Brevet FR2236942A1 — publié le 19750207

La présente invention concerne 11 élaboration en continu d'acier au four à arc. I1 est généralement admis que les meilleures conditions d'utilisation du four à arc conduisent à en faire un instrument de fusion. Dans certains cas, cette conception nécessite de prévoir un second récipient métallurgique dans lequel on procède aux opérations de mise à.la nuance et de finition du métal fourni par le four. Cette fonction-de fusion du four à arc peut être envisagée selon deux techniques, la formule discontinue qui consiste à introduire une charge solide dans le four en une ou plusieurs fractions, à la fondre, puis à couler le métal produit, - et- la formule continue qui consiste à maintenir dans le four du métal liquide que l'on évacue continûment et à compenser cette coulée par un apport continu de produits riches enfer.Ces deux formules se distinguent fondamentalement par le fait qu'en fusion discontinue le four travaille en charge essentiellement solide et dans la deuxième formule sur une charge essentiellement liquide Dans la premère formule les arcs jaillissent sur une charge solide dans laquelle ils creusent des puits, et de ce fait tout le rayonnement est reçu par la charge à fondre sans grands risques de détérioration des parois réfractaires du four dont elle assure la protection. Dans- la phase de fusion de la charge solide, il est donc possible d'utiliser une forte puissance électrique et d'avoir un bon rendement de l'arc, ce quiest difficile à réaliser en fusion continue où lton travaille avec une charge liquide. Le but de la présente invention est de fournir un procédé de fusion continue permettant d'obtenir un rendement thermique aussi eleve que possible et fournissant un-métal à une température autorisant son évacuation continue. A -cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour fondre en continu des produits riches dans un four à arc, consistant à utiliser les arcs jaillissant entre le bain de métal et les électrodes pour fondre les produits riches en fer introduits continûment dans le four et à évacuer continûment par des seuils distincts le métal et le laitier produits.Ce procédé est caractérisé par le fait que l'on maintient une épaisseur de laitier supérieure à la longueur de l'arc jaillissant entre les électrodes et le bain de métal afin de masquer une partie de la colonne d'arc, que l'on entretient une décarburation permanente du bain pour obtenir un moussage du laitier et que lton introduit continûment des produits solides riches en fer entre les électrodes pour former un tas qui intercepte le rayonnement émis par la partie supérieure de la colonne d'arc. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on règle les additions pour former un laitier dont l'indice de basicité n'est pas inférieur à 2. Par ailleurs, pour maintenir une décarburation permanent on règle les quantités de carbone et d'oxygène introduites dans le four. MMeme si cela s' avère néceS- saire, on peut introduire du carbone pur ou souffler de ltoxygène dans le four, ou effectuer les deux opérations simultanément. L'invention a également pour objet un four comprenant une cuve équipée de deux seuils pour l'évacuation du métal et du laitier produits, une voûte mobile traversée par des électrodes et équipée en son centre de moyens pour introduire des quantités pesées de produits riches en fer. Ce four est équipé de thermocouples pour mesurer la température du métal, de fluxmètres incorporés dans les parois pour suivre l'évolution du flux thermique reçu par ces dernières, de moyens pour mesurer les caractéristiques électriques de l'arc, de moyens pour repérer la position des électrodes dans le four etZde moyens pour prélever et analyser les gaz formés dans le four. Comme on le comprend, la méthode objet de l'invention vise à réaliser un réglage électrique du four et une configuration arc-charge les plus favorables pour obtenir un rendement thermique élevé. Ce point est essentiel, car à un rendement thermique élevé correspond une usure limitée des réfractaires et une consommation d'énergie minimale par tonne d'acier produit. En pratique ce résultat est obtenu en essayant d'intercepter le plus possible les effets thermiques de l'arc par le métal, le laitier et également par la charge à fondre. Avant de poursuivre, on rappellera que dans un four électrique fonctionnant en marche continue l'essentiel de h charge est liquide et que contrairement à ce qui se passe avec un four classique chargé en ferrailles, les transferts de chaleur se font avec un bain "plat" ou presque. Dans ce contexte, le mode de conduite du four va consiste en outre, à régler la longueur de l'arc et les proprietés du laitier de façon que l'arc s'amorce sur le bain liquide et faire en sorte que l'épaisseur du laitier soit suffisante pour masquer la majeure partie de la colonne d'arc, limiter les projections de métal ou de laitier vers les parois et éviter les flammes orientées vers les parois. On cherche donc en tout premier lieu la formation d'une épaisseur de lai acier suffisante pour masquer géométriquement le rayonnement de la colonne d'arc et des gaz provenant de la colonne de plasma. t'expérience a montré que seur de ce laitier devait être supérieure à la colonne de l'arc, cependant la relation entre ces deux grandeurs n'est pas parfaitement définie et il est vraisemblable que la puissance de l'arc doit jouer également un râle dans la mesure où l'intensité modifie les conditions de pression locales, donc la vitesse des gaz dans l'arc. Pour fixer les idées, on considérera le cas d'une installation électrique de 30 A et de X - 3 mQ qui dissipe une puissance active de 21 MW avec un cos (P de 0,7 et une tension secondaire de 355 volts. Pour une résistance en ligne de 0,5 mfl la tension d'arc est de 121 volts. La longueur de l'arc dans ces conditions peut alors être estimée à une dizaine de centimètres et les essais entrepris par le demandeur ont montré qu'une épaisseur de laitier d'au moins 25 cm était alors nécessaire pour masquer la colonne d'arc. Cependant les caractéristiques de l'arc sont également liées aux propriétés électriques du laitier lui-me. C'est ainsi, par exemple, que l'amorçage sur un laitier fluide surmontant un bain désoxydé donnera un arc rayonnant puisqu'il s'amorcera sur le laitier et que celui-cine pourra plus jouer le rôle d'écran recherché. - On s'efforce donc de maintenir constamment des caractéristiques de laitier favorisant l'amorçage sur le métal. Dans cette optique on provoque volontairement une décarburation de la charge.Les essais entrepris ont montré que, du fait de cette décarburation, des bulles de Cfl traversent le laitier, dtou une augmentation de la résistivité de ce dernier et un amorçage préférentiel de l'arc sur le métal. Cette- décarburation a une deuxième action qui est un gonflement du laitier sous l'effet des gaz. Ce gonflement, comme on le comprend, accentue l'effet d'écran du laitier. L'existence de ces conditions élec- triques particulières a également un effet secondaire favorable qui est de permettre l'établissement d'un arc et d'un jet de gaz chaud moins incliné vers les parois, donc moins dangereux pour les murs du four. Cet effet est d'ailleurs confirmé expérimentalement par le profil d'usure des électrodes qui montre une usure en "sifflet" nettement moins prononcée. Enfin, cette décarburation provoque un autre effet, d'ailleurs bien connu, qui-est l'homogénéisation du métal et du laitier favorisant les transferts thermiques qui évitent les surchauffes locales. Toujours dans le but d'ameliorer le rendement du four en interceptant le plus possible les effets thermiques de l'arc, on utilise également la formation d'un tas de produits solides autour des électrodes Cette technique déjà utilisée par le demandeur a encore été améliorée en modifiant certaines conditions de marche, ce qui a permis de maintenir un tas de produits solides, même dans le cas d'une surchauffe du métal liquide. Ces nouvelles conditions visent à ralentir la vitesse de descente des produits solides à travers le laitier. Ce résultat a en effet été obtenu en agissant sur trois caractéristiques du laitier soit indépendamment soit simultanément si nécessaire. Ces trois earactéristiques sont une épaisseur du laitier plus importante qu'en marche classique, un laitier moins fluide dont l'indice de basicité n'est pas inférieure à 2 et une fluidité superficielle du laitier éventuellement ab-aissée par addition de carbone à la surface-de ce laitier. L'addition de carbone se fait simplement en l'introduisant-avec les produits à fondre sur le laitier. Dans le cadre de- l'invention, on entendra par 'indice de basicité' le rapport pondéral CaO + MgO SiO2 + A1203 Avec de telles conditions de marche, il a été possible de maintenir un tas de produits solides avec un bain dont la teneur en carbone était de 0,3 Z et la température de 16000C, soit une surchauffe du métal d'environ 1000C. On a bien constaté que la présence d'un tas amenait une amélioration du rendement thermique. Après avoir exposé les idées qui ont présidé à l'invention, on va maintenant décrire comment on réalise et on maintient au sein du four les conditions de marche qui assurent le meilleur rendement thermique. Au cours de cette description, on se reportera à la figuré I qui représente une vue schématique d'un four et auxfigures 2a, 2b, 2c qui représentent les diverses possibilités de fonctionnement de l'arc. I1 est en effet aisé de concevoir que l'on ne peut faire colncider toutes les exigences nécessaires pour assurer le régime.optimal de fonctionnement sans avoir recours à une surveillance de nombreux paramètres que lton doit constamment réajuster. Pour faciliter les explicationst on a représenté sur la figure 1 un four de type connu équipé d'un seuil de débordement 1, d'un trou de coulée 2, de trois électrodes 3 et d'un dispositif de chargement de produits riches en fer 4. Sur ce four on procède au moyen d'appareils connus en éux-mêmes, à la mesure de la température e du métal 5 au niveau du siphon, à la mesure de la tension U et de l'intensité I du courant 6, à l'estimation du flux thermique reçu par les parois du four 7 et à la mesure de la position h des électrodes dans le four 8. Ces moyens connus sont par exemple des thermocouples en ce qui concerne la mesure de température et des fluxmètres de paroi dans le cas du repérage du flux thermique reçu par les parois du four.De tels fluxme- tres sont décrits dans le brevet français nO 1593515 au nom du demandeur. De plus, on peut suivre en permanence la composition des fumées en CO et CO2 au moyen d'un analyseur de gaz. Il est à noter que la position des électrodes est, pour un régime stable, une fonction décroissante du temps qui tient compte de l'usure des électrodes. On remarquera également que la hauteur de laitier dans un tel four est fixée par la position respective du seuil de débordement du métal 1 et du trou de coulée du laitier. En se reportant aux figures 2a, 2b et 2c sur lesquelles on a représenté une électrode 9, l'arc 10, le metal 11, le laitier 12 et les produits solides 13, on va décrire les différentes manières d'intervention en fonction d'une dérive d'un des paramètres contrôlé. ta figure 2a représente la marche que l'on souhaite maintenir et pour laquelle l'on absorbe au maximum 11 énergie thermique de l'arc par le métal, le laitier et les produits solides, sans pour autant perdre de vue que l'on cherche à élaborer un métal de composition régulière. Par rapport à cette marche de référence, il peut survenir un certain nombre de dérèglements et l'on va maintenant exposer comment on y remédie dans le cadre de l'invention. Une première dérive constatée peut être celle résultant d'une variation de l'analyse du produit enfourné. Elle se traduit par une variation de la température e du métal élaboré et peut être rapidement décelée à partir des indications fournies par le thermocouple 5. On pallie aisément à cette variation en modifiant le débit des produits enfournés jusqu'au moment où lton retrouve une marche normale. On peut également enregistrer la formation d'un tas de produits solides d'un poids trop élevé par suite d'une variation importante dans 11 analyse des produits enfournés, par exemple la teneur en oxygène des produits enfournés Dans de telles conditions, le tas devient trop important au point de s'écrouler sous les électrodes, provoquant la formation d'un arc instable et rayonnant. Dans cette circonstance on constate une baisse de température du métal, mais surtout-une augmentation du flux thermique:9 et un changement de sens du depla- cement moyen h des électrodes. Celui-ci sera d'ailleurs très erratique, car l'arc s'amorce directement sur le tas de produits solides comme on l'a représenté sur la figure 2b. Dans-ce cas, on réagit en réduisant fortement, et mime en interrompant totalement, l'alimentation-en produits de manière à retrouver l'antienne position des-lectrodes. On reprend ensuite l'alimentation avec un nouveau débit qui sera le débit moyen en tenant compte des arrets, soit le premier débit diminué de 10 à 20 Z. il peut également arriver que le rendement thermique se dégrade. Cette dégradation se traduit par échauffement des parois et par l'obligation de réagir encaissant le débit de produits introduits pour maintenir le niveau désiré de température du métal liquide. Ce mauvais rendement peut être dû à une mauvaise décarburation (métal cabas carbone, produits peu oxydes}. Cette anomalie de fonctionnement peut être facilement décelée par une analyse des gaz s'échappant- du four. t'action pour remédier à ce dérèglement consiste à modifier les additions d'oxygène ou de carbone. Si la décarburation existe et si augmente, il est nécessaire de vérifier si l'épaisseur'du laitier est correcte ou de réduire la tension d'arc ou l'indice de rayonnement de l'arc. Par indice de rayonnement, on entend le produit de la puissance de l'arc (P.arc) par la tension d'arc. Enfin, on a attiré dans Ie texte l'attention sur les effets néfastes d'un arc trop long dans le cas d'un laitier donné. Mais il est également -vrai qu'un arc trop court, figure 2c, entratne un mauvais fonctionnement du four. En effet, dans ce dernier cas, toute l'énergie de l'arc est concentrée dans le métal provoquant une augmentation de la température de ce dernier. Il est à noter qu'un accroissement du débit des produits enfournés ne modifie pas cette tendance à surchauffer le métal. Par ailleurs, le laitier étant moins soumis au rayonnement de l'arc, tend à s'épaissir, ce qui a pour conséquence de provoquer la formation d'un tas de produits solides de plus en plus important à la surface du laitier, mais, contrairement de figure 2b, l'arc continue à s'amorcer sur le métal.Dans cette situation, on doit recourir à l'utilisation d'arcs plus longs ou ayant des indices de rayonnement plus élevés pour revenir à un état de marche plus satisfaisant. On s'aperçoit donc que l'obtention d'un rendement thermique aussi élevé que possible des arcs dans le cas d'un four à arc travaillant en continu exige que soit constamment réuni un-ensemble de conditions concernant aussi bien les caractéristiques du métal et du laitier que celles des arcs eux-mêmes. De plus, certaines de ces caractéristiues agissant mutuellement les unes avec les autres, on doit connaître à tout instant un certain nombre de paramètres permettant d'agir sur certains réglages afin de retrouver le plus rapidement l'état de référence le plus favorable. La méthode objet de l'invention donne les moyens et les manières d'agir pour compenser toutes les dérives par rapport à l'état de référence et conduire dans des conditions optimales, aussi bien en ce qui concerne le rendement thermique que l'usage des réfractaires, un four électrique à arc utilisé en tant qu'étage de fusion continue dans une inssallation de production d'acier. REVENDICATIONS 1. Procédé pour fondre en continu des produits riches en fer dans un four électrique à arc avec un rendement thermique aussi élevé que possible en vue de produire un métal liquide présentant un certain degré de surchauffe, procédé consistant a utiliser les arcs jaillissant entre le bain de métal liquide et les électrodes pour fondre les produits riches en fer introduits en continu dans le four, à évacuer continûment par des seuils distincts le métal et le laitier produits, et caractérisé en ce que l'on maintient une épaisseur de laitier supérieure à-la longueur de l'arc jaillissant entre les électrodes et le bain de métal afin de masquer une partie de la colonne d'arc, que l'on entretient une décarburation permanente du bain pour obtenir un moussage du laitier et que l'on introduit continûment des produits solides riches en fer entre les électrodes pour former un tas qui intercepte le rayonnement émis par la partie supérieure de la colonne d'arc. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'indice-de basicité du laitier est au moins égal à 2. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que lton maintient la décarburation en réglant les quantités de carbone et d'oxygène introduites dans le four. 4. Four électrique continu pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications I à 3 comprenant une cuve équipée de deux seuils pour l'éva cuation du métal et du laitier produits, une voûte mobile traversée par trois électrodes et équipée en son centre de moyens pour introduire des quantités pesées de produits riches en fer et caractérisé en ce qui est équipé de thermocouples pour mesurer la température du métal, de fluxmètres incorporés dans les parois pour suivre l'évolution du flux thermique reçu par ces dernières, de moyens pour mesurer les caractéristiques électriques de l'arc, de moyens pour repérer la position des électrodes dans Ie four et de moyens pour prélever et analyser les gaz formés dans le four.