Brevet FR2373766A1 — publié le 19780707

L'invention concerne le domaine de ltélectrométallurgie, et a notamment pour objet un procédé de contrôle de la fusion d'un métal dans un four à arc. Le champ d'application le plus efficace de l'invention est l'élaboration des métaux au four à arc. Au cours de l'élaboration d'un métal au four à arc, le plus important est de contrer ce qui suit : l'instant où s'achève le creusement des puits dans la charge ; l'instant où le fonctionnement du four doit titre interrompu pour permettre le chargement complémentaire (appoint de charge) ; l'instant où s'achève la fusion de la charge, des matières scorifiantes et d'addition ; le maintien de la composition prescrite de la scorie et de la température du métal élaboré. Le contrôle de ces instants et de ces opérations est d'une importance majeure tant pour la production du four que pour-la qualité du métal élaboré. On connaît un procédé de détermination de l'instant d'achèvement de la fusion ou des diverses périodes de la fusion au four à arc (A.M.Gay, certificat d'auteur d'invention d'URSS nO 194 124, cl. C 21C 05/52). Dans ce procédé, on mesure la consommation d'énergie électrique en ampères-heures pendant toute 1s durée de la fusion et l'on juge de l'achèvement des diverses périodes de la fusion d'après la quantité d'énergie consommée. Toutefois, ce procédé nta pas trouvé d'applications indus tr-,elnes, car la quantité d'énergie nécessaire à la fusion du métal dépend du poids, de la qualité at de la compossition de la charge enfournée, paramètres qui ne sont pas constants et oscillent dans une marge assez large. Lors des courts-circuits des électrodes sur la charge, le courant est maximal, tandis que la quantité de chaleur qu'il transmet au métal est minimale, car l'arc est alors absent. I1 s'ensuit que lorsque la quantité calculée d'ampères-heures est consommée, le métal n'est pas encore fondu dans le four On connaît aussi un procédé de détermination du début de la période oxydante de la fusion (I.M.Korobko, Ju. S.Izgorev, certificat d'auteur d'invention d'URSS nO 235 785, cl. C21c, 05/52). Dans ce procédé on mesure la consommation d'énergie électrique en ampères-heures, on tient compte du poids, de la qualité et de la composition de la charge enfournée en modifiant la quantité calculée d'énergie électrique nécessaire à la fusion du métal. La quantité nécessaire d'énergie électrique est déterminée par une calculatrice électronique. Ce procédé supprime une partie des inconvénients propres au procédé indiqué plus haut, mais la quantité mesurée d'ampères-heures peut atteindre la valeur calculée avant que le métal ne soit fondu (en cas de courts-circuits fréquents des électrodes sur la charge). Cette circonstance ne permet pas d'utiliser le procédé indiqué pour le contrôle de la fusion électrique dans l'industrie. On connaît aussi un procédé de contrôle de l'élaboration d'acier au four à arc (certificat d'auteur d'invention d'URSS nO 358 796 H OS b 7/00 du 23.10.1970), dans lequel on analyse en continu les oscillations du courant ou de la tension d'arc dans les diverses zones du spectre des oscillations, par décomposition du signal électrique en composantes harmaniques et par comparaison des paramètres obtenus (ou de leurs rapports) avec des valeurs de référence. Les valeurs de référence sont déterminées par voie statistique après traitement d'une série de fusions. Ce procédé permet de contrôler l'intensité d'ébullition du métal, l'instant d'achèvement de la fusion des matières scorifiantes et d'addition, les troubles du régime de la scorie. Toutefois, un tel procédé ne convient pas pour la détermination de l'état de la charge pendant la période de fusion, requiert pour chaque four concret une analyse statistique préliminaire d'un grand nombre de fusions afin d'obtenir des valeurs de référence fiables pour la comparaison. En outre, on connait un procédé de contrôle de la période de fusion dans les fours à arc avec régulation de la position des électrodes (Eonisssi Tsutomu "Le contrôle automatique de la fin de la fusion dans les fours à arc", Hitati Heron, 1966, t, 48, nO 2, p. 266 à 273). Dans ce procédé on mesure la valeur absolue de la vitesse de déplacement des électrodes aux trois phases, si cette vitesse est supérieure à un niveau déterminé, et on la compare à une valeur de référence. Toutefois, ce procédé ne permet de contrôler que la fin de la période de fusion. 11 requiert, de meme que le précédent, une analyse statistique préliminaire d'un grand nombre de fusions afin d'obtenir une valeur de référence fiable pour la comparaison, et il est très sensible aux variations des paramètres, tant du système de régulation du déplacement des électrodes, que de la charge enfournée. Pour remédier aux inconvénients des procédés connus pré- cités, on s'est proposé de créer un procédé de contrôle permettant de tenir compte des variations des onnd itions d'émission d'électrons à partir de la charge, des matières scorifiantes et d'addition pendant l'élaboration du métal. La solution consiste en ce que, dans u procédé de contrôle de la fusion d'un métal dans un four électrique à arc à position réglable des électrodes, du type consistant à analyser les paramètres électriques de l'arc, à les comparer à des valeurs prédéterminées obtenues à la suite de l'analyse statistique d'une série de fusions, et à agir sur le processus de fusion lorsque les paramètres de l'arc s'écartent desdites valeurs prédéterminées, de façon à supprimer les écarts, d'après l'invention on mesure périodiquement, à plusieurs reprises, la tension et le courant d'arc, puis l'on détermine la somme des composantes continues pour chacune des périodes de mesure, dont la durée est déterminée de façon qubele soit suffisante pour que lesdits paramètres électriques atteignent une certaine valeur sensiblement constante pour la période considérée. Le procédé proposé permet d'intensifier notablement la fusion du métal. L'analyse des composantes continues permet de contrôler avec précision les principales étapes du processus, ce qui assure une amélioration de la qualité du métal élaboré. En outre, l'invention améliore notablement les performances technico-économiques du four à arc : elle diminue la consommation d'énergie électrique pour la fusion, elle supprime l'éventualité d'une surchauffe du métal, en augmentant ainsi l'efficacité de la déphosphoration et en diminuant les pertes de métal au feu et la quantité de gaz absorbée par le métal Le procédé faisant l'objet de l'invention augmente notablement la durée de service du garnissage du four. Il est très avantageux que les mesures soient exécutées en continu pendant chaque période, et que la durée de la période de mesures soit choisie dans une plage de valeurs comprises entre la durée d'une période de fluctuation des grandeurs électriques à mesurer et la durée de l'opération dtéla- boration la plus courte. La continuité des mesures augmente la précision d'enregistrement de la fin des diverses opérations d'élaboration du métal au four à arc. La durée choisie pour la période de mesures permet d'enregistrer toutes les opérations d'élaboration, mtme la plus courte. D'autres objectifs et avantages de l'invention apparat- tront à la lecture de la description détaillée suivante d'un mode non limitatif de réalisation de l'invention, illustré par les dessins annexés dans lesquels - les figures 1 à 3 représentent schématiquement les étapes de la fusion de la charge dans un four à arc - la figure 4 représente le graphique des variations de la valeur moyenne probable de la composante continue de la tension d'arc pendant la -période de fusion de la charge. - la figure 5 représente le schéma- électrique du dispositif le plus simple utilisé pour la détermination des composantes continues de la tension et du courant d1arc - la figure 6 représente le schéma de connexian du dispositif pour la détermination des composantes continues de la tension et du courant d'arc d'un four à arc. Comme on le sait, le courant d'arc est déterminé princi- palement par l'émission thermo-électronique, dont le courant de saturation In peut titre calculé d'après la formule de Richardson-Dechmen : où A = 120,4 A.cm~d . oC-L est la constante d'émission thermo électronique de Zommerfeld, T est la température absolue de la tache cathodique, en OK ; S est la surface de la tache cathodique, en cm2 b est une constante proportionnelle au travail d'extraction des électrons. Les figures 1 à 3 représentent les étapes de fusion de la charge dans un four à arc. Au début de la fusion, l'arc se crée entre l'électrode 1 et les morceaux de charge froide 2 (figure 1). Aussi, au moment où la cathode est constituée par la charge 2, le courant de saturation est plus faible, et la tension plus forte, que pendant l'alternance où la cathode est constituée par l'électrode 1, dont la température est plus élevée que celle du métal (de la charge). Ceci entrasse l'apparition, dans la tension et le courant d'arc, d'une composante continue, égale à la moyenne de la tension ou du courant durant leurs deux alternances. Les conditions spécifiques de fonctionnement de l'arc dans le four pendant la période de fusion (ruptures fréquentes, courts-circuits dus à des contacts accidentels de l'électrode avec des morceaux de charge descendants, etc.), font que les valeurs de crête du courant et de la tension d'arc, et par constquent, les composantes de la tension et du courant d'arc, sont des valeurs aléatoires. C'est pourquoi il est impossible de co-rstruire la courbe théorique des variations des composantes continues de la tension et du courant d'arc pendant la fu sion de la charge. Toutefois, on peut construire la courbe des variations des valeurs moyennes probables des composantes continues de la tension ou du courant d'arc, par rapport à laquelle se situeront d'=ne manière aléatoire les valeurs moyennes réelles, durant un certain intervalle de temps, des composantes continues de la tension ou du courant d'arc. La figure 4 représente le graphique des variations de la valeur moyenne de la composante continue de la tension d'arc pendant la période de fusion de la charge. Ce graphique est commun à toutes les nuances du métal à élaborer. Durant la période dloxydation et la période de réduction de la fusion, les composantes continues de la tension et du courant d'arc varient différemment selon la nuance du métal à élaborer. A l'amorçage de l'arc, les électrodes 1 doivent, au premier instant, toucher la charge 2, puis elles doivent se déplacer vers le haut. Au moment où les électrodes 1, exécutant leur mouvement de montée, se séparent de la charge 2, l'arc s'amorce. I1 est fréquent qutà ce moment se produisent des courts-circuits et des ruptures dtarc, lors desquels le courant et la tension dans le circuit électrode-charge sont sinusoldaux et leurs composantes continues sont nulles.C'est pourquoi, dans l'intervalle de temps de O à t1 (figure 4), la composante continue de la tension d'arc croit, car la colonne d'arc s'appuie alors sur la surface des morceaux solides et froids, du métal à fondre, aussi l'émission d'électrons à partir du métal s'effectue-t-elie difficilement. Pour que l'arc puisse exister, il faut, en règle générale, que la tension aux électrodes ait une valeur minimale suffisante pour maintenir à l'état ionisé le gaz se trouvant dans l'intervalle entre électrodes. Plus le degré d'ionisation du gaz est élevé, plus la tension nécessaire au maintien de l'arc peut btre basse. Au fur et à mesure que la charge 2 fond, l'électrode 1 creuse un puits dont le diamètre est de 30 à 50 96 plus grand que le diamètre de ltélectrode-elle-mEme (figure 2). Le métal fondu 3 coule vers le bas et s'accumule sur la sole du four. Apres pénétration du puits dans toute l'épais- seur de la charge 2, le bout de l'électrode I atteint sa position basse extrême et l'arc commence alors à se maintenir à la surface du métal liquide 3, entourée de tous cotés par la charge 2. Le refroidissement du gaz dans l'intervalle entre électrodes (entre le nez de l'électrode etb surface de la charge en cours de fusion) diminue lors du passage de la tension d'alimentation par la valeur zéro, les processus de recombinaison et de diffusion du'gaz se ralentissent et, par conséquent, les conditions d'amorçage de l'arc s'améliorent. Les composantes continues de la tension et du courant d'arc diminuent brusquement (intervalle de temps de t1 à t2 sur la figure 4). Au fur et à mesure que continue la fusion de la charge, le niveau du métal liquide s'élève, les électrodes montent, l'arc s'ouvre, les composantes continues de la tension et du courant d'arc augmentent (intervalle de temps de t2 à t4 sur la figure 4). L'instant t4 correspond à la fusion complète de la charge (figure 3). La valeur moyenne établie Uny (figure 4) de la composante continue dépend du poids et de la composition chimique de la charge enfournée, de la température du métal à la fin de la période de fusion (plus la température du métal est élevée, plus le flux d'électrons issus de sa surface est grand, ce qui découle de la formule (1), et, par conséquent, plus les valeurs des composantes continues i la tension et du courant d'arc sont faibles). La valeur de Uny ne dépend ni de la qualité de la régulation du déplacement des électrodes, ni de la qualité de la charge enfournée. Ces facteurs ne provoquent que des modifications du caractère de la croissance des valeurs moyennes de la composante continue de la tension d'arc (augmentation ou diminution de l'intervalle de temps de O à t4, figure 4). Pendant la période de fusion, il arrive que la charge, en fondant à sa partie inférieure, forme pendant un certain temps, à sa partie supérieure, une volte stable constituée de morceaux durs non fondus et dont la destination intervient plus tard (instant t3 sur la figure 4). I1 s'ensuit que, comme au début de la fusion, une charge solide et relativement froide se trouve de nouveau sous ltélec- trode. Pour cette raison, la composante continue de la tension d'arc augmente brusquement à ce moment, puis elle recommence à diminuer comme montré sur la figure 4 en traits interrompus. On sait que plus la basicité de la scorie est élevée (rapport de sa teneur en CaO à sa teneur en Si02), plus le travail d'extraction des électrons de sa surface diminue. En conséquence, au moment de la formation de la scorie basique (addition de chaux àb surface du métal liquide), les composantes continues de la tension et du courant d'arc baissent fortement (de 2 à 3 fois comparativement à Uns). ny Le changement de la composition de la scorie, l'apport de matières d'addition provoquent un changement des propriétés physico-chimiques du métal en cours d'élaboration, ce qui entrain une variation du travail d'extraction des électrons de sa surface. Tout cela se traduit par des changements correspondants des valeurs moyennes des composantes continues de la tension et du courant d'arc. En analysant les composantes continues dè la tension et du courant d'arc, on peut contrôler indirectement la fusion du métal dans le four à arc. Les valeurs prescrites des composantes continues de la tension et du courant d'arc sont déterminées expérimentalement, par traitement statistique d'une série de fusions de métal dune mtme nuance. Les mesures de la tension et du courant d'arc sont effectuées à l'aide de voltmètres et d'ampèremètres fabriqués en série par l'industrie. Les composantes continues de la tension et du courant d'arc sont elles aussi déterminées à l'aide d'appareils de mesure fabriqués en série. La figure 5 représente le schéma électrique du dispositif le plus simple pouvant être utilisé pour la détermination des composantes continues de la tension ou du courant d'arc. Ce dispositif est réalise sous la forme d'un Entre de lissage double. La composante continue de la tension ou du courant d'arc est prélevée aux points a-b. Par exemple, pour un four à arc de 10 tonnes, les paramètres de ce filtre sont les suivants U1 = 160V; U2 = 0,01V pour C1 = C2 = 60 S F L1 = L2 = 1000 H Le schéma de connexion du dispositif pour la détermination des composantes continues de la tension et du courant d'arc de four à arc est donné sur la figure 6. Le porte-électrode 4 est raccordé électriquement au dispositif 5 pour la détermination des composantes continues de la tension et du courant d'arc, lequel est raccordé à un enregistreur (voltmètre ou potentiomètre enregistreur). Le montage dont le schéma est représenté sur la figure 6 fonctionne de la façon suivante. La tension d'arc prélevée sur le porte-électrode 4 par rapport à la terre est appliquée à l'entrée du dispositif 5 (bornes U1 sur la figure 5). La composante continue de la tension d'arc est prélevée aux points a-b (figure 5) et appliquée à l'enregistreur 6 (voltmètre ou potentiomètre enregistreur). L'analyse des composantes continues de la tension et du courant d'arc permettent 1) de déterminer avec précision le moment où s'achève le creusement du puits et, par conséquent, le moment où le transformateur doit être commuté sur un nouvel échelon de tension (tension plus élevée ou moins élevée d'alimentation du four), c'est-à--dire l'instant t2 (figure 4). 2) de déterminer en temps opportun les instants où le fonctionnement du four doit être arrêté pour permettre un nouvel enfournement de charge (quand son poids volumique est ré duit) 3) de déterminer avec précision l'instant où s'achève la fusion de la charge, c'est-à-dire l'instant où la majeure partie de la charge est fondue, une certaine quantité seulement restant sur les talus du four, et par conséquent, l'instant où 5-e transformateur du four doit être commuté sur un échelon plus bas, c'est-à-dire l'instant t4 (figure 4) 4) de déceler à temps les instants où l'on doit procéder à l'entaillage, par soufflage à l'oxygène, des masses de charge difficilement fusibles (sur la figure 4, ceci correspond à une cnnservation plus prolongée de la valeur minimale sur la courbe Un (t), c'est-à-dire à une augmentation du segment t2-t4) 5) de supprimer la surchauffe du métal (quand la température du métal croit, Uny diminue) 6) de contrôleur indirectement la composition de la scorie (pour une composition donnée de la scorie, par exemple dans un four basique de 10 tonnes, Uny est proche de zéro ou change de signe). La prise en considération de ces facteurs permet d'indensifier notablement l'élaboration de métaux dans les fours à arc. Les essais auxquels a été soumis le procédé proposé de contrôle de la fusion d'un métal et qui ont été réalises dans un four à arc de 10 tonnes ont montré que son application abaisse dans une proportion de 9 à 10 % la consommation d'énergie électrique pendant la période de fusion de la charge, augmente de 4-5 96 en moyenne la durée de vie du garnissage du four et accroRt de 3 % la production du four. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de realisation décrit et représenté qui nta été donné qu'à ttre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVEND I CAT IONS 1.- Procédé de contrôle de la fusion dtun métal dans un four à arc à positions réglable des électrodes, du type consistant à analyser les paramètres électriques de l'arc, à comparer ces paramètres à des valeurs prédéterminées obtenues en effectuant l'analyse statistique d'une série de fusions, et en agissant sur le processus de fusion en cas d'écarts des paramètres de l'arc par rapport auxdites valeurs prédéterminées, de façon à supprimer lesdits écarts, caractérisé en ce quton procède à des mesures répétées périodiques de la tension d'arc et du courant dtarc, puis on détermine la somme de leurs composantes continues pour chacune des périodes de mesure, dont la durée est déterminée de façon quelle soit suffisante pour que lesdits paramètres électriques atteignent une certaine valeur sensiblement constante pour la période considérée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant chacune desdites périodes, les mesures sont exécutées en continu, et que la durée de la période de mesures est choisie dans une plage de valeurs comprises entre celle de B durée d'une période de fluctuation des grandeurs électriques à mesurer et celle de la durée de l'opération la plus courte d'élaboration du métal. 3.- Métal, caractérisé en ce qu'il est obtenu par mise en oeuvre du procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2.