Brevet FR2512311A1 — publié le 19830304

ELECTRODE POUR L'ELABORATION DES METAUX DANS UN FOUR ELECTRIQUE A ARC OU RECIPIENT ANALOGUE. L'invention a trait à l'élaboration des métaux, notamment de l'acier, dans un four électrique à arc. Elle s'applique en fait à tout récipient métallurgique, four à arc ou autre, équipé d'une ou plusieurs électrodes servant à apporter à la charge métallique l'énergie nécessaire à son élaboration sous la forme d'un arc électrique qui s'établit entre cette charge et l'électrode. On sait que les électrodes de ce type sont des corps électroconducteurs, généralement massifs et en graphite, de forme cylindrique et que l'on dispose verticalement dans le four L'extrémité supérieure, qui dépasse du four, est connectée à une alimentation électrique, alors que l'autre extrémité (dite "active"), étant placee au voisinage de la charge métallique, devient, lorsque les conditions adéquates sont satisfaites, le siège d'un arc électrique qui s'établit dans le milieu gazeux séparant l'électrode de la charge à élaborer. La pratique montre cependant qu'il est difficile, "oire impossible de maîtriser parfaitement l'arc tant les conditions de fonctionnenlent du four sont changeantes voire aléatoires et il n'est pas exagéré de dire que les difficultés liées à l'instabilité de l'arc sont depuis longtemps un sujet de preoccupation des spécialistes du monde entier I1 est utile de rappeler à cet égard que les conséquences principales de l'instabilité de l'arc se font sentir à plusieurs niveaux : limitation de la puissance réelle utilisable ; accroissement du traail de la régulation qui souvent contribue à augmenter la consommation des électrodes, nuisance sonore à laquelle les responsables, soucieux des conditions de travail de leur personnel, ne restent pas insensibles. Différentes solutions ont déjà éte proposées pour améliorer la stabilité de l'arc. L'une d'entre elles consiste à superposer à l'alimentation électrique de puissance à fréquence industrielle (50 ou 60 Hz), une tension haute fréquence (50 kHz, par exemple) de maniée à former une étincelle quasipermanente, dite "étincelle pilote" qui maintient le milieu gazeux où jaillit l'arc dans un état ionisé pratiquement ininterrompu (BF 2.432.816). Une autre solution, plus ancienne, consiste à modifier la nature chimique du milieu gazeux localisé dans la région d'établissement de l'arc, c'est à dire approximativement dans le prolongement de l'électrode, en insufflant au travers de cette dernière, préalablement percée axialement à cet effet, un gaz plus facilement ionisable que l'atmosphère habituelle dans le four. Cependant, cette pratique n'est pas dénuée d'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 métallurgiques tenant à la qualité du métal élaboré restreignent le choix des gaz possibles à un eventail assez étroit (azote, gaz rares ...) qui n'est pas le plus heureux au plan économique et dont l'efficacité réelle demeure limitée. Un autre solution, relativement récente (BF 2.442.567) s'affranchit des inconvénients précités grâce à une électrode, également percée axialement, mais dont la cavité centrale est remplie, de fabrication, par des sels minéraux aisément ionisables. Une électrode composite de ce type, habituellement dénommée électrode à "mèche dopante", représente indéniablement un progrès notable en particulier par le fait que, au point de vue de l'utilisation, elle ne se distingue plus des électrodes massives traditionnelles. Pour être plus complet, il convient de préciser que, sur le plan economique cependant, une telle électrode suppose une plus-value sensible apportée notamment par la presence de matière dopante généralement assez onéreuse. Les inventeurs viennent de découvrir, non sans surprise, que, dans la mesure où certaines conditions, qui seront précisees par la suite, sont respectees, l'effet bénéfique des electrodes " mèches dopantes" sur la stabilité de l'arc s'avère, en fait, lié pour partie seulement à la matière dopante et pour le reste aux cavités elles-memes qui contiennent cette matière. Pour fixer les idées, on peut dire que les contributions respectives sont à peu près de niveau égal, de sorte que l'influence propre des cavites, loin d'être négligeable, intervient au premier ordre, au même titre que la matière dopante elle-meme. On saisit immediatement l'intérêt pratique de cette découverte, puisqu'on doit pouvoir, à partir de là, améliorer sensiblement la stabilité de l'arc par rapport à une électrode massive classique et ceci de façon plus économique qu'avec une électrode composite à "mèche dopante". Autrement dit, une telle dëcouverte révèle qu'en fait, il existe entre les deux extrêmes connus, à savoir l'électrode massive et l'électrode composite, une grande variété de possibilites selon l'importance relative que I'on accorde à la stabilite de l'arc ou, au contraire, au critère économique. L'invention, issue de cette découverte, a ainsi pour objet une elec- trode pour l'élaboration des métaux dans un four à arc ou récipients métallurgiques analogues, caractérisée en ce qu'elle est constituée essentiellement par un faisceau de barres parallèles, en matière electroconductri ce, notamment en graphite, réunies en contact mutuel et définissant entre elles des espaces longitudinaux repartis, de préférence le plus uniformement possible, dans toute la section de l'électrode. Selon une réalisation, la cohésion du faisceau est assuree par une enveloppe maintenant les barres serrées entre elles. Selon une variante, la section des barres est polygonale, par exemple triangulaire, carrée ou hexagonale, auquel cas les espaces longitudinaux peuvent être initialement occupés par une matière quelconque, mais facilement thermodégradable. Cette matière peut avantageusement être conditionnée elle-même sous forme de barres identiques-aux barres principales électroconductrices, moyennant quoi l'électrode selon l'invention se présente en un faisceau compact de barres parallèles composites, les barres facilement thermodégradables étant disposées de telle façon que leur disparition ultérieure donne naissance à un réseau d'espaces longitudinaux repartis, et de préférence, répartis le plus uniformément possible, dans la section de l'électrode. Ainsi qu'on l'aura dejà compris, les conditions préalablement évoquees comme nécessaires à l'obtention d'un effet de stabilisation de l'arc propre aux espaces, ou évidements, ménagés dans l'électrode, (de fabrication ou apparaissant en cours d'usage selon la variante retenue), consistent en ce que ces derniers, ou tout au moins leurs orifices sur l'extrémité active de l'électrode, doivent deboucher à la surface de cette extrémité en formant un réseau d'orifices repartis sur ladite surface,-et de préférence répartis le plus uniformément possible. Des essais ont montré en effet que - des électrodes à évidements localises dans la région centrale seulement ne procuraient pas d'amélioration sensible de la stabilité de l'arc, et ceci quelque soit le nombre des évidements et/ou que ces evidements soient ou non remplis de matière dopante. - mais, la conjugaison d'évidements groupés au centre avec une couronne d'évidements annulaires à la périphérie de la surface active de l'électrode, permettait d'obtenir une amélioration nette de la stabilité de l'arc, - enfin, une amélioration plus sensible encore a eté obtenue grâce à une répartition des évidements selon une distribution uniforme dans toute la section droite de l'électrode. Le paramètre choisi pour apprécier la stabilité de l'arc repose sur la mesure des fluctuations de la puissance électrique instantanée des trois arcs (four équipe de trois électrodes). L'indicateur retenu à cet égard a été le rapport entre la valeur efficace de la puissance instantanée totale dans une bande de fréquence allant de 1 Hz à 1 kHz et la valeur efficace de la puissance instantanée totale allant du continu (fréquence nulle) à 10 kHz. Cet indice, qui traduit les fluctuations de puissance caractérisant l'instabilité de l'arc, passe d'une valeur de 0,20 environ pour une électrode pleine classique à 0,14-0,15 environ pour une électrode à évidements uniformément répartis. A noter, à titre-indicatif, que la valeur de l'indice atteint pratiquement 0,10 lorsque ces évidements sont occupés par de la matière dopante. A l'heure actuelle, plusieurs hypothèses explicatives des phénomènes observés peuvent etre emises, 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 dit "ae 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. Il est possible, et même probable, qu'en réalité, les deux causes qui viennent d'être énoncées jouent conjointement. On va maintement décrire quelques réalisations de l'électrode selon l'invention, de façon non limitative et en se référant a la planche de dessins annexée sur laquelle - la figure 1 est une vue en perspective partiellement arrachée. - les figures 2 et 3 sont des vues en section partielle de deux variantes de réalisation avec barres polygonales. Comme on le voit clairement sur la figure 1, l'électrode est essen tellement constituée par un faisceau de barres parallèles en graphite 1, réunies en contact mutuel de maniée à définir entre elles des espaces longitudinaux 2 répartis dans toutes la section de ]'électrode et qui viennent déboucher sur la surface active 3 de celle-ci. Uans l'exemple décrit, une enveloppe en graphite 4 assure la cohésion du faisceau. bien entendu d'autres dispositions peuvent être prévues pour remplir cette fonction, par exemple un frettage par plusieurs bagues se succedant le long de l'électrode. Une autre façon a'assurer cette cohésion consiste à remplir, lors de la fabrication de l'électrode, les évidements 2 par une matière liante qui soit facilement thermodëgradable de maniere à disparaitre lorsque l'electrode est en cours d'utilisation dans le four. De préférence, on optera pour une matière liante capable de disparaître progressivement au fur et à mesure de l'usure de l'électrode, ce qui assurera une cohésion régulière et permanente de celle-ci. Il est clair cependant qu'une solution de ce type doit surtout etre reservée a une électrode dont la structure du faisceau est telle que chaque barre constitutive présente au moins une portion de surface libre definissant la paroi d'un évidement. Cette condition, comme on le comprend, est satisfaite implicitement dans le cas de barres rondes 1, représentées sur la figure 1. Par ailleurs, il doit être noté qu'il n'est pas indispensable, pour réaliser l'invention, d'assurer une cohésion totale et parfaite du faisceau de barres. On peut, en effet, admettre de laisser libre l'extrémité active 3 de l'electroue et même de la laisser libre sur toute sa longueur, en se contentant de la maintenir fixee à son extrémité supérieure Sur les figures 2 et 3 suivantes, les barres rondes précédentes ont Gté remplacées par des barres à section respectivement triangulaire 5 et hexagonale b. Bien entendu, il ne s'agit la que d'exemples non limitatifs illustrant la grande variété de profils de barres possibles qui va en fait depuis un profil aplati, quasiment linéaire, jusqu'à un profil rond (figure 1) que l'on considèrera comme la limite supérieure du nombre de côtés d'un profil polygonal (et ceci en passant par tous les profils intermédiaires, triangulaire, carré, pentagonal, ..., octogonal, etc...). Toutefois, les barres de section triangulaire, carrée, rectangulaire ou hexagonale présentent un interet tout particulier, car elles permettent de réaliser un assemblage compact. Des lors, il est possible d'obtenir une électrode de structure évidée, conformément à l'invention, dans laquelle les éviaements sont de même forme et de même dimension que les barres constitutives. Pour y parvenir, une solution simple consiste à réaliser un faisceau composite fonné de barres en graphite et de barres factices, dispersées parmi les barres en graphite et constituées de préférence en matériau facilement thermoaégradable qui disparaitra rapidement, soit au cours 'éventuels traitements thermiques ultérieurs, soit lors de la mise en oeuvre de l'électrode dans le four d'elaboration. Le résultat obtenu est clairement montré sur les figures 2 et 3 où l'on voit que les évidements respectivement triangulaires 7 et hexagonaux d sont les repliques exactes des barres 5 et 6 qui les dëfinissent. Cette particularité permet notamment, par le choix de barres d'un certain gabarit, d'obtenir des évidements ayant la taille que l'on veut. En outre, rien n'empêche, bien au contraire, de choisir des barres factices faites en un materiau thermodégradable qui soit egalement dopant, c'est à dire facilement ionisable, comme des sels ou hydroxydes de métaux alcalins ou alcalino-terreux par exemple, et notamment les sels ou hydroxydes de potassium. Sien entendu, ce procédé de fabrication peut également être appliqué pour les barres de section autre que celles precitées. Cependant, l'assem- blage ne pouvant alors être compact, on comprend que leur réunion laissera apparaître des évidements de forme, de taille, et de distribution aléatoires difficilement maîtrisables. Cette observation ne concerne pas, à l'évidence, le cas des barres rondes. En plus des résultats qu'elle permet d'obtenir quant à la stabilité de l'arc, l'invention présente des avantages secondaires fort appréciables. En particulier, un avantage pratique réside dans le fait, qu'a partir de barres en graphite de dimensions et de format standard, il est possible, par une opération 'assemblage relativement simple, à la portëe de l'utilisateur, de fabriquer soi-même ses propres électrodes en leur donnant la structure, la forme et la taille appropriees à ses besoins particuliers. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend a de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où sont respectées les caractéristiques enoncées dans les revendications jointes. Ainsi, il n'est pas impératif que les barres en graphite (plus généralement en matériau électroconducteur) soient pleines. En effet, ces barres peuvent elles-mêmes être tubulaires, des évidements internes ainsi ménagés pouvant etre laisses libres ou remplis de matiere, notamment de matière dopante. REVEIiDICATIOIiS 1") Electrode pour l'élaboration des metaux dans un four à arc ou autre récipient métallurgique analogue, caractérisée en ce qu'elle est constituée par un faisceau de barres électroconductrices(1) parallèles, assemblëes en contact mutuel et définissant entre elles des espaces longitudinaux (2) répartis dans toute la section de l'électrode et debouchant sur la surface active (3) de celle-ci. 2") Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits espaces longitudinaux sont laissés vides. 3 ) Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits espaces longitudinaux sont remplis de matière facilement ionisable. 4 ) Electrode selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les barres électroconductrices sont de section ronde. ") Electrode selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les barres électroconductrices sont de section polygonale. 6 ) Electrode selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle est constituee par un faisceau composite formé de barres electroconductrices et de barre factices, en matériau facilement thermodégradable, dispersees parmi les barres électroconductrices. 7 ) Electrode selon la revendication 6, caractérisé en ce que les barres présentent une section droite de forme comprise dans le groupe constitué par les formes triangulaire, rectangulaire, carrée ou hexagonale. 8 ) Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les barres electroconductrices sont tubulaires. 9 ) Electrode selon la revendication 8, caractérisée en ce que les barres sont remplies intérieurement par de la matiere facilement ionisable. 10 ) Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caracterisëe en ce que les barres électroconductrices sont en graphite.