Brevet FR2280284A1 — publié le 19760220

La présente invention concerne les fours électriques de fusion et, notamment, les fours électriques de préparation et d'affinage de l'acier à partir de ferrailles et/ou de minerais pré-réduits. Le développement considérable que connait à l'heure actuelle la production de minerais de fer pré-réduits offre des perspectives importantes à de tels fours. A l'heure actuelle, il est connu d'élaborer l'acier à partir de ferrailles et de minerais pré-réduits que l'on fond dans un four à arc électrique qui alimente un four à canal où l'on effectue l'affinage. Malheureusement, le four à arc présente des inconvénients : son fonctionnement est discontinu ; le rayonnement intense de l'arc produit une usure relativement rapide des réfractaires qui y sont exposés ; le facteur de puissance électrique est défavorable et affecte le réseau d'alimentation. On connaît par ailleurs des fours électriques à induction permettant de dégager directement la chaleur par effet Joule au sein même d'une masse conductrice à chauffer, contenue dans une cuve de forme annulaire à axe vertical. Le matériau conducteur constitue la spire secondaire unique en court-circuit d'un transformateur dont le primaire, muni de moyens d'alimentation en courant alternatif, est monté sur une carcasse magnétique traversée par la cuve. La présente invention vise à fournir un four électrique de fusion par induction, utilisable pour la production de l'acier à partir de ferrailles et de minerais pré-réduits, répondant mieux que les fours antérieurs aux exigences de la pratique. Dans ce but, l'invention propose notamment un four électrique de fusion continue par induction de métal, et notamment d'acier à partir de ferrailles et minerais pré-réduits, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve de forme annulaire, constituant la spire secondaire unique en court-circuit de plusieurs transformateurs, le primaire de chaque transformateur, muni de moyens d'alimentation en courant alternatif étant monté sur une carcasse magnétique traversée par la cuve et les carcasses étant réparties régulierement autour de la cuve. L'invention propose également un four électrique de fusion par induction de métal ferro-magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve de forme annulaire constituant la spire secondaire unique en court-circuit d'au moins un transfor mateur dont le primaire, muni de moyens d'alimentation en courant alternatif,est monté sur une carcasse magnétique traversée par la cuve, et en ce aue la cuve est munie de moyens permettant de soumettre le métal à une induction magnétique suffisante pour l'amener au moins partiellement à saturation. Les moyens permettant de saturer le métal sont avantageusement constitués par une série de bobines traversées chacune par le four et associées à des moyens d'alimentation en courant électrique, le nombre de spires total et l'intensité du courant qui traverse les bobines étant tels que la perméabilité magnétique soit ramenée à une valeur de l'ordre de 1. Le courant électrique peut être continu, redressé ou même alternatif. Grâce à l'adjonction des moyens de saturation, on réduit très sensiblement le flux de fuite des transformateurs et on le rend acceptable, en dépit du découplage important entre ltenroulement primaire et l'enroulement secondaire imposé par la présence des moyens de protection thermique (garnissage réfractaire de la cuve et isolement thermique de celle-ci). De plus, le champ magnétique ainsi créé tend à centrer la veine métallique contenu dans la cuve, donc à augmenter la surface en contact avec le laitier dans le cas d'élaboration et à diminuer la surface de réfractaires en contact avec le métal fondu. L'emploi de plusieurs transformateurs répartis régulièrement autour de la cuve permet d'homogénéiser les températures dans celle-ci et d'éviter les surchauffes locales. On peut ainsi obtenir sans difficulté les températures de l'ordre de 18007C à 2000"C qui suffisent à réaliser la fusion des matériaux ferreux dans le four. Quel que soit le mode de réalisation obtenu, on voit que l'on élimine la consommation d'électrodes qui représente un facteur important du coût d'élaboration d'acier au four à l'arc, ainsi que l'usure rapide des réfractaires dans les zones exposées à l'arc. I1 est important de remarquer qu'un tel four de fusion présente une constitution nettement différente d'un four à canal utilisant un chauffage par effet Joule à l'aide d'un transformateur dont la carcasse entoure le canal : en effet, dans ce cas, la spire en court-circuit constituée par la masse de métal en fusion présente une section très différente dans le canal et dans la poche à laquelle il est raccordé. I1 est ici possible d'avoir une excellente homogénéité de température avec un petit nombre de transformateurs (la masse de métal occupant le four constituant le secondaire unique de tous ces transformateurs). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description quu suit d'un four qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe horizontale, extrêmement schématique, montrant les éléments principaux du four ; - la figure 2 est une coupe schématique suivant la ligne II-II de la figure 1 - les figures 3 et 4 sont des coupes verticales schématiques suivant des plans radiaux, montrant une constitution possible du dispositif de coulée du métal d'une part, du dispositif d'extraction du laitier d'autre part (non représent sur la figure 1) ; il faut noter que sur les figures 3 et i la représentation du métal liquide et du laitier est faite sans tenir Compte de l'influence du champ magnétique qui tend å faire basculer la surface de séparation comme représenté en figure 2. Le four illustré schématiquement sur la figure 1 peut être regardé comme constitué par une cuve annulaire 10 fixe (c'est-à-dire non basculante) toutes en matériau réfractaire, doublées extérieurement d'un calorifugeage non représenté. A la cuve sont associés huit dispositifs de chauffage régulièrement répartis autour de la cuve et dont trois seulement sont représentés. Un autre nombre serait évidemment possible. Le dispositif 11 par exemple (figures 1 et 2) comporte une carcasse 12 en matériau magnétique feuilleté traversé par la cuve et dont une des branches porte un enroulement primaire 13. Cet enroulement est relié à une alimentation en courant alternatif à fréquence industrielle (50 Hz par exemple), comportant avantageusement des moyens de réglage de tension (transformateur à plusieurs prises par exemple). Etant donné que le four est fixe, il n'est pas soumis aux limitations de poids et de dimensions qui s'imposent à un four basculant. En conséquence, on peut prévoir des carcasses 12 importantes, en tôle à faible perte, donc présentant un bon rendement. Le couplage entre chaque enroulement primaire 13 et le secondaire constitué par le bain d'acier fondu est limité par la présence du garnissage réfractaire et de l'isolement thermique de la cuve 10, qui obligé à écarter la carcasse 12 du bain de métal. En conséquence, on ne peut éviter un certain flux magnétique de fuite. Ce flux de fuite est augmenté lorsque l'acier contenu dans la cuve 10 présente une perméabilité magnétique importante. Pour annuler, ou du moins réduire, les conséquences de cette perméabilité, le four illustré en figures 1 et 2 comporte des moyens permettant de soumettre l'acier à une induction d'intensité suffisante pour le saturer, au moins partiellement. Les moyens représentés sont constitués par des bobines 20 traversées par la cuve et alimentées par une source de courant électrique, non représentée.Cette source est avantaqeusement réglable pour donner au nombre d'ampères-tour une valeur suffisante pour atteindre juste la saturation. Le même résultat peut d'ailleurs être obtenu en montant les bobines en parallèle, certaines d'entre elles pouvant être mises en circuit ou hors-circuit. On peut en particulier ajuster le nombre d'ampères-tour à la nature de l'acier en cours de fusion et à la température, dans la mesure où celle-ci se traduit par une modification de la perméabilité magnétique. Dans le mode de réalisation illustré en figures 1 et 2, les bobines 20 sont réparties tout autour de la cuve, y compris au droit des carcasses 12, ce qui conduit à éloigner encore ces carcasses de la cuve mais en contrepartie assure une homogénéité de l'induction. Il serait également possible de ne prévoir des bobines 20 qu'entre les carcasses, de façon à pouvoir rapprocher celles-ci de la cuve. La cuve est munie d'un dispositif de coulée du métal le dispositif illustré schématiquement en figure 3 comporte un syphon qui règle automatiquement le niveau de la masse de métal fondu 14 occupant la cuve à une hauteur correspondant à son seuil 15. Le laitier 16 qui surnage reste emprisonné, le métal qui s'écoule vers l'extérieur de la cuve dans le sens radial provenant toujours du fond de la cuve. Le laitier lui-même peut être extrait en une ou plusieurs zones de la cuve par un seuil 17 (figure 4) placé à un niveau supérieur à celui du seuil 15 et éventuellement muni d'une porte d'obturation (non représentée). Les ferrailles et/ou le minerai pré-réduit sont apportés à la cuve 10 par des goulottes 19 ménagées dans le couvercle 18 de la cuve, dans une zone ou des zones qui sont avantageusement éloignées du dispositif de coulée. Ces zones d'apport peuvent être les mêmes que celles des seuils 17 d'extraction du laitier. La ferraille une fois introduite se répartit dans la masse de métal en fusion qui assure les transferts thermiques. La présence des bobines de saturation empêche évidemment de retirer le couvercle 18 de la cuve formant creuset. En conséquence, il sera souhaitable de donner à la cuve une section droite suffisante pour permettre l'entretien du garnissage réfractaire par l'intérieur. I1 faut encore noter que, en plus de leur effet favorable sur le flux de fuite magnétique, les bobines tendent à déformer la surface libre du bain d'acier fondu : sous l'action du champ magnétique des bobines, la spire d'acier fondu tend à s'ouvrir, donc à se décoller partiellement de la paroi interne de la cuve, comme indiqué schématiquement sur la figure 2. De plus, les forces s'exerçant sur l'acier tendent à le centrer dans les bobines. On obtient ainsi une augmentation de la surface de contact entre le laitier et le métal -- donc des surfaces d'action chimique -- et, au contraire, une diminution de la surface de réfractaires en contact avec l'acier fondu, donc une diminution de l'usure. Le fonctionnement de l'installation ressort de la description qui précède : lorsque le four est occupé par du métal fondu, l'énergie électrique transmise par les transformateurs se dissipe par effet Joule dans la spire en court-circuit formée par le métal en fusion. La température atteinte dans la spire résulte de l'équilibre qui s'établit entre la puissance électrique fournie par le réseau et la puissance consommée pour élever la température des ferrailles apportées à la fusion et pour compenser les pertes thermiques du four. Ces dernières étant d'ailleurs fonction de la température atteinte par la masse du métal en fusion, il se produit une auto-régulation en température.La coulée, par exemple vers un four à canal, se produit de façon continue par débordement au-dessus du seuil 15, comme indiqué sur la figure 3, où toutefois on n'a pas reproduit la déformation de la surface du bain d'acier provoquée par la présence du champ magnétique de saturation. En cas d'arrêt du four, la masse de métal qui l'occupe au-dessous du niveau du seuil 15 se solidifie (sauf si le four est vidé par des trous de coulée supplémentaires prévus dans le fond). Dans ce cas, un nouveau démarrage devra tenir compte du fait que l'impédance de la spire constituée par le métal solidifié est différente de l'impédance de la spire en métal fondu. La tension d'alimentation électrique des transformateurs devra être ajustée en conséquence, puis modifiée progressivement au cours de la fusion. De même, la tension d'alimentation des bobines 20 pourra être modifiée au cours de la montée en température si nécessaire. La première mise en service du four obligera en général à avoir recours à des moyens annexes, soit que l'on déverse dans le four une charge de métal fondu sur une hauteur qui peut d'ailleurs être plus faible que celle du seuil 15, soit que l'on dispose dans le four une spire en court-circuit noyée dans une charge de ferraille pour que l'impédance électrique du secondaire des transformateurs ne soit pas excessive. Un tel four de fusion, associé à un four à canal, permet de réaliser la fabrication d'acier affiné à partir des minerais pré-réduits par les techniques récemment mises au point à l'échelle industrielle, de façon purement électrique et de façon continue dans des fours entièrement statiques, en écartant les inconvénients essentiels d'un système du même genre, mais utilisant un four de fusion à arc électrique. REVENDICATIONS 1. Four électrique de fusion continue par induction de métal, et notamment d'acier à partir de ferrailles et minerais pré-réduits, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve de forme annulaire constituant la spire secondaire unique en courtcircuit de plusieurs transformateurs, le primaire de chaque transformateur, muni de moyens d'alimentation en courant alternatif, étant monté sur une carcasse magnétique traversée par la cuve et les carcasses étant réparties réqulièrement autour de la cuve. 2. Four électrique de fusion continue par induction de métal suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cuve est munie de moyens permettant de soumettre le métal qui l'occupe à une induction magnétique suffisante pour l'amener au moins partiellement à saturation. 3. Four électrique de fusion continue par induction de métal ferro-magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve de forme annulaire constituant la spire secondaire unique en court-circuit d'au moins un transformateur dont le primaire, muni de moyens d'alimentation en courant alternatif, est monté sur une carcasse magnétique traversée par la cuve, et en ce que la cuve est munie de moyens permettant de soumettre le métal à une induction magnétique suffisante pour l'amener au moins partiellement à saturation. 4. Four électrique de fusion continue par induction de métal suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens permettant d'amener le métal à saturation sont constitués par une série de bobines traversées chacune par le four et associées à des moyens d'alimentation en courant électrique, le nombre de spires total et l'intensité du courant qui traverse les bobines étant tels que la perméabilité magnétique soit ramenée à une valeur de l'ordre de 1. 5. Four électrique de fusion continue par induction de métal suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cuve présente une section droite suffisante pour en permettre l'entretien par l'intérieur. 6. Four électrique de fusion continue par induction de métal suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est muni d'un dispositif de coulée à syphon destiné à maintenir sensiblement constante la hauteur de métal dans la cuve et donc la section de la spire, et à retenir le laitier éventuel.