Brevet FR2500979A1 — publié le 19820903

ELECTRODE NON CONSOMMABLE POUR UN FOUR A ARC ELECTRIQUE La présente invention se rapporte à une électrode non consommable pour un creuset électrique, tel qu'un four à arc électrique ou un four-poche à arc. Plus particulièrement, elle concerne une électrode de ce type munie d'un bobinage créant un champ magnétique de façon à produire une force tendant à faire tourner l'arc sur le nez de l'électrode. Par exemple, le brevet américain ne 3.395.240 décrit une électrode non consommable constituée d'tm bobinage et d'un manchon entourant ce dernier. Le bobinage est alimenté electriquement de manière à amorceur un arc sur la spire la plus proche de la surface de la charge, qui est portée à une polarité opposée à celle de cette dernière. En même temps, le bobinage est excité, créant ainsi un champ magnétique de façon à produire une force tendant à faire circuler l'arc sur la spire. Une telle délocalisation de l'arc est de nature à réduire la consommation des électrodes, et on peut alors effectuer des opérations métallurgiques d'une durée plus longue et d'une puissance électrique plus élevée que dans le cas d'un arc en position fixe. Toutefois, le bobinage subit des contraintes thermiques importantes, surtout à la partie où jaillit l'arc, ce qui finit par entraîner une détérioration du bobinage.Dans l'électrode conforme au brevet américain cidessus, la partie d'amorçage d'arc, c'est-à-dire la spire inférieure est une partie inamovible du bobinage. Donc, il faut démonter l'ensemble de l'électrode lors de la réparation. Visant à obtenir une opération d'une longue durée et d'une grande puissance et aussi à faciliter l'opération de réparation, le demandeur propose une électrode à arc tournant et ayant un nez amovible. D'après ses essais, le demandeur a constaté que, pour pouvoir utiliser sans problème l'él & trode à nez amovible, il faut satisfaire deux conditions d'une part, réaliser un refroidissement satisfaisant du nez de l'électrode afin d'empêcher l'oxydation ou la fusion du matériau constitutif du nez ; d'autre part, assurer une résistance mécanique suffisante contre les contraintes d'origine thermique developpées dans les pièces constituant l'élec- trode. La température maximale à ne pas dépasser dépend du matériau constitutif du nez. Dans le cas d'un nez en cuivre, la température maximale est environ 4000C. Cependant, le cuivre est un matériau présentant une très bonne conductivité thermique et il ne se pose pas de problème très difficile à l'home du métier pour réaliser un refroidissement efficace.Le graphite est aussi un matériau d'une haute conductivité électrique et d'une bonne résistance à l'usure thermique. Toutefois, il est difficile de l'utiliser pour un système de refroidissement à-cause de sa basse conductivité thermique et de sa mauvaise résistance mécanique. A propos de la tenue mécanique de l'électrode, il faut tenir compte de la dilatation différentielle thermique des pièces constituant l'électrode. Dans le cas du nez amovible, les joints souffrent des contraintes qui résultent de cette dilatation et qui risquent de détériorer l'étanchéité du conduit interne dans le nez. Le but de la présente invention est justement de proposer une électrode dont le nez est amovible par rapport au bobinage. A cet effet, l'invention a pour objet une électrode non consommable pour amorçer et maintenir un arc électrique sur des métaux portés à une polarité opposée dans un four à arc électrique, qui est constituée d'un nez d'amorçage de l'arc, d'un bobinage créant un champ magnétique dont les lignes de force au niveau du nez présentent une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d'amorçage de l'arc de façon à produire une force tendant à faire tourner l'arc sur le nez, et d'un manchon entourant le bobinage et constitue par trois parois, intérieure, médiane, extérieure, de forme tubulaire, coaxiales l'une à l'autre, déf-nissant entre elles deux espaces pour la circulation d'un fluide refroidissant, dont l'un est relié à une source d'alimentation en fluide refroidissant et l'autre est relie a l'extérieur du four. Le bobinage peut présenter un conduit interne pour le passage d'un fluide refroidissant. Selon l'invention, le nez est constitué d'une pièce amovible par rapport au bobinage. La pièce est en un métal à base de cuivre, de forme genérale annulaire épousant, en coupe verticale, une forme générale en dont le bord extérieur est fixé de façon étanche à l'extrémité inférieure de la paroi extérieure du manchon et le bord interieur est maintenu en contact coulissant étanche avec l'extrémité inférieure de la paroi intérieure du manchon, constituant ainsi avec l'extrémité inférieure de la paroi médiane un passage étanche pour le fluide refroidissant le nez. Selon un mode de réalisation de l'invention, le nez comporte une couronne en graphite, emboîtée sur la pièce en cuivre. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'électrode comporte une pièce réfractaire, de forme genérale circulaire, de manière à boucher l'ouverture du nez pour que le bobinage soit protégé contre le rayonnement de l'arc et des métaux à haute température dans le four. Conformément à une variànte de réalisation, le bord intérieur du nez est connecté rigidement et électriquement à sa saillie annulaire avec l'extrémité inférieure du bobinage. Conformément à une deuxième variante de réalisation, le bord intérieur du nez est connecté rigidement à sa saillie annulaire par l'intermédiaire d'une pièce isolante électriquement avec l'extrémité inférieure du bobinage, de façon à isoler électriquement le nez du bobinage. Dans ce cas, le nez est alimente par une source électrique différente de celle qui alimente l'excitation du bobinage. Selon une caractéristique de l'invention, la paroi médiane du manchon est prolongée à son extrémité par une pièce de même conformation, dont la position est ajustable, de manière à régler la largeur du passage du fluide refroidissant dans le nez. Selon une autre caractéristique de l'invention, le manchon est garni extérieurement d'un matériau réfractaire. Une telle réalisation de l'électrode conforme à 1 invention assure l'augmentation de sa durée de service, même en opérant à grande puissance électrique. La dilatation des pièces constituantes de l'électrode sera absorbée par l'assemblage coulissant entre le nez et la paroi intérieure et donc elle n'entraîne pas de contrainte entre eux. Le nez amovible selon l'invention facilite l'opération de réparation. Si le nez est usé ou détérioré, on peut facilement le démonter et le réparer, ou bien, on peut le remplacer par un nez non défectueux. L'invention sera bien comprise et les avantages qu'elle procure ressortiront clairement au vu de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe verticale d'un mode de réalisation de l'électrode conforme à l'invention ; - la figure 2 représente une vue en détail d'une réalisation du nez selon l'invention ; - la figure 3 représente une vue en coupe verticale partielle d'un autre mode de réalisation de l'électrode conforme à l'invention - la figure 4 représente une coupe verticale partielle d'une variante de réalisation de l'électrode conforme à l'invention. Dans toutes les figures, les éléments identiques seront désignés par le même repère. En se référant à la figure 1, on a représenté en 1 un bobinage présentant un conduit interne de fluide refroidissant, en 2 un manchon entourant le bobinage 1 et présentant deux espaces pour la circulation d'un fluide refroidissant, en 3 un nez attaché à l'extrémité inférieure du manchon 2. Dans ce mode de réalisation, l'ouverture centrale du nez 3 est obturée par une pièce réfractaire 4 afin de protéger le bobinage I contre le rayonnement de l'arc 5 et du métal en fusion (non représenté sur la figure). Le bobinage 1 est constitue par des spires en nombre approprié, dans le cas représenté sur la figure 1, par cinq spires 6, 7, 8, 9 et 10. Chacune de ces spires présente un conduit interne commun 11 pour permettre la circulation du fluide refroidissant. Le bobinage 1 reçoit, au niveau de la spire la plus haute 6, un tube 12, de manière à faire communiquer le conduit interne Il avec ce dernier.~Le tube 12 est, à son tour, en communication avec une source d'alimentation en fluide refroidissant (non représentée). Le conduit interne 11 est aussi joint au niveau de la spire la plus basse 10 à un autre tube 13 qui, remontant dans le centre du bobinage 1, débouche à l'extérieur de l'électrode. Le tube 12 et le bobinage 1 sont en matériau hautement conducteur de l'électricité. Les tubes 12 et 13 sont isolés électriquement de l'extérieur de l'elec- trode respectivement par des moyens isolants 14 et 15 au niveau approprié. Le bobinage 1 est alimenté, par l'intermédiaire du tube 12, par une source électrique 16. A cet effet, le tube 12 est connecté en un point 17 à la source électrique 16. L'alimentation électrique peut être à courant continu ou à courant alternatif. Le bobinage 1 est porté à une polarité de la source électrique 16 et le métal à traiter est porté à l'autre polarité de la source 16. Le manchon 2 est constitué de trois parois coaxiales, extérieure 18, médiane 19 et intérieure 20. Chacune de ces parois est de mime conformation tubulaire, généralement cylindrique, mais de différents diamètres, de manière à ménager deux espaces, l'extérieur 21 et l'intérieur 22, pour la circulation d'un fluide refroidissant, généralement de l'eau. Les espaces 21 et 22 sont obturés au niveau supérieur par une bride 23 fixée, par exemple par soudure. Les espaces 21 et 22 sont assurés par des tétons 25 et 26 fixés respectivement sur les pourtours extérieurs de la paroi médiane 19 et de la paroi intérieure 20. Les espaces 21 et 22 sont reliés l'un à l'autre par l'inter médiaire d'un passage 27 dans le nez comme expliqué en détail ci-après. L'espace extérieur 21 est relié à une source d'alimentation en fluide refroidissant (non représentée sur la figure) par un conduit d'introduction 28. L'espace intérieur 22 est en communication avec l'extérieur de l'élec- trode par un conduit d'évacuation 29 qui est relié à un orifice 30 agencé à cet effet à la partie supérieure du manchon. Le manchon 2 est garni, au pourtour extérieur de la paroi extérieure 18, d'un matériau réfractaire 31 afin de la protéger contre le rayonnement du métal en fusion. Comme on le voit sur la figure 1, le nez 3 de l'électrode est de forme annulaire épousant, en coupe verticale, une forme générale en "U". Le bord extérieur 32 du nez 3 est assemblé par l'intermédiaire d'une pièce cylindrique 33 avec l'extrémité inférieure de la paroi extérieure 18. Afin de faciliter la jonction entre le bord extérieur 32 et la paroi extérieure 18, celle-ci se prolonge dans la même conformation par la pièce intermédiaire 33. Cette jonction peut être effectuée par tout moyen approprié, par exemple par soudage. Le bord intérieur 34 du nez 3 est maintenu en contact étanche et coulissant avec une pièce intermédiaire 35 qui est fixée à l'extrémité inférieure de la paroi intérieure 20, de façon à s'étendre verticalement dans la même conformation cylindrique.Ce contact étanche et coulissant est assuré par les joints 36 décrits plus en détail ci-après. Le nez 3 est connecté rigidement et électriquement avec la spire 10 du bobinage. A cet effet, la spire 10 est usinée de façon à présenter un plan inférieur horizontal ; pour celà, le corps de la spire 10 est progressivement aminci pour former une surface inférieure horizontale. D'autre part, le nez 3 comporte une partie annulaire 37 faisant saillie dans la direction intérieure de l'électrode. Ainsi, le nez 3 est fixé. par une couronne de vis 38 à la spire 10, de manière à être mis en contact étroit avec elle. Comme on le voit plus clairement sur la figure 2, le nez 3 est relié à son bord annulaire extérieur 32 avec l'extrémité inférieure de la paroi extérieure 18 et à sa saillie annulaire intérieure 37 avec la spire 10 du bobinage. Le nez est ainsi maintenu en position. D'autre part, la pièce intermédiaire 35, sur laquelle le bord intérieur 34 du nez 3 prend un appui étanche et coulissant, comporte des gorges dans lesquelles sont disposés des joints toriques 36 à quatre lèvres tels que les joints commercialisés sous la référence JF4 nO 69. Cette jonction coulissante peut absorber les contraintes qui se produisent dans le manchon 2 et le nez 3. La construction en spirale du bobinage absorbe les contraintes développées par les variations de dilatation entraînées par le refroidissement énergique du nez et le cycle discontinu des opérations. La paroi médiane 19 est aussi prolongée dans la même conformation par une pièce cylindrique 39. Pour cet assemblage, la paroi médiane 19 est filetée à son extrémité inferieure 40 et la pièce cylindrique 39 est taraudée à sa partie supérieure. La pièce cylindrique 39 est ainsi vissée sur le filetage 40 de la paroi médiane 19 pour permettre la prolongation de cette dernière décrite ci-dessus. Comme on le voit sur la figure 2, la pièce cylindrique 39 est renflée à sa partie inférieure, de façon à constituer une tête 41 qui délimite le passage 27 avec le nez 13.La largeur du passage 27 est susceptible d'être changée par le réglage du vissage 40 entre la pièce cylindrique 39 et la paroi médiane 19 pour que la vitesse du fluide refroidissant soit ajustée. il est souhaitable de faire circuler le fluide refroidissant dans le nez 3 à une vitesse aussi grande que possible afin d'obtenir un refroidissement efficace. Ce but est bien atteint par la réalisation du nez ci-dessus. L'ouverture qui est délimitée par le bord intérieur 34 et la saillie annulaire 37 est bouchée par une pièce réfractaire 4. On peut employer des matériaux réfractaires appropriés pour la pièce circulaire 4, tels qu'un matériau commercialisé sous le nom de "Syndanio" qui est composé d'un mélange de pierres minérales et d'amiante préalablement broyées. En se référant è un autre mode de réalisation représenté sur la figure 3, une couronne en graphite 2 est emboîtée sur la pièce en cuivre 3. A cet effet, la couronne en graphite 42 est usinée de façon telle qu'elle épouse les surfaces intérieure et inférieure de la pièce en cuivre 3. Dans ce mode de réalisation, la coupe verticale da la couronne 42 présente une forme en "L". La surface intérieure de la pièce en cuivre 3 est taraudée afin de recevoir la couronne 42 par vissage. Ceci assure le maintien de la couronne 42 en position et augmente la surface de contact entre la pièce en cuivre 3 et la couronne 42, ce qui est désirable pour la conduction électrique et thermique entre elles.Comme on l'a déjà ersplique, il est impraticable de fabriquer un nez er. graphite monobloc à cause de sa faible résistance mécanique et de sa basse conductivité thermique. Toutefois, une réalisation comme celle représentée sur la figure 3 permet d'assurer la tenue mécanique et la conduction thermique du nez. Un autre mode de réalisation est représenté sur la figure 4. Dans ce mode, le courant électrique pour l'arc et le courant électrique pour l'exciw tation du bobinage sont fournis séparément. Comme on le voit sur la figure 4, un joint métallique 44 est prévu pour joindre la spire 10 au tube 13. Le joint en cuivre 44 est constitué d'une base circulaire 45 et d'un tube 46 qui est fixé perpendiculairement sur la base 45. Le tube 46 reçoit à son ouverture supérieure le tube 13 de façon étanche. La spire communique avec le tube 46 par une ouverture percée dans sa paroi. Le joint 44 est fixé à la spire 10 au moyen d'une couronne de vis 47. D'autre part, une pièce annulaire réfractaire 48 est intercalée entre la saillie 37 et la base 45 du joint 44, de manière à isoler électriquement le nez 3 du bobinage 1. Au centre du joint 44, une autre piece réfractaire circulaire 49 est disposée. Cette pièce 49 comporte un évidement dans la periphérie supérieure, définissant un épaulement 50 annulaire sur lequel la saillie 37 du nez 3 se pose. La pièce centrale 49 est fixée au joint métallique 44 au moyen d'une couronne de vis 51, serrant ainsi la saillie 37 du nez entre l'épaulement 50 et la pièce réfractaire 48, ce qui maintient le nez en position. Dans ce mode de réalisation, le nez est connecté à une source électrique par l'intermédiaire de la paroi extérieure 18. Le bobinage 1 est connecté à une autre source électrique de façon analogue à celle représentée sur la figure 1. Il est à noter que l'on peut faire varier l'intensité du champ magnétique afin de modifier la vitesse de rotation de l'arc indépendamment du courant d'arc. L'utilisation de l'électrode selon l'invention est expliquée en se référant à la figure 1. On alimente le passage extérieur 21 en fluide refroidissant par l'intermédiaire du conduit d'introduction 28. Le fluide circule en descendant dans le passage 21 et pénètre dans le passage interne 27 du nez 3. Après que le fluide ait refroidi le nez 3, il monte dans le passage intérieur 22 ménagé entre les parois médiane 19 et intérieure 20. Enfin, le fluide s'échappe par le conduit d'évacuation 29. D'autre part, on alimente le tube 12 en fluide refroidissant à partir d'une source non représentée sur la figure. Le fluide, cette fois, descend dans le tube 12 et entre dans le conduit interne 11 du bobinage 1 en le refroidissant. Ensuite, le fluide monte dans le tube 13 et s'échappe à l'extérieur de l'électrode. D'autre part, on connecte le tube 12 au point 17 à un pôle d'une source électrique. L'autre pôle de la source électrique est raccordé à la charge métallique à traiter. Le courant parcourt le bobinage 1 en l'excitant et l'arc 5 jaillit entre le nez et la charge. Le bobinage 1 produit un champ magnétique dont les lignes de force à la sortie du bobinage présentent une exposition radiale qui les rend sensiblement perpendiculaires à la direction d'amorçage de l'arc 5 permettant ainsi de faire tourner l'arc 5 sur l'embout circulaire. Le refroidissement du nez 3 rend possible un fonctionnement de longue durée à haute puissance. La vitesse de circulation du fluide dans le passage 27 du nez 3 est ajustée par réglage de la position de la tête 41 de la pièce 39. Si le nez 3 de l'électrode est usé ou détérioré, on peut facilement le démonter et le réparer ou bien on peut le remplacer par un autre nez non défectueux. Il va de soi que la présente invention ne saurait se limiter aux modes de réalisation particuliers décrits. Ainsi, la technologie particulière de l'électrode décrite en référence aux dessins annexés peut être remplacée par toute autre technologie dans la mesure où sont respectées les caractéristiques définies dans les revendications annexées. De même, la nature du fluide refroidissant (eau) n'est pas limitative. Il est possible également d'utiliser un autre liquide, et même un gaz. REVENDICATIONS 1. Electrode non consommable pour amorçer et maintenir un arc électrique dans un creuset métallique, qui est constituée d'un nez 3 d'amorçage de l'arc 5, d'un bobinage 1 créant un champ magnétique dont les lignes de force au niveau du nez présentent une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d'amorçage de l'arc, de façon à produire une force tendant à faire tourner l'arc sur le nez 3, et d'un manchon 2 entourant le bobinage 1 et constitué par trois parois coaxiales, intérieure 20, médiane 19, extérieure 18, de forme tubulaire, définissant entre elles deux passages 21 et 22 pour un fluide refroidissant, dont l'un est relié à une source d'alimentation en fluide refroidissant et l'autre est relié à l'extérieur du four, caractérisée en ce que le nez 3 est constitué d'une pièce électroconductrice amovible par rapport au bobinage 1 et de forme générale annulaire présentant, en coupe verticale, un profil général en "U", dont le bord extérieur 32 est fixé de façon étanche à l'extrémité de la paroi extérieure 18 du manchon et dont le bord intérieur 34 est maintenu en contact coulissant et étanche avec l'extrémité de la paroi intérieure 20 du manchon, constituant ainsi avec l'extrémité inférieure de la paroi médiane 19 un passage étanche 27 pour le fluide refroidissant le nez 3. 2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pièce 3, constitutive du nez de l'électrode, est composée d'une partie interne en métal à base de cuivre et d'une couronne 42 en graphite emboîtée sur ladite partie. 3. Electrode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est munie d'une pièce réfractaire 4, de forme générale circulaire, de façon à boucher l'ouverture centrale du nez 3, protégeant ainsi le bobinage 1 contre le rayonnement de l'arc 5. 4. Electrode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le nez 3 est connecté rigidement et électriquement à sa saillie annulaire 37 avec l'extrémité inférieure du bobinage 1. 5. Electrode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le nez 3 est connecté rigidement à sa saillie annulaire 37 par l'inter médiaire d'une pièce isolante avec l'extrémité inferieure du bobinage 1 de façon isolante électriquement et alimenté par une source électrique différente de celle qui alimente l'excitation du bobinage. 6. Electrode selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la paroi médiane 19 est prolongée à son extrémité inférieure par une pièce 39 de même conformation, dont la position est ajustable, de manière à régler la largeur du passage 27 du fluide refroidissant dans le nez. 7. Electrode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le manchon 2 est garni extérieurement d'un matériau réfractaire 31. 8. Electrode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le bobinage 1 comporte un conduit interne pour le passage d'un fluide refroidissant.