposé de remplacer les électrodes en graphite par des électrodes non réfractaires, par exemple des électrodes partiellement ou entièrement métalliques refroidies par une circulation d'eau et pouvant comporter des moyens visant à faire jaillir l'arc sans destruction locale de l'électrode. Bien que supprimant en principe tous les phénomènes d'usure propres aux électrodes en graphite du fait des propriétés mécaniques supérieures des matériaux utilisés par rapport à celles du graphite, les électrodes de ce type se révèlent en pratique incompatibles avec les sollicitations thermiques auxquelles elles sont soumises au stade de leur utilisation industrielle pour des opérations de fusion et d'élaboration de l'acier, au cours desquelles les énergies mises en Jeu sont nécessairement très importantes. la présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en limitant l'usure des électrodes dans les fours à arc tout en autorisant l'uti- lisation des énergies importantes nécessaires aux opérations de fusion et d' éla- boration de produits métalliques0 A cet effet, Invention a pour objet une électrode composite perfectionnée pour four électrique composée de deux éléments de caractéristiques diffé rentes placés axialement dans le prolongement l'un de l'autre et liés par un organe dtassemblage fileté coopérant avec les extrémités en regard, caractérisée en ce que des moyens de pression exerçant un effort axial sur les par ties filetées en prise sont disposés à l'extrémité d'un des éléments d'électrode de façon à maintenir la rigidité de l'assemblage des deux éléments et la permanence de la transmission de l'énergie électrique entre ces deux élé- ments. Comme on le comprend, le demandeur stest attaché à concevoir une électrode de four à arc comme un tout dont chaque élément constitutif soit adapté aux conditions d'emploi et aux sollicitations spécifiques auxquels il est soumis. En raison de ses qualités d'infusibilité, d'inertie chimique, de conductibilité électrique et de résistance aux chocs thermiques, le graphite demeure en effet dans l'état actuel de la technique le seul matériau permettant de maintenir un arc électrique de grande puissance dans les conditions de fonctionnement du four électrique et dans des conditions de prix de revient acceptables. On est donc conduit à conserver ce matériau pour la constitution de ltélé- ment terminal de l'électrode, à l'extrémité duquel se forme l'arc. L'énergie peut par contre tre amenée à cet élément terminal par un ou plusieurs éléments intermédiaires réalisés en un autre matériau que le graphite, par exemple en métal. On diminue ainsi l'usure par oxydation latérale tout en éliminant les risques de bris de la partie d'électrode ainsi constituée.L'électrode selon l'invention comporte des moyens d'assemblage d'un élément de graphite à un élément métallique, moyens permettant de mettre en oeuvre effectivement une électrode ainsi constituée en assurant le maintien de la rigidité de l'assemblage de ces éléments et la permanence de la transmission de l'énergie électrique d'un élément à l'autre malgré les comportements en température différents des matériaux assemblés. Les moyens de pression permettent en effet de maintenir en contact permanent les parties assemblées malgré les dilatations différentes subies par ces parties sous l'effet de la ehaleur. La surface externe de l'élément métallique peut être recouverte d'un revê- tement adhérent non conducteur de l'électricité. On prévient ainsi dans le cas d'une opération de fusion, par exemple de ferrailles, le risque de formation d'arcs parasites indésirables entre cet élément et les matériaux à fondre. De toutes façons, les diverses caractéristiques de l'électrode selon l'in- vention et les avantages quelles lui confèrent apparaitront clairement dans la description d'un mode de réalisation d'une électrode selon l'invention donnée à titre d'illustration dans l'exemple qui va suivre en référence aux figures des dessins annexés dans lesquelles - la figure 1 représente une coupe longitudinale partielle d'une électrode selon l'invention ; - la figure 2 représente une coupe longitudinale partille dtune variante de réalisation de l'électrode. En se reiXrtant à la figure 1, on voit que ltélec ,ode est eonstituée de deux éléments d'électrode 1 et 2 assemblés au moyen d'un nipple 3. L'élément 1 est l'élément inférieur de l'électrode et se trouve constitué en graphite. il comporte à l'une de ses extrémités de façon connue un alésage conique fileté. Le nipple 3, d'un type couramment utilisé dans la technique considérée, est un corps en graphite fileté extérieurement et en forme de double tronc de c8ne dont les plus grandes bases sont communes, l'une des parties tronconiques étant vissée dans l'alésage fileté de l'élément inférieur 1. L'élément 2 est l'élément supérieur de l'électrode et est réalisé en un matériau présentant de bonnnes qualités mécaniques et un coefficient élevé de transmission de la chaleur, par exemple un alliage de cuivre. L'extrémité inférieure de cet élément est conformée de façon à présenter un alésage conique fileté destiné à recevoir la seconde partie tronconique du nipple 3.Cet alésage est usiné dans une pièce de révolution réalisée en un m8me matériau que l'élément 2 et rapportée à l'extrémité dudit élément. La pièce de révolution 4 comporte un alésage cylindrique axial 5 débouchant dans l'alésage fileté. Un poussoir 6 de forme générale cylindrique est disposé dans alésage cylindrique 5. Le poussoir est en contact par sa base avec la petite base de la partie tronconique du nipple vissée dans l'alésage fileté de la pièce de révolution 4. Un ressort comprimé 7 est disposé dans l'alésage 5, ce ressort prenant appui d'une part sur le fond de cet alésage, d'autre part sur le poussoir. Le poussoir exeree donc par sa base sur le nipple 3 un effort axial proportionnel au taux de compression du ressort 7. Une tige filetée 8 est fixée au fond de l'alésage cylindrique 5.Le poussoir 6 comporte un perçage axial 9 dans lequel s' engage l'ex- trémité de la tige 8. Le déplacement du poussoir est limité axialement par un écrou 10 vissé à l'extrémité de la tige. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, dans laquelle les éléments correspondant aux éléments représentés sur la figure 1 sont repérés par les mimes numéros de référence, l'extrémité inférieure de l'élément métallique d'électrode 2 présente une partie conique male filetée ll formant téton d'assemblage, cette partie conique étant usinée dans une pièce de révolution 12 réalisée en un mEme matériau que élément 2 et rapportée à l'extré- mité de ce dernier. Cette partie conique comporte un alésage cylindrique axial 5 débouchant à son extrémité. Un poussoir 6 sollicité par un ressort comprimé 7 et dont le déplacement axial est limité par un écrou 10 vissé à l'extrémité d'une tige fixée au fond de l'alésage cylindrique 5 est disposé dans ledit alésage. La partie conique filetée 11 est vissée dans l'alésage fileté de ltélé- ment inférieur d'électrode 1, lequel présente un dégagement 12 usiné au fond dudit alésage fileté0 Le poussoir est engagé partiellement dans ce dégagement et exerce par sa base sur le fond de ce dégagement un effort axial proportionnel au taux de compression du ressort 7. En se reportant aux figures 1 et 2, on voit que l'élément métallique d'électrode 2 est de forme générale tubulaire. Cet élément est refroidi de façon connue en soi par une circulation d'eau introduite par une canalisation axiale 15 a l'intérieur dudit élément et évacuée par des orifices 14 pratiqués à l'ex- trémité supérieure de cet élément. La surface externe de l'élément métallique d'électrode 2 peut etre recouverte d'un revêtement réfractaire non conducteur de ltélectricité 15, par exemple une couche de béton alumineux. Ce revêtement est ancré à cette surface au moyen de rainures 16 pratiquées dans ladite surface.Ce revêtement réfractaire non conducteur s'étend de l'extrémité inférieure de l'élément métallique d'électrode 2 jusqu'au voisinage de l'extrémité supérieure dudit élément de façon à ménager à cette extrémité une portée non isolée 17 destinée à venir en contact avec des pinces d'électrode l8pour l'introduction de l'énergie électrique. L'èxtrémité supérieure de l'élément métallique d'électrode 2 comporte une butée 19 venant en appui contre les pinces d'électrode de façon à supporter l'électrode. L'électrode précédemment décrite peut Etre introduite dans la voûte d'un four à arc de façon à ce que l'élément métallique d'électrode 2 s'étende entre les pinces d'électrode 18 et 11 intérieur du four. Le four est muni de façon générale de trois électrodes semblables alimentées chacune par une phase du courant triphasé, les arcs produits entre les électrodes et le matériau introduit dans le four formant un couplage en étoile de ces trois électrodes. Le poussoir 6 et le ressort 7 constituent un dispositif de rattrapage du jeu au droit de l'assemblage de l'élément d'électrode en graphite 1 à ltélé- ment métallique d'électrode 2, lequel jeu est créé par suite des dilatations différentes du graphite et du métal sous l'effet de la température régnant dans le four. Les surfaces de filetage en prise du nipple 3 ou du téton d'assemblage 11 et de 11 élément dans lequel ces organes d'assemblage sont vissé se trouvent en effet maintenues en contact par l'action du poussoir, lui mebme sollicité par le ressort.On est ainsi assuré de maintenir.la rigidité de l'assem- blage entre les deux éléments de l'électrode ainsi que la permanence de la transmission de l'énergie électrique à l'élément en graphite. il convient de noter que l'élément métallique d'électrode étant continuellement refroidi par une circulation d'eau peut être maintenu a une température moyenne substantiellement inférieure à la température de l'élément en graphite. Bien que les coef- ficients de dilatation linéaires du graphite et des alliages de cuivre soient approximativement dans le rapport de 1/5 pour les températures envisagées, la dilatation différentielle au droit des zones d'assemblage demeure donc rela tivement faible. L'utilisation d'une électrode selon l'invention pour des opérations de fusion ou d'affinage effectuées dans un four électrique permet de réduire la consommation en graphite et les pertes de production pouvant résulter de l'utilisation d'électrodes réalisées entièrement en graphite. L'élément métallique d'électrode introduit dans le four n'est pas en effet sujet à une usure par oxydation latérale tant à l'intérieur du four qutà l'extérieur de celui ci, et résiste beaucoup mieux que le graphite à d'éventuels chocs mécaniques. En cas de bris de l'élément terminal en graphite la perte est limitée à la partie brisée de cet élément.Le tirage important existant au droit du passage de l'électrode dans la vottte n'a pas sur l'élément métallique d'électrode, re couvert ou non d'un rev8tement réfractaire isolant, d'effets aussi néfastes que sur un élément en graphite introduit dans ce passage comme dans la pratique actuelle. Enfin, on élimine les causes d'usure associées à une introduction directe du courant dans un élément en graphite par les pinces d'électrode. L'électrode selon l'invention trouve son application dans les fours de fusion et d'affinage à arc direct ou indirect et convient également aux fours dans lesquels le chauffage est opéré par résistance au moyen d'électrodes dont l'extrémité est plongée dans un bain métallique. Une autre application particulièrement intéressante de l'électrode selon l'invention consiste à utiliser cette électrode pour des opérations réalisées dans des fours sous vide ou sous atmosphère contrB;lée ; on peut alors réaliser de façon simple une étanchéité parfaite au droit du passage de 1'élément métallique d'électrode dans la vote d'un four de ce type, étanchéité difficilement réalisable avec des électrodes en graphite du fait de la porosité et des imperfections de surface inévitables des éléments réalisés en un tel matériau, alors qu'il est possible de réaliser par polissage un élément métallique d'électrode présentant un degré de finition de surface élevé compatible, par exemple, avec l'utilisation de joints d'étanchéité toriques. L'élément terminal en graphite et le nipple sont des éléments disponibles dans le commerce et peuvent comporter tous les perfectionnements propres à ces éléments. Par exemple, on peut envisager d'utiliser comme élément terminal de l'électrode selon l'invention un élément d'électrode creuse en graphite ; de itme, cet élément en graphite peut lui mEme comporter un revu tement protecteur augmentant sa résistance à l'oxydation ou améliorant sa conductibilité électrique. Enfin, la partie en graphite de l'électrode peut Entre constituée elle me de plusieurs éléments en graphite aboutés et assemblés entre eux de façon connue. REVENDICATIONS 1 - Perfectionnements aux électrodes composites pour fours électriques composées de deux éléments de caractéristiques différentes placés axialement dans le prolongement l'un de l'autre et liés par un organe d'assemblage fileté coopérant avec les extrémités en regard, perfectionnements caractérisés en ce que des moyens de pression exerçant un effort axial sur les parties filetées en prise sont disposés à l'extrémité d'un des éléments d'électrode de façon à maintenir la rigidité de l'assemblage des deux éléments et la permanence de la transmission de l'énergie électrique entre ces deux éléments. 2 - Electrode selon la revendication 1 caractérisée en ce que les moyens de pression sont constitués par un poussoir sollicité par un ressort et disposé dans un alésage débouchant à l'une des extrémités de l'un des deux éléments, ledit poussoir sollicitant directement l'organe d'assemblage. 3 - Electrode selon la revendication 1 caractérisée en ce que les moyens de pression sont constitués par un poussoir sollicité par un ressort et disposé dans un alésage débouchant à l'une des extrémités de l'un des deux éléments, ledit poussoir sollicitant directement l'élément adjacent. 4 - Electrode selon la revendication 1 caractérisée en ce que l?un des éléments d'électrode est constitué en un matériau métallique et comporte sur sa surface latérale externe un revêtement réfractaire isolant. 5 - Electrode selon la revendication 4 caractérisée en ce que la surface externe de élément métallique d'électrode comporte des rainures d'ancrage du revêtement réfractaire isolant.