Brevet FR2222821A1 — publié le 19741018

La présente invention concerne les electrodes en carbone utilisées dans les fours à arc ou ton procède à l'élaboration des métaux ou alliaaes, notamment de l'acier. La majorité des fours électriques à arc sont équins d'électrodes en carbone amorphe ou de préférence en graphite pour faire jaillir un arc entre les électrodes et le matériau à fondre ou à chauffer. Ces électrodes, du moins en ce qui concerne la partie introduite dans le four, sont soumises à une usure progressive due notamment à la combustion et la sublimation du carbone dans la zone de formation de l'arc et à l'oxydation latérale de l'électrode dans l'atmosphère du four. En effet, la partie de l'électrode introduite dans le four est portée à très haute température nuisque l'on enregistre des tempera- tures superficielles qui sont encore de l'ordre de 1500 à 1000C au niveau de la voute.Cette usure se traduit par une consonnation importante de l'électro- de qui contribue à augmenter le prix du métal élaboré. A titre indicatif, on a calculé que le coût propre à la consommation d'electrode représente le tiers et même parfois la moitie du coût de la consommation électrique. On comprend pourquoi les utilisateurs de fours à arc se sont toujours attachés à rechercher des méthodes permettant de réduire l'usure des électrodes. C'est ainsi que l'on a proposé d'isoler les électrodes de l'atmosphère du four par un "grainage gazeux" obtenu au moyen d'un gaz susceptible de former nar decomposition du carbone qui se dépose sur la surface extérieure de l'électrode.Cette technique nécessite la réalisation d'un dispositif d'injection enveloppant chaque électrode et disposé sur la voute du four, ce qui complique considérablement la conception de cette dernière. La présente invention a pour but de fournir une méthode et un disnositif pour limiter l'oxydation latérale des électrodes en graphite des fours à arc au moyen d'une protection par gaz inerte sans pour autant avoir à modifier la structure des fours. A cet effet, l'invention a pour objet une méthode pour pro téger contre l'atmosphère d'un four à arc une électrode en graphite comportant sur toute sa longueur un conduit central.Pour obtenir la protection désirée on délimite dans le conduit central un espace ferme dont une partie au moins se trouve dans la portion d'électrode introduite dans le four et l'on insuffle dans cet espace fermé un gaz neutre sous pression desmaniere à le faire diffuser dans l'épaisseur du graphite de l'intérieur vers ltexterieur. De plus, comme l'électrode est régulièrement abaissée pour comnenser son usure, on ajuste la limite inférieure de l'espace fermé en fonction de cette usure. L'invention concerne également un dispositif nour mettre en oeuvre cette protection sur une électrode creuse en graphite, dispositif qui permet de former dans le conduit de l'électrode creuse l'espace fermé dans lequel on injecte le gaz neutre. Le dispositif est constitué par un premier tube, place dans le con duit central de l'électrode, termine par un joint métallique souple soude sur le premier tube et ferme par un opercule métallique. Le joint métallique est destiné à assurer l'étanchéité par appui contre les parois du conduit central. Un deuxième tube disposé concentriquement dans le nremier vermet d'introduire un liquide de refroidissement qui est évacué à la partie supérieure du Dremier tube. Le premier tube est maintenu à sa partie supérieure par un noyau fileté vissé sur l'électrode et comportant un conduit central équiDé de joints toriques dans lesquels passe le nremier tube, ce qui assure l'étanchéité dans la partie supérieure. Selon une caractéristique de l'invention le noyau comporte moins un conduit pour insuffler le gaz neutre.Selon une variante de realisation, le premier tube comporte deux joints métalliques superposés et espacés de manière à definir entre eux un espace fermé dans lequel est insufflé le gaz neutre au moyen d'une tubulure disposée à l'intérieur du premier tube et débouchant dans ledit espace fermé. De plus, pour protéger le joint souple du rayon- nement, on peut rapporter un écran thermique en bout de ce dernier. Le disnositif comprend également un organe de perte de charge dispose sur le circuit de refroidissement pour régler la pression du fluide. Comme on le comprend, la méthode de protection objet de l'invention consiste à utiliser la porosité du graphite pour réaliser la diffusion d'un gaz neutre dans la masse de graphite de l'intérieur de l'électrode vers la surface de cette dernière. Ainsi on obtient à la fois une Himprégnation" du graphite dans sa masse par le gaz neutre et la formation d'une gaine protectrice à la surface de l'électrode. L'utilisation d'électrodes creuses ne pose nas de problème car elles sont déjà mises en oeuvre et disponibles chez-Ses fournisseurs. On comprend par ailleurs que le problème technique à résoudre consistait à réaliser un espace fermé dans le confit central à fluide afin de créer une certaine pression de gaz neutre et le contraindre ainsi à pgnétrer dans la masse poreuse de graphite. L'obturation du conduit central de l'électrode nosait un probleme délicat en raison de la température très élevée du graphite à l'inte- rieur du four et de la nécessité de déDlacer le dispositif dans le conduit central en fonction de l'usure de l'électrode.La solution technologique anportée par le demandeur apparaStra nieux grâce à la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif en regard des planches de dessin sur lesquelles - la figure 1 représente, vue en coupe, une electrode de graphite creuse équipée du dispositif objet de l'vention, - la figure 2 représente un second mode de réalisation permettant de limiter la zone de diffusion du gaz neutre. Sur la figure 1 on a représenté, vue en coupe, une électrode de graphite 1 percee d'un conduit central 2 sur toute sa longueur. Pour simplifier le dessin, on n'a pas figure les divers éléments constitutifs d'une életrode indus trielle formee par des segments de graphite raccordés entre eux nar des noyaux filetés en graphite dits "niDçle". Il est entendu que dans le cas d'électrodes creuses ces nipples de raccordement comportent un conduit de même diametre que celui de l'électrode. Dans le conduit central 2 est introduit un tube 3 à l'ex trémité duquel est soudé un joint métallique souple 4 ferme au un onercule métallique de meme nature 5.Ce joint comportant une serine d'ondulations latérales et l'opercule 5 sont réalisés en netal mince, par exemple en acier inoxydable. Ces modeles de joints sont disponibles dans le cornmerce, ou usinés aux cotes demandées. Dans le tube 3 est disposé concentriquement un second tube 6 qui permet d'amener un liquide de refroidissement au niveau du joint 4. *4 liquide de refroidissement est évacué à la partie supérieure du tube 3 par une conduite 7. L'ensemble des tubes est maintenu à la partie superieure de l'electrode par un nipple 8 vissé en bout de l'électrode et comportant un conduit 9 creuse d'une gorge dans laquelle est placé un joint torique 10 qui assure le contact avec le tube 3.Le nipple comprend épaulement un passage pour un tube il d'amenee de gaz neutre, par exemple de l'argon. De plus, une perte de charge 12 et éventuellement un manostat non représente sont montés sur la conduite d'eva- cuation du liquide de refroidissement. On va maintenant décrire le fonctionnement du dismositif. Lorsque le tube 3 a eté mis en place et descendu au niveau choisi on admet le liquide de refroidissement à une pression telle que le joint métallique souple se déforme latéra- lement, et les ondulations sont plaquees sur l-a paroi du conduit interne assurant ainsi l'étanchéité dans le conduit. A cet instant on a délimité un esDace fermé compris entre le joint souple et le joint torique fixe dans le nipple. On insuffle alors de l'argon sous pression dans cet espace par la canalisation 11. L'argon ne pouvant s'echapper ni par le bas de l'électrode ni par le haut -diffuse dans l'épaisseur du graphite qui est toujours poreux et s'échappe à la surfage de l'électrode en créant une atmosphère neutre isolante à la surface de celle-ci. De plus, tout le graphite est imprégné d'argon ce qui évite toute entre d'un autre gaz dans les capillaires repartis dans le graphite. Il est évident que dans ce mode de réalisation toute l'électrode est soumise à la dif- fusion y compris la partie exterieure du four. Cette diffusion généralisée n'est pas grave car d'une part le débit d'argon est faible et le gaz peu coûteux et d'autre part elle présente l'avantage d'impregner de gaz la partie d'electrode qui va ultérieurement être introduit dans le four. Lorsque l'on veut relever le dispositif par suite de l'usure de l'électrode, on diminue au moyen de la perte de charge 12 la pression du liquide de refroidissement, sans interrompre le debit, et le joint souple se retrécit permettant d'extraire la longueur voulue du tube 3. Ensuite on rétablit la pression conne précédernment. Cette pression, toujours supérieure à deux bars, dépend de la structure du joint et du métal dans lequel il est réalisé et est fournie par le fabricant. Pour obtenir un centrage régulier du tube 3 dans le conduit 2 on peut le munir d'ailettes de centrage 13. En effet les électrodes des arands fours industriels peuvent atteindre des longueurs de l'ordre de 10 mètres. Si l'on souhaite limiter la zone où l'on injecte l'argon, on peut utiliser un dispositif tel que celui représenté sur la figure 2. Dans ce mode de réalisation on a utilisé deux joints souples superposés 14 et 15 réunis par un seg- ment de tube 16. Ainsi on délimite un espace fermé 17 plus restreint comDris entre les deux joints et qui peut être adapté exactement à la zone orécise que l'on souhaite protéger. Bien entendu l'arrivée d'argon se fait alors par une tubulure 18 interne au tube 3 et qui débouche entre les deux joints. Les autres organes du dispositif sont les memes, excepté le nipnle qui ne comprend plus de conduite de gaz. Des essais effectués par le demandeur ont montré que ce dispositif suDpor tait aisément les températures régnant dans l'électrode grace à l'efficacité du refroidissement. Ainsi avec un debit d'eau de 2,5 m3/h pour un tube de 70 mm de diamètre et une température d'eau à l'entrée de 100, la température de sortie était de 450C. Toutefois, si l'on veut nrendre des Drecautions supplemen- taires on fixe en bout du joint inférieur un écran thermique 18 en matériau réfractaire. Par mesure de sécurité on peut adapter au circuit de refroidissement un dispositif permettant de limiter l'ecoulement du liquide de refroidissement en cas de percement des tubes tels que celui décrit dans la demande nO 71/434fui5 déposéé par le demandeur. REVENDICATIONS 1. Méthode pour proteger contre l'atmosphère d'un four à arc une électrode de graphite comportant sur toute sa longueur un conduit central, caractérisée en ce que l'on délimite dans le conduit central un espace ferme , que l'on introduit dans cet espace un qaz neutre sous pression de maniera à le faire diffuser dans l'épaisseur du graphite de l'intérieur vers l'extérieur, et que l'on ajuste la position de la limite inferieure de l'espace en fonction de l'usure de l'électrode. 2. Electrode de four à arc protégée contre l'atmosphère du four par un gaz neutre comportant sur toute sa longueur un conduit central caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif interne pour delimiter dans le conduit central un espace fermé, dispositif constitué par - un premier tube comportant à a partie inferieure un joint d'étanchéité métallique souple fermé par un opercule métallique et un second tube disposé à l'intérieur du premier tube pour introduire un liquide de refroidissement évacué à la partie supérieure dudit premier tube - un organe de centrage du premier tube constitue nar un noyau vissé en bout de l'électrode comportant un conduit central équipé d'au moins un joint torique pour le passage du premier tube. 3. Electrode selon la revendication 2 caractérisée en ce que le noyau visse en bout d'électrode comporte des conduites pour introduire un gaz neutre dans l'espace ferme compris entre le premier tube et les parois du conduit central de l'électrode. 4. Electrode selon la revendication 2 caractérisée en ce que le premier tube comporte un second joint métallique souple dispose au-dessus du joint in férieur pour definir un espace fermé entre les deux joints et en ce que une tubulure interne disposée à l'intérieur du premier tube débouche dans cet espace pour y introduire le gaz neutre. 5. Electrode selon les revendications 2 à 4 caractérisée en ce que le joint souple métallique disposé en bout du premier tube est équipé d'un écran thermique. 6. Electrode selon les revendications 2 à 5 caractérisée en ce que le circuit de fluide comporte des moyens pour régler la pression dudit fluide.