Brevet FR2512312A1 — publié le 19830304

ELECTRODE POUR FOUR A ARC OU RECIPIENTS METALLURGIQUES ANALOGUES ET PROCEDE DE FABRICATION. L'invention se situe dans le domaine de l'élaboration des métaux, notamment de l'acier, au four électrique à arc, en poche ou autres récipients analogues, et concerne plus particulièrement les électrodes équipant ces dispositifs. On sait que les difficultés liées à l'instabilité de l'arc électrique qui jaillit à l'extrémité active de l'électrode en regard de la charge métallique à élaborer, constitue un sujet d'actualité dans le monde entier. Les conséquences d'une telle instabilité se situent à plusieurs niveaux. On peut noter, en particulier, une limitation de la puissance réelle utilisable, un accroissement du travail de la régulation, ce qui, dans certaines conditions, contribue à augmenter la consommation d'elec- trodes, ou une nuisance sonore à laquelle les responsables, soucieux d'améliorer les conditions de travail de leur personnel, ne restent pas insensibles. Pour améliorer les conditions de stabilité de l'arc, différentes solutions ont déjà été proposées. L'une d'entre elles, consiste à superposer à l'alimentation électrique habituelle (50 ou 60 Hz), une alimentation électrique haute fréquence (50 kHz par exemple), de maniere à former entre l'électrode et la charge métallique une étincelle quasi-permanente qui maintient le milieu gazeux où jaillit l'arc dans un état ionisé pratiquement ininterrompu. (BF nO 2.432.816). Une autre solution, connue depuis longtemps, consiste à modifier la nature chimique du milieu gazeux d'établissement de l'arc en insufflant au travers de l'électrode, percée axialement à cet effet, un gaz plus facilement ionisable que l'atmosphère existante dans le four. Cependant, cette pratique présente des inconvénients, notamment du fait qu'elle nécessite une adaptation de l'installation pour la mise en place des moyens d'insufflation. En outre, des impératifs d'ordre métallurgique, tenant à la qualité du métal, restreignent le choix du gaz à un éventail assez étroit (azote, gaz rares, ...) qui n'est pas le plus heureux sur le plan économique et dont l'efficacité réelle demeure limitée. Une autre solution, plus récente (BF nO 2.442.567), s'affranchit des inconvénients précédents en proposant une électrode percée axialement, donc analogue à celle évoqué ci-avant, mais dont la cavité centrale est remplie, de fabrication, par des sels minéraux facilement ionisables. Une telle électrode composite, qualifiée habituellement d'électrode à "mêche dopante", représente indéniablement un progres par rapport à l'électrode à flux gazeux, sinon dans une meilleure utilisation du four au plan électrique, du moins dans une mise en oeuvre plus aisée de ce dernier. Il est vrai cependant que, sur le plan économique, une telle électrode est relativement chère en raison d'une plus-value apportée par la présence de matière dopante onéreuse et par un coût de main d'oeuvre supplémentaire. Les inventeurs ont découvert, non sans surprise, que, sous certaines conditions, qui seront précisées par la suite, l'effet positif des électrodes à "mêche dopante" sur la stabilité de l'arc était en fait lié, environ pour moitié seulement, à la matière dopante et pour l'autre moitié aux cavités elles-mêmes, qui contiennent cette matière. On saisit immédiatement l'intérêt pratique d'une telle découverte qui consiste à pouvoir améliorer sensiblement la stabilité de l'arc par rapport à une électrode classique et ceci au moyen d'une électrode plus économique qu'une électrode à "mêche dopante". Exprimée autrement, cette découverte ouvre, entre les deux pratiques connues, à savoir celle de l'électrode pleine classique et celle de l'Electrode à "mêche dopante", un large éventail de choix possibles selon que l'on accorde une importance accrue à la stabilité de l'arc ou inversement au critère économique. L'invention, issue de cette découverte, a ainsi pour objet une électrode pour four à arc, ou récipients métallurgiques analogues, caracté- risée en ce qu'elle comporte des cavités qui viennent déboucher à l'extrémité active de l'électrode destinée à être placée en regard de la charge métallique à élaborer dans le four et dont les orifices sont répartis sur toute la surface de ladite extrémité. Conformément à une realisation préférée, ces cavités forment un réseau d'évidements longitudinaux continus répartis dans toute la section de l'électrode. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de l'électrode selon la réalisation préférée precitée et conformément auquel on prépare une pâte de carbone que l'on fait ensuite passer dans une filière de mise en forme avant de soumettre l'ébauche ainsi obtenue au traitement thermique habituel de frittage et de graphitisation, procédé caractérisé en ce que i'on incorpore initialement à la pâte de carbone des éléments filiformes ductiles en matériau thermodégradable disparaissant lors du traitement thermique final, tels que des-fils de nylon ou autres fibres synthétiques ou naturelles souples. Ainsi qu'on l'aura déjà compris, les conditions préalablement évoquées comme nécessaires à l'obtention d'un effet de stabilisation de 1 arc propre aux cavités, consistent en ce que ces dernières, ou tout au moins leurs orifices sur l'extrémité active de l'électrode, doivent déboucher à la surface de cette extrémité en formant un réseau réparti sur ladite surface, et de préférence réparti le plus uniformément possible. Des essais ont montré en effet que - des électrodes percées dans la région centrale seulement ne procuraient pas d'amélioration sensible de la stabilité de l'arc et ceci quelque soit le nombre de perçages et/ou que ces perçages soient ou non remplis de matière dopante. - mais l'association de perçages dans la région centrale avec une couronne de perçages périphériques au voisinage de la paroi latérale de l'électrode permettait de noter une amélioration nette de la stabilité de l'arc ; alors que les résultats obtenus par la présence seule de cette couronne (électrode massive au centre) semblait montrer une tendance à l'amélioration sans pour autant que l'on puisse l'affirmer avec certitude, - enfin, une amélioration plus importante encore a été obtenue grâce à une répartition des perforations selon un réseau uniformément distribué dans toute la section droite de l'électrode. Le paramètre objectif choisi pour apprécier la stabilité de l'arc repose sur la mesure des fluctuations de la puissance électrique instantanée des trois arcs, image de la stabilité de ces derniers (four à trois électrodes). Dans le cas d'un réseau de perforations réparties, la réduction de ces fluctuations de puissance, par rapport à une électrode massive classique, se situe à des niveaux de l'ordre de 20 %. A l'heure actuelle, plusieurs hypothèses explicatives des phénomènes observés peuvent être émises, sans que l'on puisse cependant en retenir une avec un degré de certitude suffisant. Il semblerait, toutefois, qu'une origine possible puisse être recherchée au travers d'un effet de concentration de la densité de courant électrique analogue à l'effet de concentration de la densité de courant électrique analogue à l'effet dit "de pointe" bien connu en électrostatique et qui interviendrait ici pour localiser l'arc sur les portions de surface de l'extrémité active de l'électrode laissées disponibles en dehors des évidements. -Une autre tentative d'explication se base sur des micro-climats favorisés par les cavités et dans lesquelles l'état ionisé du milieu gazeux conserverait une certaine pérennité. I1 est possible, et meme probable, qu'en réalité les deux causes qui viennent d'être énoncées jouent conjointement. On va maintenant décrire une réalisation de l'électrode selon l'invention en se référant aux figures 1 et 2 annexées, représentant respectivement une vue en coupe longitudinale et une vue en coupe transversale selon les plans AA et BB qui y sont indiqués. Comme on l'a déjà dit, la caractéristique essentielle de l'électrode selon l'invention, caractéristique qui conditionne l'amélioration de la stabilité de l'arc, est la présence, à l'extrémité de travail de l'électrode, de cavités qui débouchent en surface en étant réparties au mieux sur toute la surface offerte. Sachant par ailleurs que les électrodes habituellement mises en oeuvre s'usent en cours d'utilisation à partir de leur extrémité de travail (électrode consommable, en graphite notamment) on comprend que, pour obtenir la persistance de l'amélioration recherchée, il convient de réaliser des cavités les plus continues possibles dans le sens longitudinal de l'électrode. Il apparait qu'à cet égard, la meilleure solution que l'on connaisse actuellement, consiste à ménager dans la masse électroconductrice de l'électrode un faisceau d'évidements rectilignes parallèles à l'axe de celle-ci. Une telle électrode est représentée sur les figures où l'on voit en i, le corps en graphite, en 2 l'axe de l'électrode et en 3 les évidements internes organisés en faisceaux parallèles à l'axe 2. Sur la figure 1, on indique également la charge métallique 4 à élaborer, contenue dans un four non représenté, et en 5 l'extrémité active de l'électrode en cours d'utilisation. Une telle électrode conduit à une usure quasiment droite comme en témoigne le profil de la surface 6 de cette extrémité où débouchent les évidements 3 par les orifices 7. On comprend immédiatement qu'une électrode consommable de ce type est de nature à répondre au mieux à une efficacité maximale. En effet, la configuration invariante des sections à tous niveaux assure une régularité quasi-parfaite quelque soit l'état d'usure de l'électrode. D'autre part, on bénéficie d'une grande souplesse quant au choix de cette configuration, ce qui autorise notamment, comme le montre la figure 2, la réalisation d'une distribution uniformément répartie des orifices en surface et ceci à tout moment de la durée de vie de l'électrode. En outre, la fabrication de l'électrode ne pose pas de difficultés particulières. On peut, par exemple, réaliser les cavités 3 par perforation, à partir d'une électrode pleine, les techniques de forage profond étant désormais bien maîtrisées. Plus avantageusement, on peut obtenir une électrode creuse de ce type sans enlèvement de matiere proprement dit, donc de façon plus économique. On sait, en effet, que les électrodes de graphite habituellement utilisées sont obtenues par injection sous pression, à l'aide d'une presse à extrusion, d'une pâte de carbone dans une filière de mise en forme ; l'ébauche obtenue subissant ensuite un traitement thermique en deux phases : une première phase de frittage à température modérée (900 C) pour assurer la consistance et la rigidité mécanique par vitrification du carbone, suivie d'une phase à plus haute température (environ 3000"C) dans laquelle le carbone amorphe se graphitise. Conformément à l'invention, un tel procédé peut, sans modifications majeures, être adapté à la fabrication des électrodes creuses à réseau d'évidements longitudinaux continus décrites précédemment. I1 suffit, à cette fin, d'incorporer à la pâte de carbone initiale, avant passage en filière, des éléments filiformes ductiles, par exemple des fils en fibres naturelles ou même métalliques, ou avantageusement des fils en matière plastique synthétique, tel que le "nylon". De façon générale, on a avantage à prévoir des éléments filiformes en matière thermodégradable qui disparaîtront au cours du traitement thermique ultérieur, sachant que de toute façon il y a peu de matière ductile susceptible de résister aux hautes températures mises en oeuvre pour le graphitage. Il doit être souligné, qu'en toute rigueur, l'électrode' creuse à évidements rectilignes continus, telle qu'illustrée sur les figures, ne se justifie véritablement que dans le cas, le plus fréquent certes, tout au moins au four à arc, où l'électrode est soumise à usure (électrode dite consommable). Dans le cas contraire (électrodes non consommables refroidies), l'invention peut fort bien consister en une électrode dont les cavités demeurent limitées à l'extrémité de travail seulement. Plus généralement, l'invention est reproduite dès lors que l'on retrouve dans l'électrode considérée, les caractéristiques techniques énoncées dans les revendications jointes. Tel serait par exemple le cas d'une électrode "à bulles", c' est-à- dire présentant une distribution interne aléatoire de cavités discrètes. Pour les raisons de régularité signalées précédemment, on aura néanmoins avantage à maîtriser une telle distribution de façon qu'en première approximation au moins, la répartition et la proportion des cavités, qui viennent déboucher à la surface active de l'électrode au cours de la consommation de celle-ci, soient constantes dans le temps. Ainsi l'invention peut presenter de multiples variantes ou équivalents de réalisation. En particulier, dans le cas de l'électrode à cavités rectilignes continues décrite en référence aux figures, le nombre et le calibre de ces cavités peut varier dans de grandes proportions, étant entendu que le critère premier pour l'obtention d'une amélioration maximale de la stabilité de l'arc est le respect d'une distribution uniforme de ces cavités dans tout le volume disponible. De même, pour une configuration donnée, les cavités peuvent.présen- ter des diamètres différents entre eux. En toute circonstance, l'homme de métier saura toutefois être assez vigilant pour que la densité des cavités n'atteigne pas des seuils trop élevés pouvant préjudicier à la tenue mécanique de l'électrode. L'invention s'applique, de façon générale, à tout récipient métallurgique équipé d'une ou plusieurs électrodes servant à apporter à la charge métallique contenue dans le récipient l'énergie nécessaire à son élaboration sous la forme d'un arc électrique qui s'établit entre cette charge et l'électrode. En particulier, mais non exclusivement, l'invention s'applique aux fours électriques à arc alimentés aussi bien en courant alternatif que continu. REVENDICATIONS 1 ) Electrode pour four à arc, ou autres récipients métallurgiques analogues, caractérisée en ce qu'elle comporte des cavités intérieures (3) qui viennent déboucher à l'extrémité active (5) de l'électrode destinée à être placée en regard de la charge métallique (4) à élaborer dans le four et dont les orifices (7) sont répartis sur toute la surface (6) disponible de ladite extrémité. 2 ) Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cavités sont des évidements longitudinaux continus agencés en un réseau parallèle à l'axe (2) de l'électrode et réparti dans toute la section de celle-ci. 30) Electrode selon les revendications I ou 2, caractérisée en ce que la répartition des orifices des cavités sur la surface de l'extrémité active de l'électrode est uniforme. 40) Procédé de fabrication de l'électrode selon la revendication 2, dans lequel on prépare une pâte de carbone que l'on met en forme par passage dans une filière et que l'on soumet ensuite un traitement thermique de vitrification puis de graphitisation, procédé caractérisé en ce que l'on incorpore initialement à la pâte de carbone des éléments filiformes ductiles en matière thermodegradable disparaissant au cours du traitement thermique ultérieur. 50) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments incorporés à la pâte de carbone initiale sont des fils de matière synthétique, tel que du "nylon".