Brevet FR2481562A1 — publié le 19811030

La présente invention se rapporte à une association de fours comprenant au moins un four à arc à courant alternatif ou à courant continu, tel que trois fours à arc monophasés, ou un ou plusieurs fours à arc biphasés ou triphasés reliés à un réseau de courant alternatif. Les fours à arc représentent des charges difficiles pour les systèmes d'alimentation de puissance. En par- ticulier, les fluctuations de la puissance réactive sont gran- des et provoquent des fluctuations de tension qui peuvent être gênantes. Ces fluctuations de puissance réactive sont compen- sées par des agencements tels que des systèmes statiques, com- prenant des condensateurs reliés en thyristors, ou des bobines commandées par l'angle de phase, le cas échéant complétées par des filtres pour les harmoniques. Mais ces moyens de compensa- tion ne peuvent compenser les fluctuations de la puissance active, mais seulement l'équilibrer. Dans des réseaux faibles, les fluctuations de la puissance active donnent lieu à des fluctuations gênantes de puissance en dépit de leur compensa- tion. Quand on relie des fours à arc à des réseaux faibles, au voisinage du générateur, ces fluctuations de puissance active peuvent être nuisibles au générateur ainsi qu'aux turbines. Les problèmes sont importants en raison des asymétries de courant et des fluctuations de puissance. L'invention vise à fournir une solution à ces problè- mes et à d'autres problèmes qui y sont associés. L'association de fours suivant l'invention se caractérise en ce qu'au moins un four à induction est relié au même réseau que les fours à arc, en vue de chauffer au préalable la ferraille de laquelle le four à arc doit être ensuite chargé, cette dernière liaison étant obtenue par l'intermédiaire d'au moins un convertisseur de tension alternative qui peut être commandé. En commandant- la puissance qui sort vers le four à induction, ou vers les fours à induction, on peut aplanir plus rapidement et plus efficacement les fluctuations de puissance et on obtient du réseau une puissance de sortie à peu près constante. Ceci résout les problèmes mentionnés ci-dessus, et en outre on ob- tient une production plus élevée et des coûts de production plus bas avec, entre autres, une consommation d'électrodes plus faible et des durées de fusion plus brèves dans les fours 2 2481562 à arc. Dans le cas de fours à courant continu, ceux-ci sont reliés au réseau par l'intermédiaire de convertisseurs. Dans une variante préférée, chaque four à induction (de préférence de type à creuset) est relié au réseau par l'in- termédiaire d'un convertisseur de tension alternative. Suivant une autre variante préférée, des dispositifs de compensation des fluctuations de la puissance réactive dues au four, ou aux fours à arc, sont connectées à l'association 1O de fours. Dans l'association de fours mentionnée ci-dessus, on a résolu les problèmes qui se posent par la liaison d'au moins un four à induction destiné à chauffer au préalable la ferrail- le de laquelle le four à arc doit être ensuite chargé, cette dernière liaison étant obtenue par l'intermédiaire d'un conver- tisseur de tension alternative qui peut être commandé. La variante préférée mentionnée en dernier est caracté- risée en ce que les dispositifs de compensation sont constitués au moins partiellement soit d'un four à induction monophasé re- lié à chaque phase, soit dans le cas de réseaux triphasés de plusieurs fours à induction triphasés, auquel cas la ferraille à envoyer au four à arc est disposée de manière à être chauffée au préalable dans les fours à induction. C'est ainsi que,dans ce cas, des bobines commandées par l'angle de phase ou autre installation semblable, qui se composent normalement d'un cer- tain nombre de bobines monophasées, une pour chaque phase, sont remplacées soit par trois fours à induction monophasés, soit par plusieurs fours à induction triphasés, dans lequels la ferraille peut être chauffée par induction. Cette solution, qui est une variante à la solution précédente, signifie qu'une partie considérable de l'énergie requise pour la fusion est fournie à la ferraille en dehors du four à arc, ce qui a pour résultat des durées de fusion abrégées et une consommation plus faible d'électrodes. En p.lus de la stabilisation de la tension, ceci donne une augmentation de la production plus grande et une diminution des coûts plus grande qu'un système classique de correction du facteur de puissance à l'aide de bobines à air. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre 3 2481562 d'exemple la figure 1 est un schéma destiné à permettre d'expli- quer l'invention; - la figure 2 est une vue d'un détail du four de chauffa- ge préalable; la figure 3 est un schéma du four à induction et de son convertisseur de tension alternative la figure 4 est un graphique illustrant les différents stades de l'utilisation de l'association de fours la figure 5 et la figure 6 représentent, respective- ment, trois fours à induction placés au-dessus du récipient pour la ferraille la figure 7a illustre une alimentation commune de plu- sieurs fours à induction suivant la dernière variante man- tionnée, tandis que la figure 7b illustre l'alimentation dis- tincte de divers fours à induction la figure 8 illustre la division du dispositif compen- sateur, tandis que la figure 9a illustre la connexion de trois fours à induction monophasés; la figure 9b illustre la connexion d'un four triphasé à un réseau triphasé; la figure 10 illustre un four à induction triphasé la figure il illustre la connexion de plusieurs fours triphasés; la figure 12 illustre le chargement des fours, tandis que la figure 13 représente une vue d'un détail de ces fours avec un conduit de sortie des gaz de carneaux; et la figure 14 est un schéma de circuits pour des fours suivant l'invention. Suivant la figure 1, l'association de fours se compose de deux fours 2, 3 à arc qui sont reliés respectivement à un réseau 1 de tension alternative par l'intermédiaire de trans- formateurs 4, 5. Au réseau 1 qui, de préférence est un réseau triphasé, est relié un compensateur 6 de la puissance réactive, en vue de stabiliser la tension et de compenser les puissances respectives, ce compensateur étant relié par un transformateur 7. Ce dernier se compose, par exemple, de condensateurs reliés en thyristors, ou d'un réacteur commandé par l'angle de phase, le cas échéant avec des filtres pour les harmoniques. 4 2 2481562 Le compensateur des fluctuations de la puissance acti- ve est représenté en 8 (figure 1) et est relié au réseau par un transformateur 9. Le compensateur se compose d'un convertis- seur de tension alternative et d'un four à induction alimenté par ce convertisseur, de préference un pour chaque phase, ou d'un convertisseur triphasé avec un four triphasé. Il est aussi possible d'avoir un compensateur par phase et ainsi un four d'induction par phase et, le cas échéant, un four à arc tripha- sé ou trois fours à arc monophasés. La figure 3 illustre un four 10 à induction qui est muni d'un condensateur 11 habituel monté en parallèle. Il est relié au réseau par l'intermédiaire d'un convertisseur de ten- sion alternative comprenant deux thyristors 12 montés en-oppo- sition (des variantes différentes de liaison avec un nombre différent de thyristors sont possibles) et une bobine 13, le convertisseur étant relié au réseau par un transformateur 9. Les fluctuations de la puissance qui provient du four ou des fours à arc sont mesurées à la manière classique, et le signal de mesure obtenu commande les thyristors 12 de manière.' à obtenir une puissance Pref de sortie totale relativement constante. Les puissances réactives provenant des fours 2, 3 à arc et du- compensateur 8de puissance active (W) sont compen- sées phase à phase par le compensateur 6 de puissance réactive qui donne aussi de la symétrie aux puissances P actives prove- nant du four à arc (four R, S, T, multiphasé ou plusieurs fours monophasés) et des fours à induction, par exemple suivant les équations: Q(VAR)RS = - (Q (U+W)R + Q (U+W)s - Q (U+W)T) Q(VAR)ST = - (-Q (U+W)R + Q (U+W)s + Q (U+W)T) Q(VAR)TR = - (Q (U+W)R - Q (U+W)s + Q (U+W) T). Le convertisseur 12, 13 de tension alternative -alimente trois fours 10 monophasés de chauffage de la ferraille par in- duction, ou un ou plusieurs fours de ce type triphasé, suivant - les figures 3, 5 et 6. Chaque phase du compensateur 8 est commandée de manière 2481562 à ce que les puissances actives des fours 2, 3 à arce et des fours 8, 10 de chauffage préalable de la ferraille soient cons- tantes suivant les équations de commande Pu (t) + Pw (t) =Pref ou PWRS = 1/3 Pref - (PUR + PUS - PUT) PWST = 1/3 Pref - (-PUR + PUS + PUT) PWTR = 1/3 Pref - (PUR - PUS + PUT). Pu(T) est la puissance du four à arc, Pw(t) est la puissance du four à induction et Pref est la puissance totale. R, S et T sont les trois phases. Pendant le premier stade (A à la figure 4) de fonction- nement de l'association de fours, à savoir le stade de fusion, la puissance envoyée au four, ou aux fours 10 de chauffage préa- lable est commandée de manière à ce que les crêtes de Pu(t) soient compensées et que Pref devienne relativement constant. La puissance Pw(t) envoyée au four de chauffage préalable est représentée par la portion hachurée. Quelque temps après, le traitement final commence, c'est-à-dire que la puissance de l'arc est réduite (stade B) et les crêtes deviennent plus petites. Mais le chauffage préa- lable de la ferraille de laquelle le four à arc doit être ultérieurement chargé continue (suivant Pw). Pendant la coulée (stade de service C), la puissance du four à arc est ramenée à zéro, et seul le chauffage préalable (Pw) est effectué. Le four de chauffage de la ferraille peut se composer de trois fours(14, 15, 16 à la figure 5) d'induction verticaux monophasés, avec des condensateurs (17 à 19) en parallèle re- liés au réseau 23 triphasé par l'intermédiaire de convertisseurs , 21, 22 distincts de tension alternative, par exemple du même type que ceux illustrés à la figure 3. Les fours 14 à 16 peuvent être aussi un ou plusieurs fours à induction triphasés. Les fours peuvent être des fours 14 à 16 coniques à induction à creuset suivant la figure 6, à fond 25 ouvrable placés suivant une rangée audessus d'un chariot 25 portant des récipients 27 à ferraille. Les fours 14 à 16 sont chargés de ferraille à la manière classique. Quand les fours à arc 6 2481562 doivent être chargés de ferraille, le fond 25 est ouvert et la ferraille chauffée au préalable tombe dans le récipient 27 à ferraille se trouvant en-dessous du four 15, afin d'être avan- cée vers les fours à arc. Les fours 14 à 16 de chauffage préalable de la ferrail- le sont coniques et ont un fond qui est plus large que la par- tie supérieure afin d'empêcher toute retenue de la ferraille. Comme la puissance est développée à la périphérie, l'énergie doit être transportée vers le centre. Ceci est illustré à la figure 2. Le four est garni de briques dures perforées dans lesquelles sont ménagés des canaux 30 pour de l'air. De l'air est ainsi aspiré de la périphérie vers le centre et est enlevé du four par une cheminée 31. Le repère 32 de référence désigne des noyaux feuilletés, tandis que le repère 28 est la bobine du four. Après nettoyage, l'air chauffé peut être utilisé soit pour un chauffage local, soit comme air de combustion, par exemple pour le préchauffage d'une poche. Les figures 7a et 7b illustrent une association suivant la variante de l'invention mentionnée en dernier, comprenant plusieurs modules alimentés par un transformateur 41 commun à partir d'un réseau L multiphasé. En variante, on peut utiliser un transformateur pour chaque module. Au secondaire du transfor- mateur 41 est relié un convertisseur 43 commun de tension al- ternative mais, en variante, on peut utiliser de tels conver- tisseurs 10 pour les divers fours à induction. Trois fours 44, , 46 à induction incorporés dans les divers modules à induc- tion sont reliés au convertisseur 43 de tension alternative et, en parallèle à ce convertisseur 43 et auxfours 44 à 46,sont montés un ou plusieurs filtres 47 fixes pour des harmoniques, ces filtres étant accordés à des fréquences différentes afin de réduire les harmoniques. La figure 7b illustre une alimentation distincte des divers modules de fours à induction par un réseau 48 multipha- sé. La figure représente aussi les transformateurs 49 et 50 distincts, chacun d'entre eux alimentant respectivement un con- vertisseur 51 et 52 de tension alternative avec ses fours 53 et 54 à induction et ses filtres 55 et 56 pour les harmoniques montés en parallèle au convertisseur et aux fours. 7 2481.562 Pour réduire la puissance nominale du transformateur 41, on peut aussi subdiviser le montage fixe de correction du facteur de correction en deux moitiés égales, l'une reliée au primaire 57 du transformateur et l'autre au secondaire 58 du transformateur 41 (cf. figure 8). Suivant les figures 9a et 9b, les fours de chauffage de la ferraille peuvent se composer soit de trois fours (cf. figure 9a), 59, 60 et 61, à induction verticale monophasés, qui sont munis chacun d'un fond ouvrable et qui sont connec- tés chacun à un convertisseur RS, ST, TR, monophasé de tension alternative, ou à des convertisseurs 62, 63, 64 de tension alternative par l'intermédiaire de barres bus RS, ST, TR (+ et -). Il est aussi possible de relier un ou plusieurs fours à induction triphasés ayant un fond ouvrable au réseau, par exemple suivant la figure 9b. Le four à induction est repéré par la référence 65 et les divers convertisseurs de tension alternative par les références 66, 67 et 68. Puisque le com- pensateur doit être réglé phase par phase en vue de rendre symétriques les puissances actives, provenant des fours à arc, c'est un avantage que d'avoir un ou plusieurs fours triphasés. Pour réduire l'effet de l'induction mutuelle entre les diverses bobines, on peut agencer les fours en trois sections différentes (cf. figure 10) qui sont entourées par des noyaux de fer et qui sont empilées les unes sur les autres. Ces sec- tions portent les références 69, 70 et 71. Le four est muni d'un garnissage 74 réfractaire et d'un fond 72 ouvrable. Le bas de la figure 10 est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la partie supérieure de la figure 10, les noyaux de fer portant la référence 73. Pour diminuer encore l'induction mutuelle entre les bobines dans le cas de deux ou de plusieurs fours triphasés, on peut les relieren variantes à des phases différentes, comme illustré à la figure 11. Les fours portent les références 74, et 76. De la même manière que pour le dispositif suivant la variante décrite cidessus, les fours sont munis d'un fond 77 ouvrable et d'un conduit 78 de sortie pour les gaz de carneaux. Les fours sont placés, fonds ouvrable disposés suivant une rangée, audesms d'une voie pour un chariot de récipient 79 pour la 8 2481562 ferraille. Les fours sont chargés de ferraille à la manière classique. Quand les fours à arc doivent être chargés de fer- raille,on ouvre le fond et la ferraille, chauffée au préalable, tombe dans le récipient se trouvant -en-dessous du four, et qui est destiné à être avancé vers les fours à arc suivant la figure 12. Comme la puissance se développe à la périphérie, il faut transporter l'énergie vers le centre. Ceci est fait de la manière suivante. k> Le four est muni de tubes 80 dits de guidage (cf. figu- re 13),qui sont rectangulaires et qui ne sont pas magnétiques et qui, en ayant une faible extension radiale, se trouvent entre la bobine et la ferraille. La bobine porte la référence 82 et le noyau de fer la référence 83. Des briques 84 réfrac- taires sont disposées entre les tubes 80 de guidage. Ceux-ci sont munis de trous dirigés vers le centre de la bobine (cf.. la partie supérieure de la figure 13), par lesquels de l'air est insufflé (cf. les flèches 85). L'air insufflé par le tube de guidage transporte ainsi une partie de l'énergie de la. périphérie vers le centre. Comme on le voit, le four est garni- d'une manière céramique dure,-telle que de la brique 83 réfrac- taire, entre les tubes 80 de guidage. Au-dessus du four, est placé un couvercle à charnière muni d'un conduit 78 d'échappement des gaz de carneaux (cf. figure 12), l'énergie des gaz d'échappement peut être utilisée pour chauffer des équipements ou autres, comme illustré à la figure 13. La charge de ferraille porte la référence 86. Suivant la figure 14, le compensateur de puissance réactive compensateur VAR est commandé dans les conditions de commande suivantes EQ = Puissance réactive dans les fours 87 à arc. EQF= Puissance réactive dans le dispositif 89 de compensation fixée. QN= Puissance réactive allant au réseau. QV= Puissance réactive dans les fours 88 à induction. On obtient les conditions suivantes EQ + QV QF QN QV QF - EQ +QN- 9 2481562 Pour équilibrer la puissance active dans les fours à arc, on peut régler les fours à induction phase par phase sui- vant les conditions QVRS = (QR + QT - QT) QVST = - (QR + QS + QT) QVTR = - (QR -QS + QT) dans lesquelles QR, QS et QT sont les puissances réactives pour les phases R, S et T. Suivant la composition de la ferraille et l'augmenta- tion de la température, l'impédance dans les fours se modifie d'une charge à l'autre et pendant chaque charge. Les convertis- seurs de tension alternative sont commandés d'une manière con- venable par des variations du rapport de transformation du transformateur ou par tout autre type de commande de l'angle de phase. Comme l'impédance des fours est relativement cons- tante, la puissance active des fours à induction varie propor- tionnellement à la puissance réactive. 2481562 REVENDICATIONS 1. Association de fours comprenant au moins un four à arc à courant alternatif ou à courant continu, tel que trois fours (2, 3) à arc monophasés, ou un ou plusieurs fours (2, 3) à arc biphasés ou triphasés reliés à un réseau (1) de courant alternatif, caractérisée en ce qu'au moins un four (10) à in- duction est relié au même réseau en vue de chauffer au préala- ble la ferraille de laquelle le four à arc doit être chargé plus tard, cette dernière liaison étant obtenue par l'intermé- diaire d'au moins un convertisseur (12, 13) de tension alterna- tive pouvant être commandé. 2. Association de fours suivant la revendication 1, caractérisée en ceque chaque four (10, 14 à 16) à induction, qui est avantageusement sans noyauest relié au réseau par l'intermédiaire d'un convertisseur de tension alternative. 3. Association de fours suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque convertisseur (12, 13, 20 à 22) de tension alternative comprend au moins deux thyristors (12) montés en opposition et au moins une bobine (13). 4. Association de fours suivant l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que la puissance des fours à induction est commandée de manière à ce que la puissance acti- ve totale provenant de l'association de fours soit maintenue constante dans la plus grande mesure possible, suivant des valeurs de référence souhaitées. 5. Association de fours suivant l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'un compensateur (6) de puissance réactive est relié aussi au réseau, en vue de compenser les fluctuations de la puissance réactive. 6. Association de fours suivant l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que chaque four (14 à 16) à induction de chauffage préalable est placé, ou peut être placé, au-dessus d'un récipient (27) à ferraille destiné à être avancé vers le four (2, 3) à arc, ou vers les fours (2, 3) à arc. 7. Association de fours suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les fours à induction de chauffage préalable sont munis d'un fond (25) ouvrable et, le cas éché- ant, d'un tube (31) d'évacuation des gaz. il11 2481562 8. Association de fours suivant la revendication 7, caractérisée en ce que le garnissage du four est muni de bri- ques (29) perforées par lesquelles de l'air est insufflé pour transporter l'énergie de la périphérie vers le centre du four. 9. Association de fours suivant la revendication 1, comprenant des dispositifs destinés à compenser les fluctua- tions de la puissance réactive provoquées par le four à arc, ou par les fours à arc, caractérisée en ce que ces dispositifs sont constitués au moins partiellement soit de trois fours (59, 60, 61) à induction monophasés reliés à chaque phase, soit dans le cas d'un réseau triphasé, d'un ou de plusieurs fours (65) à induction triphasés, la ferraille qui est destinée à alimenter ces fours à arc étant placée de manière à être chauf- fée au préalable dans les fours à induction. 10. Association de fours suivant la revendication 9, caractérisée en ce que les fours à induction sont montés de manière à être chargés soit par un transformateur (41) commun et par un convertisseur de tension alternative commun ou dis- tinct, soit par des transformateurs (49, 50) et par des conver- tisseurs (51, 52) de tension alternative distincts. 11. Association de fours suivant la revendication 10, caractérisée en ce que des filtres (55, 56) pour les harmoni- ques sont montés en parallèle avec le four à induction et avec le convertisseur de tension alternative, le cas échéant en parallèle avec plusieurs dispositifs de ce type, et le cas échéant en parallèle avec le transformateur. 12. Association de fours'suivant la revendication 9, caractérisée en ce que les fours à induction multiphasés sont constitués de plusieurs sections (69 à 71) différentes, par exemple une par phase, entourées par des noyaux (73) de fer et empilées les unes sur les autres. 13. Association de fours suivant l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les fours (74 à 76) à induction multiphasés sont montés de manière à ce que leurs connexions de phases puissent être modifiées entre les diffé- rentes phases ou puissent être différentes d'un four à l'autre.