Brevet FR2437760A1 — publié le 19800425

La présente invention concerne un dispositif de connexion électrique destiné à être mis en contact avec une masse metallique en fusion, par exemple un bain d'acier. Les dispositifs du genre précité sont généralement implantés en paroi d'un récipient métallurgique en vue de procéder à l'élaboration du métal qui y est contenu, par apport d'énergie électrique. Ces dispositifs constituent ainsi des electrodes en contact par une extrémite avec le bain métallique, assurant de ce fait, le passage du courant électrique qui traverse ce dernier. Parmi les récipients métallurgiques susceptibles d'être équipés de telles électrodes, on peut citer, de façon non restrictive, les cuves à électrolyse dans la métallurgie de métaux non-ferreux, tels que l'aluminium, ou, en sidérurgie, les poches de traitement, de maintien en température ou les fours de fusion électriques, notamment les fours à arcs à courant continu. L'un des problèmes essentiels qui se posent est celui de la tenue mécanique de l'électrode dont la partie terminale, ou embout, en contact direct avec la masse métallique en fusion est soumise à des températures très élevées, lesquelles, notamment dans le cas de la fusion de l'acier peuvent atteindre 1800 "C et même plus. Parmi les solutions connues, certaines préconisent l'adaptation de la géométrie de l'enceinte du four lui-même de manière à creer localement un site d'implantation préférentiel de l'électrode, où la masse en fusion est sensiblement moins agressive thermiquement que dans le reste du four -BF n" 2 276 388 (ASEA), BF nO 2 285 044 (ASEA), BF nO 2 168 430 (BSC). Cependant ce type de solution nécessite la présence permanente d'un pied de bain, ce qui pénalise la souplesse d'utilisation du four. D'autres solutions préferent implanter l'électrode directement au travers de la paroi refractaire de la sole du four en faisant porter leur effort sur le refroidissement de l'électrode. On trouve alors deux familles technologiques selon que l'électrode est équipée d'un système de refroidissement externe ou interne. Dans le premier cas, pour des raisons de sécurité, le système de refroidissement est généralement placé à l'extérieur du four -BF nO 1 538 996 (BROWN, BOVERI), BF n" 2 292 367 (ASEA)-. L'éloignement de l'embout de l'électrode en contact avec le bain, de la source réfrigérante peut être alors à l'origine de la disparition ultérieure par fusion, d'une partie importante de l'électrode, ce qui augmente d'autant la vulnérabilité en cet endroit de l'étanchéité de l'enceinte du four à l'égard de la masse en fusion qu'elle contient. La seconde famille, à laquelle appartient la présente invention, s'affranchit de telles sujétions puisqu'il est possible dans ce cas d'amener par construction le fluide de refroidissement au voisinage immédiat de l'embout. Toutefois, il est souhaitable, et c'est là le but de l'invention, de pouvoir disposer d'un système de refroidissement suffisamment performant. Dans le cas contraire, en effet, ce dernier risquerait d'être détruit par une usure trop importante de l'électrode qui le mettrait à jour, entrainant par là un danger d'explosion en raison d'une introduction possible du fluide réfrigérant dans la masse en fusion. A cet effet, l'invention a pour objet, un dispositif de connection électrique destiné à être mis en contact avec une masse métallique en fusion, notamment de l'acier, et comprenant un circuit de refroidissement interne. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il présente deux parties, dans le prolongement l'une de l'autre : une partie terminale, en contact avec la masse en fusion, et un corps à l'intérieur duquel est ménagé le circuit de refroidissement et présentant une section droite substantiellement superieure à celle de la partie terminale. Selon une caractéristique de l'invention, le circuit de refroidissement interne comprend une chambre centrale et une chambre périphérique en position avancée par rapport à la chambre centrale en direction de l'embout, une pluralité d'injecteurs d'amenée d'un fluide refroidissant dans les chambres, à raison d'au moins un injecteur par chambre, et des canaux d'évacuation du fluide refroidissant reliant chaque chambre avec le milieu extérieur. Selon une réalisation avantageuse, les canaux d'évacuation servent de tubes-guides pour la mise en place des injecteurs dans les chambres. Comme on le comprend, la présente invention consiste donc, dans ces caractéristiques essentielles, à doter l'électrode d'une forme évasée à partie de l'embout, ce qui a pour intérêt d'augmenter le volume du corps, donc de réduire la résistance thermique, ainsi que de faciliter l'aménagement intérieur d'un circuit de refroidissement à grande surface d'échange. Celui-ci se compose avantageusement d'un circuit central permettant d'extraire le flux axial de chaleur en provenance de l'embout, en association avec un circuit périphérique dont la fonction principale est de capter le flux latéral résultant d'une expansion radiale de la chaleur à la sortie de l'embout, ce qui explique sa position avancée par rapport au circuit central. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaitront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en référence à la figure unique annexee représentant une vue schematique en coupe longitudinale d'une électrode implantée dans la sole d'un four à arcs à courant continu pour la fusion de l'acier. On a represente en 1 le revêtement réfractaire de la sole du four, au travers de laquelle a été disposée l'électrode 2. Comme on le voit, cette dernière comprend un embout 3 dont la surface frontale 4 est en contact avec la masse en fusion 5 contenue dans le four. Cet embout est prolongé par une partie plus volumineuse 6, ou "corps d'électrode", dont la section droite présente une surface substantiellement supérieure à celle de l'embout 3. Ainsi constituée, l'électrode conforme à l'invention présente une forme qui rappelle sensiblement celle d'une bouteille dont le goulot, ou embout, est relié au corps par un épaulement 7. On va maintenant decrire le système de refroidissement menagé à l'intérieur du corps 6. Ce système de refroidissement se compose de deux parties : un circuit central constitué par une chambre 8 et un circuit latéral, ou périphérique 9, disposé au voisinage de la paroi 10 comprenant une pluralité de chambres 11, régulièrement distribuées autour de l'axe de l'électrode, représentée en 12. Chaque chambre est alimentée en fluide refroidissant par une canne d'injection 13 et des canaux de sortie 14 assurent l'évacuation du fluide vers le milieu extérieur. Comme on le voit, les canaux 14 servent avantageusement de moyens de passage pour l'introduction des cannes d'injection. On voit egalement que les chambres périphériques 11 sont places en position avancée par rapport à la chambre centrale 8 de manière à pouvoir comme il a déjà été dit, capter plus aisément la chaleur résultant de l'expansion radiale du flux thermique sortant de l'embout 3. Ainsi, la structure particulière du système de refroidissement, tel qu'il vient d'être décrit, constitue à l'égard du flux thermique transmis par l'embout un véritable écran réfrigérant dont l'effi- cacité assure la bonne tenue mecanique de l'électrode. La nature du fluide refroidissant peut être diverse. Pour des raisons de simplicité, on peut par exemple faire porter son choix sur de l'eau. Bien entendu, une efficacité meilleure est obtenue grace à l'emploi de fluides cryogéniques tels que des gaz liquéfies, C02 ou autres, qui s'évaporent facilement à l'intérieur des chambres 8 et 11. Avantageusement, on limite l'échauffement par le revêtement réfractaire 1 en enveloppant le corps de l'électrode dans une chemise isolante 15, par exemple en béton à base d'amiante ou de fibres silico-alumineuses que l'on peut se procurer aisement dans le commerce. L'électrode peut être constituee d'une seule pièce. On peut alors opter pour un materiau répute bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre. Toutefois, sa faible résistance aux hautes températures (notamment dans le cas de la fusion de l'acier) impose alors l'emploi d'un fluide de refroidissement à pouvoir réfrigérant élevé. De plus, la fusion partielle initiale de l'embout peut constituer une source de pollution du bain métallique par dissolution du cuivre. Il doit être compris que la fusion de l'embout n'est pas totalement empêchee. Mais cette fusion n'est que partielle : elle n'a lieu que momentanément au cours dtune période transitoire initiale de mise en régime qui precede une phase permanente correspondant à une stabilisation de la position du front de solidifi cation, autrement dit de la surface frontale 4. Bien entendu, pour une électrode donnée, cette position d'arrêt dépend de l'efficacité du fluide réfrigérant utilisé. Les essais effectués par le demandeur en utilisant du C02 liquide avec un débit global de l'ordre de 50 kg/h, ont montré qu'un embout en acier de 20 cm environ au depart présentait en régime permanent une longueur de 1 à 5 cm appro xi mati vement. On peut également opter pour un matériau présentant une meilleure tenue aux temperatures élevees, par exemple de l'acier. Mais dans ce cas, sa faible conductivité thermique entraîne une fusion de l'embout sur une distance d'autant plus importante que les chambres de refroidissement ont éte, par construction, éloignées de l'embout. Il apparaît donc avantageux de faire usage d'une électrode en deux parties, tel que le montre la figure : un embout 3 en materiau résistant aux fortes températures comme l'acier, fixé au corps 6 en matériau bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre. Dans ce cas, la masse de cuivre, interposée entre les chambres refroidissantes 8, 11 et l'embout 3, constitue en quelque sorte un court-circuit thermique qui permet d'apporter les frigories directement au niveau de l'embout, ce qui en limite l'usure par fusion, tout en maintenant les chambres à, une distance suffisante par mesure de sécurité. La jonction 16 entre l'embout 3 et le corps 6 peut se faire selon les techniques habituelles de liaison entre éléments métallurgiques, à condition que la technique choisie ne provoque pas une resistance de contact, au niveau du joint, trop importante, car l'électrode, par définition, doit avant tout assurer le passage du courant électrique avec le moins de pertes possibles. On peut ainsi réaliser un assemblage temporaire par vissage, ce qui présente l'avantage de pouvoir le cas échéant remplacer l'une ou l'autre des pièces constitutives de l'électrode.On peut egalement préférer une resistance de contact réduite au maximum et opter dans ce cas pour un assemblage définitif par exemple, comme le préconise le brevet français n0 1 538 996 déjà cite, en coulant l'électrode de manière à former une zone de transition 16 dans laquelle se melangent les deux métaux. Les études ont montré que le mode de chauffage de l'embout 3 en contact avec la masse en fusion 5 est essentiellement de nature convective. Toute disposition visant à contrarier les mouvements de convection du métal liquide au voisinage de la surface frontale 4 favorise donc une réduction de l'échauffement de l'embout. Il en est ainsi notamment de la formation naturelle du puits liquide 17 consecutive à la fusion temporaire d'une partie de l'embout. Mais ce phénomène n'est pas très important, d'autant plus qu'on s'efforce généralement à limiter au maximum la fusion initiale de l'embout afin de maintenir la surface frontale 4 la plus voisine possible de la surface 18 du revêtement réfractaire. Conformément à un autre aspect de l'invention, des moyens sont prévus à l'extrémité de l'embout pour ralentir localement les mouvements de convection du bain métallique. Comme le montre la figure, un exemple de realisation consiste à pourvoir l'embout d'une pluralité d'éléments réfractaires longitudinaux 19, tels que des tiges ou plaquettes, qui le prolongent en direction du bain 5 et qui sont avantageusement de même nature que le revêtement réfractaire 1 de la sole du four. Ces tiges ou plaquettes 19 délimitent entre elles des espaces 20 longs et étroits peu favorables au développement de courants de convection du métal liquide. Elles peuvent être apparentes sur l'électrode neuve, ou par mesure de sécurité, incorporées dans l'embout. Bien entendu l'invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit. Il en est ainsi de la forme de l'électrode qui peut ou non, rappeler celle d'une bouteille dans la mesure ou le passage de l'embout au corps de l'électrode s'effectue moyennant un élargissement de la section droite. Par exemple, l'embout peut se présenter sous la forme d'un faisceau de tiges métalliques divergent à partir du corps, la somme des sections individuelles de chaque tige devant demeurer inferieure à celle du corps. Il en est ainsi également de la structure du système de refroidissement, et notamment de la partie périphérique 11 qui peut être constituee, par exemple, d'une seule chambre annulaire continue à injecteurs 13 et canaux de sortie 14 multiples. Il en est ainsi encore des moyens permettant de réduire les mouvements de convection de la masse en fusion qui peuvent présenter de nombreuses variantes de réalisation. Enfin, si l'invention trouve une application préférentielle en tant qu'électrode de sole pour un four à arcs à courant continu, il ne peut être exclu de la destiner à d'autre utilisation, des lors qu'il est recherché une mise en contact entre une masse en fusion et une electrode ou plus généralement, une pièce métallique devant assurer sans difficulté le passage du courant électrique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de connexion électrique destiné à être mis en contact à l'une de ses extrémités, avec une masse metallique en fusion, et comprenant un circuit de refroidissement interne, dispositif caractérisé en ce qu'il présente deux parties, dans le prolongement l'une de l'autre ; une partie terminale, ou embout, en contact avec la masse en fusion et un corps, à l'intérieur duquel est ménagé le circuit de refroidissement et présentant une section droite substantiellement supérieure à celle de l'embout, de manière à permettre une augmentation de la surface d'échange dudit circuit de refroidissement. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit de refroidissement interne comprend une chambre centrale, une chambre périphérique, avancée par rapport à la chambre centrale en direction de l'embout, une pluralité d'injecteurs d'amenée d'un fluide de refroidissement dans les chambres, à raison d'au moins un par chambre, et des canaux d'évacuation du fluide de refroidissement reliant chaque chambre avec le milieu extérieur. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les canaux d'évacuation servent de moyen de pénétration des injecteurs dans les chambres. 4. Dispositif selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que la chambre périphérique est une chambre annulaire. 5. Dispositif selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que la chambre périphérique est constituée par une pluralité de chambres individuelles régulièrement réparties de façon annulaire. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caracterisé en ce qu'au moins le corps, équipe intérieurement du circuit de refroidissement, est constitué par un matériau réputé bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que la partie terminale en contact avec la masse en fusion constitue un embout en matériau présentant un point de fusion élevé, tel que l'acier. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie terminale présente des moyens pour réduire, dans son voisinage, les mouvements de convection de la masse en fusion. 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que les moyens pour réduire les mouvements de convection de la masse en fusion sont constitués par un faisceau de tiges refractaires parallèles prolongeant la partie terminale en direction de la masse en fusion. 10. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que les moyens pour réduire les mouvements de convection de la masse en fusion sont constitués de plaquettes réfractaires parallèles prolongeant la partie terminale en direction de la masse en fusion. 11. Dispositif selon les revendications 9 ou 10 caractérise en ce que les espaces entre les tiges ou les plaquettes sont remplis par un matériau qui se détruit facilement au contact de la masse en fusion. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérise en ce que le circuit de refroidissement est alimenté en gaz liquéfié, tel que du C02 liquide, N2 liquide ou autre. 13. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications pre- cédentes en tant qu'électrode de sole de four à arc à courant continu. 14. Application selon la revendication 13 caractérisé en ce que le corps de l'électrode est enveloppé dans une chemise isolante de la chaleur.