Brevet FR2566984A1 — publié le 19860103

DISPOSITIF DE CONNEXION ELBCTRIQUE DBSTINE A ETRE PLACE UN PAROI D'UN RECIPIENT MerTALLURGIQUE AU CONTACT D'UN ETAL UN FUSION La présente invention concerne un dispositif de con- nexion électrique destiné à être mis en contact avec une masse métallique en fusion, par exemple un bain d'acier. Les dispositifs du genre considéré sont noyés dans le revêtement réfractaire d'un récipient métallurgique, généra- lement dans le fond, en vue de procéder au traitement du métal qui y est contenu, par apport d'énergie électrique. Ces disposi- tifs constituent ainsi des électrodes, reliées à une extrémité à une borne d'une alimentation électrique sous tension et en contact par l'autre extrémité avec le bain métallique, assurant de ce fait le passage du courant électrique dans le bain. Parmi les récipients métallurgiques susceptibles d'être équipés de telles électrodes, on peut citer, de façon non res- trictive, les cuves à électrolyse dans la métallurgie des métaux - non ferreux, tels que l'aluminium, ou en sidérurgie, les poches de traitement, de maintien en température, ou les fours de fusion électrique, notamment les fours à arcs à courant continu pour lesquels des intensités électriques de l'ordre de 30000 ampères et au-delà, doivent pouvoir être acceptées sans dommage pour l'électrode. L'un des problèmes essentiels qui se pose alors est celui de la tenue dans le temps de l'électrode dont la partie terminale en contact direct avec la masse métallique en fusibn, est soumise, en plus de l'effet joule évoqué ci-avant, à des contraintes thermiques très sévères dues à des températures très élevées, lesquelles, notamment dans le cas de la fusion de l'acier, peuvent atteindre 1800 0C, et même plus. Diverses solutions visant à assurer un bon refroidisse- ment de l'électrode sont actuellement connues. Une première "famille" propose d'amener le fluide refroi- dissant au voisinage immédiat de l'extrémité chaude de l'élec- trode. Mais une fusion même réduite de l'électrode risque dans ce cas de détruire le système de refroidissement et par suite d'entraîner un contact dangereux du fluide avec le métal liquide. Une autre "famille" de solutions, à laquelle appartient l'invention, propose un système de refroidissement externe de l'électrode, placé à l'extérieur du récipient métallurgique - Brevets français n 1538 996 et n 2292 367 -. Tout en étant plus "sécurisantes", ces dernières solutions ne sont pas actuel- lement satisfaisantes. En effet, l'éloignement entre l'extré- mité chaude de l'électrode et son extrémité refroidie qui dé- passe à l'extérieur du fond du récipient peut être à l'origine de la disparition ultérieure, par fusion, d'une partie trop importante de l'électrode, compromettant dangereusement en cet endroit l'étanchéité du récipient à l'égard de la masse en fusion qu'il contient. La présente invention a pour but de permettre le passa- ge du courant électrique à haute intensité en remédiant aux inconvénients des solutions connues citées ci-dessus. Plus précisément, l'invention préconise un dispositif capable de s'opposer efficacement aux dangers de percée due à une fusion excessive de l'électrode. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de connexion électrique destiné à être noyé dans la paroi d'un récipient métallurgique, notamment dans le fond, et mis en contact avec une masse métallique en fusion par l'une de ses extrémités, l'autre extrémité qui dépasse à l'extérieur de la paroi du récipient étant, d'une part reliée à une borne d'alimentation électrique sous tension, et d'autre part refroi- die par un fluide en circulation, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend: - un corps métallique de forme allongée, en matière électroconductrice, notamment métallique, destiné à être implan- té au travers de la paroi du récipient de manière que l'une de ses extrémités soit mise au contact du métal en fusion et que l'autre extrémité constitue une partie terminale proéminente à l'extérieur du récipient; - un manchon, en matériau bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, monté autour et au contact de ladite partie terminale proéminente, ce manchon étant connecté à une borne d'une alimentation électrique sous tension; - - et des moyens de refroidissement du manchon par circu- lation d'un fluide de refroidissement. Conformément à un mode de réalisation, le corps implan- té au travers de la paroi du récipient est une barre métallique, par exemple une billette d'acier. Par commodité, on considèrera dans la suite de l'exposé que le corps utilisé est une barre en acier. Selon un mode de réalisation préférée, le manchon se prolonge au-delà de l'extrémité de la partie terminale de la barre et l'espace ainsi ménagé à l'intérieur du manchon sert de logement à un tampon en matière réfractaire appliqué contre l'extrémité de la barre. Comme on l'aura sans doute compris, le principe de base de l'invention, qui est double, est mis en application grâce au manchon qui assure, d'une part, un refroidissement latéral indirect de la partie terminale proéminente de la barre, et, d'autre part, une connexion électrique latérale de cette même partie. Le refroidissement latéral indirect s'opère par inter- position, entre la partie terminale proéminente de la barre et le fluide refroidissant, d'un manchon en contact étroit avec la barre. De cette façon, le manchon joue un rôle de séparateur "barre-fluide" de refroidissement qui assure de ce fait une sécurité d'usage. De plus, le manchon joue un rôle de diffuseur thermique très efficace, puisqu'étant monté autour de l'extré- mité de la barre, il contribue à augmenter la surface d'échange thermique avec le fluide refroidissant sans nuire à la qualité de cet échange. Par ailleurs, comme il a été dit précédemment, la conne- xion électrique de la barre s'opère latéralement par l'intermé- diaire du manchon, ce qui procure favorablement une surface de contact électrique maximale avec la barre sur tout le pour- tour de sa partie terminale. Pour assurer cette double fonction électrique et ther- mique, le manchon est choisi en une matière bonne conductrice à la fois de la chaleur et de l'électricité, par exemple en cuivre ou en alliage de cuivre. Cette conjugaison des fonctions thermique et électrique du manchon est avantageuse à plus d'un titre. Tout d'abord, la structure d'ensemble du dispositif de connexion électrique tel que préconisé par l'invention est simple et nécessite peu de pièces. En outre, la réalisation ainsi que le montage de ces pièces ne présentent aucune difficulté. De plus, en raison du refroidissement latéral procuré par le manchon, la fusion de la partie non refroidie de la barre se prolonge à coeur dans la portion refroidie, ce qui conduit à la formation d'un interface liquide solide stabilisé (ou front de fusion), de forme conique, à l'instar du puits de solidification bien connu dans le domaine de la coulée con- tinue des métaux. De la sorte, les éléments lourds, tels que le plomb, qui sont inévitablement présents dans les charges à fondre, viennent s'accumuler par gravité au fond du puits et ainsi ne détériorent nullement les conditions de passage du courant électrique qui s'opère latéralement. Enfin, dans le cas o le cône de fusion viendrait à s'étendre jusqu'à l'extrémité de la billette, une variante de réalisation citée ci-dessus prévoit l'utilisation d'un tampon réfractaire, que l'on dispose au contact de cette extrémité comme sécurité à l'égard des risques de percées axiales. En ce qui concerne les moyens de refroidissement de l'électrode, différentes variantes de réalisation conformes à l'invention sont envisageables. Conformément à un mode de réalisation, le manchon est entouré à faible distance par une chemise de manière à ménager entre eux un espace annulaire pour la circulation du fluide réfrigérant. En outre, la chemise comprend des moyens d'entrée et de sortie servant à alimenter cet espace annulaire en fluide réfrigérant. On rappelle que cette technique de refroidissement est typiquement celle que l'on retrouve habituellement dans les lingotières de coulée continue des billettes ou des petits blooms. Conformément à un autre mode de réalisation, la circu- lation du fluide réfrigérant est réalisée dans au moins une cannelure hélicoïdale ménagée sur la surface latérale exté- rieure du manchon. Une chemise, disposée autour du manchon - assure la fermeture étanche de la cannelure. En outre, la che- mise est équipée de moyens d'entrée et de sortie du fluide réfrigérant qui sont, d'une part reliés à une alimentation en fluide réfrigérant, et qui d'autre part communiquent avec les extrémités de la cannelure. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront au vu de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple, - en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une coupe schématique verti- cale d'un fond de four à arc à courant continu équipé d'un dispositif de connexion électrique selon l'invention, - la figure 2 représente une coupe horizontale, selon le plan AA de la figure 1. Sur la figure 1 on voit le fond 1 du four électrique à arc à courant continu qui est principalement formé d'une carapace métallique 2 revêtue intérieurement de briques 3 en matériau réfractaire, les interstices laissées entre les briques étant comblées avec un coulis magnésien 4. En outre, un passage laissé libre est prévu au centre du fond 1 du four afin d'y implanter une billette 5 en acier qui constitue dans cet exemple -25 l'électrode de sole. L'espace laissé entre la partie supérieure de la billette 5 et les briques 3 est complété classiquement avec de la magnésie damée 6. L'extrémité supérieure de la billette 5 est donc en contact avec le métal en fusion 7 qui est ici de l'acier. De préférence, une cuvette est ménagée au centre du fond 1 du four, afin de favoriser la formation d'un pied de bain juste au-dessus de l'extrémité supérieure de la billette 5. A l'opposé, la billette 5 traverse la carapace 2 du four de manière à ce que sa partie terminale 8 dépasse à l'ex- térieur du four. Un manchon 9 est monté sur la partie 8 de la billette. Conformément au mode de réalisation exemplifié sur la figure 1, l'assemblage du manchon 9 autour de la partie 8 terminale de la billette, est du type "tenon-mortaise" longitudinal qui présente l'avantage de permettre un jeu de dilatation différen- tiel entre la billette 5 et le manchon 9. Comme on peut le voir sur la figure 2, il s'agit d'un assemblage du type "tenon mortaise" avec clavette rapportée, constitué par deux rainures longitudinales 32 et 33, ménagées respectivement sur la surface latérale extérieure de la billette 5 et sur la surface latérale interne du manchon 9, et par une clavette 34 enfoncée à force dans l'espace ménagé par les deux rainures 32 et 33. Par ail- leurs, le manchon 9 est choisi en cuivre pour ses bonnes qua- lités de conducteur électrique et thermique. De plus, le man- chon 9 comporte sur sa surface latérale extérieure huit canne- lures 10, hélicoïdales disposées côte à côte, chacune effectuant globalement un tour du manchon. Une chemise 11, qui est choisie en métal dans cet exem- ple, est disposée de façon étanche autour du manchon 9 afin d'assurer la fermeture des cannelures 10. Des moyens d'entrée et de sortie du fluide réfrigérant, (lequel peut être avanta- geusement de l'eau déminéralisée), sont prévus sur la chemise métallique 11 afin d'alimenter les cannelures 10. Dans l'exemple présenté sur la figure 1, ces moyens sont constitués, à la partie inférieure de la chemise 11 par une conduite d'entrée 12 de l'eau accédant à une chambre annulaire 13, et à la partie supérieure de la chemise 11 par une conduite de sortie 14 de l'eau issue d'une chambre annulaire 15. Les cannelures 10 débou- chent par leurs extrémités dans l'une et l'autre de ces chambres et définissent ainsi des circuits de refroidissement en "paral- lèle". Ainsi, leur extrémité inférieure débouche directement dans la chambre 13 et leur extrémité supérieure communique avec la chambre de sortie 15 par l'intermédiaire, tout d'abord d'une gorge annulaire 31 et ensuite par l'intermédiaire des passages horizontaux 16 arqués dans le sens du mouvement rotatif de l'eau dans les cannelures 10. D566984 La gorge annulaire 31 est ménagée dans la partie supé- rieure du manchon 9. L'extrémité de sortie des cannelures 10 débouche dans le fond de cette gorge, laquelle, par ailleurs, communique avec la chambre de sortie annulaire concentrique 15 par l'intermédiaire des passages horizontaux 16 ménagés sur la surface frontale d'une surépaisseur 29 de la chemise 11 à sa partie supérieure. La fermeture des passages 16 est obtenue par la venue de la chemise contre une plaque de fond 26 (décrite par la suite) et un cordon de soudure 30 assure la solidarisa- tion de ces deux pièces. En outre, comme on peut le voir sur la figure 2, la billette en acier 5, ou du moins sa partie terminale 8, ainsi que le manchon 9 et la chemise 11 sont de section circulaire. L'étanchéité hydraulique est assurée par des joints toriques 17 et 18 disposés respectivement aux extrémités supé- rieure et inférieure du manchon 9 pour tenir compte des phéno- mènes de dilatation différentielle déjà évoquée. Dans un souci de sécurité, des moyens ont également été prévus pour s'opposer aux fuites accidentelles d'acier liquide, en particulier dans le cas o la circulation d'eau dans les cannelures est anormalement faible. Ces moyens sont constitués par un tampon 19 en matériau réfractaire disposé contre.l'extrémité inférieure de la bil- lette 5 dans un logement ménagé par la partie basse du manchon 9 qui, à cet effet, est prolongé au-delà de la partie terminale 8 de la billette 5 sur une distance de 10 à 20 cm environ. On achève le montage en disposant successivement contre la face inférieure du tampon, une pastille 20 en amiante qui assure l'isolation thermique et ensuite contre cette pastille, une plaque de fermeture 21 en acier. On observera, sans que cela soit une caractéristique nécessaire de l'invention, que le tampon 19 se situe en dessous de la zone de refroidissement énergique généré par la circulation d'eau dans les cannelu- 34 res 10. En ce qui concerne l'alimentation électrique du dispo- sitif représenté sur la figure 1, elle comprend une couronne 22 en cuivre, fixée au moyen des vis 35 et 36, respectivement contre l'extrémité inférieure du manchon 9 et contre l'extrémité inférieure de la chemise 11. La couronne 22 est baguée par une douille en cuivre 23 présentant une ou plusieurs ailettes verticales également -en cuivre, qu'on dénomme généralement "drapeau". A chaque drapeau 23, est fixée une plaque 24, éga- lement en cuivre, laquelle est directement reliée par un câble 25 en cuivre à une borne de l'alimentation électrique (non représentée sur les figures). En raison des intensités électri- ques élevées véhiculées par les câbles 25, ces derniers sont de préférence creux pour y permettre une circulation d'un fluide réfrigérant, par exemple de l'eau. Le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens d'assemblage de l'ensemble formé par le manchon 9 et la chemise 11, sous la carapace 2 du four et autour de la bil- lette 5. Dans l'exemple décrit, ces moyens sont constitués tout d'abord par une plaque de fond 26, solidaire, comme déjà vu; de la partie supérieure de la chemise 11, grâce au cordon de soudure 30 et qui, de ce fait, fait fonction de bride d'assem- blage de la chemise à la plaque de fond 26 avec interposition d'une rondelle 27 isolante de l'électricité. Des passages sont bien entendu prévus dans la plaque de fond 26 et dans la ron- delle 27 pour l'introduction de boulons d'assemblage. Afin de conserver l'isolation électrique du four, on introduit dans chaque passage aménagé pour un boulon, un canon 28 isolant électrique. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus. Il en est ainsi par exemple de la forme des cannelures ménagées sur la surface latérale externe du manchon 9. Conformément à une première variante, on prévoit des cannelures longitudinales réparties sur toute la périphérie du manchon 9. Conformément à une autre variante, les cannelures longi- tudinales peuvent être remplacées par des canaux ménagés, par exemple par perçage, à l'intérieur du manchon. Bien entendu, dans ce cas, la présence de la chemise n'est pas nécessaire. Conformément à une autre variante, on peut prévoir une cannelure unique hélicoidale sur le manchon 9. De plus, le montage du manchon 9 autour de la partie terminale 8 de la billette peut également être assuré par d'au- tres moyens que les "tenons-mortaise", par exemple par brasage ou par vissage. On préférera toutefois des moyens d'assemblage qui permettent un déplacement relatif longitudinal des pièces afin de ne pas contrarier les phénomènes de dilatation diffé- rentielle. Par ailleurs, il n'est pas impératif que le contact entre le manchon 9 et la billette 5 soit assuré sur toute la périphérie de la billette lors du montage. En effet, il sera assuré automatiquement par la dilatation radiale de la billette chaude dans le manchon froid. En ce qui concerne la connexion électrique du manchon, il existe différentes possibilités de celle décrite précédem- ment, notamment une bague en cuivre, serrée autour du manchon, et qui serait reliée à l'alimentation électrique. Enfin, si l'invention trouve une application préféren- tielle en tant qu'électrode de sole pour un four à arc à courant continu, elle est également destinée à d'autres utilisations, dès lors qu'il est recherché une mise en contact entre une masse en fusion et une électrode, ou de façon plus générale, entre une masse en fusion et une barre métallique devant assurer le passage du courant électrique. Il demeure que l'application aux fours à arc de fusion d'acier, ou à d'autres fours similaires, présente des avantages métallurgiques appréciables. En particulier, on obtient en fin de fusion, après arrêt du passage du courant électrique, 34 un brassage pneumatique naturel du bain très favorable, comme on le sait, aux échanges métal-laitier, à l'homogénéisation thermique du bain, etc... Ce phénomène de brassage, provoqué par un dégagement de CO en provenance de la billette qui libère de l'oxygène dissous en se resolidifiant sous l'effet refroidissant du man- chon dès que l'on coupe l'alimentation électrique, se manifeste par une intumescence vigoureuse, observable à la surface du bain à l'aplomb de la billette. On retrouve là, un aspect particulièrement attractif de l'invention, dans laquelle la billette joue le rôle d'une masse d'acier effervescent qui fond puis se resolidifie alter- nativement au rythme des cycles opératoires du four. 1 1 REVENDICATIONS 1) Dispositif de connexion électrique destiné à être placé en paroi d'un récipient métallurgique et mis au contact par l'une de ses extrémités, avec une masse métallique en fusion contenue dans le récipient, l'autre extrémité qui dépasse à l'extérieur de la paroi du récipient étant, d'une part reliée à une borne d'alimentation électrique, et d'autre part refroidie par un fluide en circulation, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend: - un corps métallique (5) de forme allongée, destiné à être implanté au travers de la paroi (2) du récipient de manière que l'une de ses extrémités soit mise au contact du métal en fusion (7) et que l'autre extrémité- constitue une partie terminale proéminente (8) à l'extérieur du récipient; - un manchon (9), en matériau bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, monté autour et au contact de la partie terminale proéminente (8) du corps (5), ledit man- chon étant connecté à une borne d'une alimentation électrique; - et des moyens de refroidissement du manchon (9) par circulation d'un fluide de refroidissement. 2) Dispositif de connexion électrique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la partie terminale (8) du corps (5) et le manchon (9) sont de section circulaire et que le montage du manchon (9) autour et au contact de la partie terminale (8) dudit corps (5) est assuré par un assemblage du type "tenon-mortaise" longitudinaux. 3) Dispositif de connexion électrique selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce que le manchon (9) est prolon- gé au-delà de l'extrémité de la partie terminale (8) du corps (5) et en ce que l'espace ainsi ménagé à l'intérieur du man- chon sert de logement à un tampon en matière réfractaire appli- qué contre l'extrémité du corps (5). 4) Dispositif de connexion électrique selon l'urn quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement du manchon sont constitués principa- lement par une chemise (11) entourant à distance le manchon de façon à ménager entre eux un espace annulaire pour le passage du fluide réfrigérant, ladite chemise étant 'pourvue de moyens d'entrée (12,13) et de sortie (14,15), connectés à une alimen- tation en fluide réfrigérant, et servant à alimenter ledit espace. 5) Dispositif de connexion électrique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement du manchon sont constitués par: - au moins une cannelure (10) ménagée sur la surface latérale externe du manchon (9), dans laquelle circule le fluide réfrigérant, - et une chemise (11) de fermeture de ladite cannelure, disposée autour du manchon, ladite chemise étant équipée de moyens d'entrée (12,13), et de sortie (14,15) qui sont reliés aux extrémités de la cannelure (10), et également connectés à une alimentation en fluide réfrigérant. - 6) Dispositif de connexion électrique selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que la surface latérale externe du manchon présente des cannelures (10) longitudinales, répar- ties selon toute la périphérie de ladite surface. 7) Dispositif de connexion électrique selon la revendi- cation 5, caractérisé en ce que la surface latérale externe du manchon est pourvue d'une cannelure (10) hélicoïdale. 8) Dispositif de connexion électrique selon la revendi- ' cation 5, caractérisé en ce que la surface latérale externe du manchon est pourvue de plusieurs cannelures (10) hélicoida- les et délimitant des circuits de refroidissement en parallèle. 9) Dispositif de connexion électrique selon l'une quel- conque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement dont est munie la chemise (11), sont respectivement disposés dans la partie inférieure et la partie supérieure de la chemise; en ce que les moyens de sortie, à la partie supérieure de la chemise, comprennent une gorge circulaire (31) entourant le manchon, dont la périphérie interne communique avec l'extrémité de sortie de la ou des cannelures (10) et dont la périphérie externe est reliée à une chambre de sortie annulaire concentri- que (15) par l'intermédiaire d'une pluralité de passages hori- zontaux (16) ménagés sur la surface frontale d'une surépaisseur (29) de la chemise (11) à sa partie supérieure. ) Dispositif de connexion électrique selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la chemise (11) -se termine à son extrémité supérieure par une collerette annulaire (26) pourvue de moyens (27,28) pour la fixation de la chemise sur la paroi du fond du récipient métal- lurgique, lesdits moyens étant également prévus pour assurer l'isolation électrique entre la carapace métallique (2) du récipient métallurgique et le manchon (9). 11) Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes à un four électrique de fusion de l'acier. 12) Application selon la revendication 11, caractérisée en ce que le four électrique est un four à arc à courant continu.