Brevet FR2571202A1 — publié le 19860404

La présente invention est relative à un dispositif de connexion électrique à haute intensité dont la fonction est d'assurer le passage du courant électrique d'une masse conductrice en fusion contenue dans un récipient à un câble de liaison au réseau d'alimentation ou de retour à la masse ou au neutre. Elle vise en particulier une électrode de sole pour four ou poche à arc contenant un bain d'acier en fu- sion. Les dispositifs de ce type et en particu- lier les électrodes de sole pour four à arc sont pla- cées dans l'épaisseur du revêtement réfractaire re- couvrant le blindage et assurent le passage du courant électrique entre le bain de métal en fusion contenu dans le four et une borne du câble d'alimentation électrique, extérieure au blindage. Compte tenu des températures atteintes dans le four et de la chaleur générée par effet joule dans l'électrode elle-même, il est nécessaire d'assurer un refroidissement énergique de l'électrode afin d'en éviter la fusion et les con- séquences extrêmement préjudiciables qui en résulte- raient, telle que percée et destruction de l'électro- de. Des solutions ont déjà été proposées pour refroidir l'électrode et consistent d'une façon géné- rale à placer autour de l'âme centrale constituant l'élément conducteur de l'électricité, une chemise refroidie par une circulation de fluide de refroidis- sement, cette chemise étant d'une part, en contact intime avec l'âme centrale et, d'autre part, reliée électriquement à la borne d'alimentation électrique extérieure a-u four pour assurer également la fonc- tion de conduction de l'électricité. Or, l'électrode en cours de fonctionne- 2 5 7 12 02 ment normal du four avec ses cycles de chargement, fusion, affinage, coulée, est soumise à de nombreux cycles thermiques qui induisent des dilatations al- ternées de l'âme et donc un contact instable avec la chemise, compte tenu des dilatations différentielles. Par ailleurs, étant donné que le contact chemise-ame de l'électrode assure le passage du cou- rant électrique, il se produit dans cette zone une élévation de température qui va à l'encontre de la fonction de refroidissement de la chemise. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en fournissant une structure d'électro- de convenablement refroidie et assurant une connexion électrique fiable et de très faible résistance, tout en tolérant le jeu des dilatations alternées. La présente invention a ainsi pour objet une structure d'électrode pour bain de métal en fusion, noyée dans un revêtement réfractaire recouvrant la paroi du récipient contenant le bain métallique, af- fleurant à l'une de ses extrémités la surface interne du revêtement réfractaire et faisant saillie à son au- tre extrémité- hors du récipient, du type comprenant une ame centrale conductrice de l'électricité traver- sant la paroi du récipient et une chemise de refroi- dissement disposée autour de l'âme centrale et en contact avec elle, caractérisée en ce que l'âme cen- trale est directement reliée par son extrémité exté- rieure au récipient à une borne d'alimentation élec- trique, la zone de l'âme centrale adjacente à l'ex- trémité extérieure et en regard de la chemise de refroidissement, étant électriquement isolée de cette dernière. Selon d'autres caractéristiques de la pré- sente invention: 2 5 7 1202 - la chemise de refroidissement est rendue solidaire de la paroi du récipient à l'aide d'une bride de fixation et fait saillie dans le revêtement réfractaire pour assurer le refroidissement de la zone de passage de l'électrode à travers la paroi du réci- pient. - l'extrémité de l'âme centrale extérieure au récipient est solidaire d'une bride de suspension reliée par des bras télescopiques à ressorts à la bride de fixation de la chemise. - la liaison électrique entre l'extrémité de l'âme centrale extérieure au récipient et le câble d'alimentation est assuré par un nipple refroidi inté- rieurement venu de matière avec la borne, vissé dans l'âme centrale et solidarisant la bride de suspension à l'âme centrale 3. - l'âme centrale est insérée dans un manchon isolant électrique interposé entre cette dernière et la chemise de refroidissement dans une partie adjacen- te à l'extrémité extérieure de l'âme. Un des avantages essentiels de la présente invention réside dans l'absence d'interaction entre les fonctions de conduction électrique et de refroi- dissement de l'électrode. En effet, la dissipation de chaleur par ef- fet joule au niveau de l'extrémité de l'âme centrale conductrice est limitée grâce à un excellent contact. reproductible et fiable, obtenu à l'aide du nipple. De plus, étant donné que ce nipple est solidaire de l'âme centrale il suit cette dernière lors des dilatations alternées et il n'y a donc aucun risque d'échauffement local et d'éclatement d'un arc. Le nipple est lui-même refroidi par une cir- culation interne et en fond de filet d'un fluide de 257120Z refroidissement entre le nipple et -l'âme de l'électro- de. Il concourt efficacement à la dissipation de la chaleur engendrée par effet joule. Ce dispositif éli- mine la superposition à la chaleur évacuée par les parois de la chemise de refroidissement située à un niveau supérieur, de celle engendrée par effet joule. L'âme centrale de l'électrode se dilate et se contracte librement grâce à la suspension élasti- que, indépendante de la chemise de refroidissement fi- xe, dans laquelle l'âme peut glisser si les efforts de dilatation sont excessifs. La combinaison de deux res- sorts opposés dans la suspension ramène l'âme centrale à sa position normale à pleine puissance. La paroi intérieure de la chemise de refroi- dissement du type à double paroi peut par ailleurs se dilater librement en raison de sa structure détaillée ci-après. Ces avantages conduisent à une résistance accrue aux cycles thermiques alternés, c'est à dire à une bonne longévité compatible avec celle de la sole du four. Les pertes thermiques sont par ailleurs ré- duites, de même que les risques de percée en raison du - refroidissement adapté. L'invention est exposée ci-après plus 'en détail à l'aide du dessin annexé, qui en représente seulement un mode d'exécution. Sur ce dessin: la Fig. 1 est une vue en coupe axiale de l'électrode de sole selon la présente invention; - la Fig.2 est une vue à plus grande échel- le d'un détail de cette électrode. La structure d'électrode représentée sur les figures est noyée dans un revêtement réfractaire 1 re- couvrant la paroi ou le blindage 2 de la sole d'un four électrique à courant continu. Cette électrode possède une âme centrale 3 de forme cylindrique affleurant à l'une 4 de ses ex- trémités la surface interne du revêtement réfractai- re 1 en contact avec le bain d'acier en fusion 5. L'âme centrale réalisée en un matériau con- ducteur de l'électricité, par exemple une billette d'acier, traverse la paroi 2 du four et fait saillie à son autre extrémité 6 hors du four afin d'assurer la conduction électrique du courant entre le bain métal- lique 5 et une borne d'alimentation 7 reliée au réseau électrique par un câble 8 qui peut être refroidi inté- rieurement. Dans sa partie intérieure au revêtement ré- fractaire 1, l'âme centrale 3 est logée dans un chemi- sage réfractaire haute performance 9 qui est rendu solidaire du revêtement 1 par du béton ou pisé réfrac- taire 10. L'âme centrale traverse le blindage 2 du four dans une chemise de refroidissement, ou lingotiè- re 11, qui joue le rôle de porte électrode. Cette chemise de refroidissement est rendue solidaire de la paroi 2 par une bride de fixation 12 en trois secteurs circulaires pour faciliter montage et démontage, qui est fixée à la paroi 2 par des bou- lons 13. La bride de fixation 12 est électriquement isolée de la paroi 2 par un joint diélectrique 14 pour éviter des courants éventuels de fuite à la terre. La bride de fixation 12 prend appui sur la chemise de refroidissement 11 entre deux épaulements et 16 ménagés sur la surface externe de l'enveloppe 17 de cette dernière. A son autre extrémité 6, extérieure au four, l'âme centrale reçoit un nipple-18 venue de matière avec la borne 7 et qui est vissé dans un alésage à filetage conique 19 ayant le même axe vertical que l'âme centrale 3. Le fond de cet alésage comporte une cavité 20 dans laquelle sont logés un thermocouple 21 et un détecteur de niveau de liquide à ultra-son 22. Le nipple 18 est en cuivre et refroidi inté- rieurement par une circulation de fluide de refroidis- sement, qui est en pratique de l'eau ou de l'huile, pénétrant par un orifice 23 via un conduit 24 jusqu'à la cavité 20 et circulant en retour par deux voies distinctes, pour être évacué par un orifice 25. Une de ces voies, principale, emprunte un canal annulaire 26 ménagé autour du conduit 24, l'autre voie, complémen- taire étant constituée par la circulation du fluide de refroidissement en fond de filet 19 à partir de la cavité 20, vers le pied 27 du filet 19 o elle est reprise par des canaux 28 débouchant dans le canal 26. Le conduit 24 est également utilisé pour le passage des conducteurs de liaison, désignés par la seule référence 29, du thermocouple 21 et du détecteur à ultra-son 22. Le corps du nipple 18 est reçu dans une col- lerette 30 munie le long de sa face interne d'une rai- nure dans laquelle est logé un joint torique 31 assu- rant l'étanchéité au fluide de refroidissement circu- lant en fond de filet 19. Cette collerette est venue de matière avec une bride de suspension 32 et comporte sur sa face inférieure un ensemble de-pions 33 (par exemple 4 à 8 régulièrement répartis sur la circonférence) compor- tant des orifices de passage de vis non représentées qui sont vissées dans des alésages taraudés correspon- dants ménagés dans le corps du nipple 18 pour soli- dariser ce dernier et donc l'extrémité 6 de l'âme 3 à la bride de suspension 32. La bride de suspension 32 est reliée par des bras télescopiques 34 à la bride de fixation 12. Les bras 34 sont au nombre de 3 répartis à 120' et articu- lés à la bride de suspension 32 qui est également en 3 secteurs circulaires. Ces bras télescopiques 34 assu- rent une suspension de l'âme centrale qui permet de compenser le jeu dû aux dilatations alternées de l'âme centrale 3 en fonction du cycle thermique de fonction- nement du four. Ces bras 34 sont constitués par un em- pilage élastique de rondelles "belleville" 35 reliées à une tige 36 par un disque 36a et formant ressorts de rappel, les rondelles étant logées dans un corps cy- lindrique 37. Dans sa partie adjacente à l'extrémité 6, l'âme centrale 3 est insérée dans un manchon 38 élec- triquement isolant interposé entre l'âme 3 et la che- mise de refroidissement 11. Ce manchon 38 se prolonge dans la chemise de refroidissement 11 sur une longueur comprise approximativement entre le tiers et la moitié de cette dernière. Le manchon 38 est par exemple en "Téflon" ou "Viton". La chemise de refroidissement 11 ou lingo- tière, qui assure le refroidissement de l'âme centrale s'étend sur la quasi totalité de la partie de l'âme centrale extérieure au four et fait saillie à son ex- trémité supérieure dans le revêtement réfractaire 1 pour assurer le refroidissement de la zone de passage de l'électrode à travers le blindage. Cette chemise 11 est à double paroi pour assurer la circulation d'un fluide de refroidissement dans deux espaces annulaires définis ci-après. La che- mise 11 comporte une première paroi interne cylindri- que 39 rapportée par soudage le long de son bord supé- rieur en forme de U à l'envers, à l'enveloppe exté- rieure 17. La face interne de la paroi 39 est en con- tact avec l'âme 3 dans sa partie supérieure et avec le manchon 38 dans sa partie inférieure, le bord infé- rieur 40 de cette paroi étant libre. Une seconde paroi médiane 41 est disposée à l'intérieur du volume annulaire délimité par la pre- mière paroi 39 et l'enveloppe 17 et définit deux espa- ces annulaires 42 et 43 en communication l'un avec l'autre, respectivement entre la première paroi 39 et la seconde paroi 41 d'une part et d'autre part la seconde paroi 41 et l'enveloppe 17. La seconde paroi 41 se présente sous forme d'un cylindre dont les bords supérieur et inférieur sont en forme de créneaux pour assurer la communica- tion des espaces annulaires 42 et 43. nécessaire à l'établissement de la circulation du fluide de refroi- dissement. La partie inférieure de l'enveloppe 17 de la chemise de refroidissement forme une collerette 44 dont le diamètre interne est légèrement supérieur au diamètre externe de la première paroi. L'étanchéité au liquide de refroidissement est assurée par un joint torique 45 logé dans une rai- nure 46 ménagée sur la face interne de la collerette 44 en regard de la première paroi 39, et est complétée par un soufflet de compensation 47 solidaire à l'une de ses extrémités de la collerette 44 et à l'autre du bord inférieur 40 de la première paroi 39. Le soufflet est protégé par un capuchon 48 coiffant la collerette et percé d'un orifice dont le diamètre est égal au diamètre extérieur du manchon 38. L'enveloppe 17 de la chemise de refroidisse- ment 11 comporte en outre une bague interne 49 annu- laire, venue de matière, dont le diamètre interne est légèrement supérieur au diamètre externe de la seconde paroi 41, cette bague interne 49 délimitant la sépara- tion entre l'arrivée 50 et le retour 51 du fluide de refroidissement de la chemise à double enveloppe et l'étanchéité étant assurée par un joint torique 52 logé dans une rainure ménagée sur la face interne de la bague interne 49 en regard de la seconde paroi 41. Le fluide de refroidissement qui est en pra- tique de l'eau ou de l'huile pénètre donc dans la che- mise 11 par la zone 50 située à un niveau inférieur, puis- passe dans l'espace annulaire 42 par les créneaux ménagés le long du bord inférieur de la paroi 41 posée sur la face interne de la collerette, circule dans le sens ascentionnel le long de la face interne de la première paroi 39, passe à la partie supérieure de cette paroi 39 dans l'espace annulaire 43 par les cré- naux ménagés le long du bord supérieur de la paroi 39 et est évacué de la chemise par la zone 51. La circulation du fluide de refroidissement ainsi créée, assure un refroidissement efficace de la totalité de l'âme centrale 3 et en particulier le long de sa partie supérieure en contact avec la chemise 11 qui fait saillie dans le revêtement réfractaire 1 du four. Les courbes 53 en trait mixte illustrent l'évolution au cours des cycles thermiques alternés, de la zone de fusion de la billette en acier consti- tuant l'âme centrale 3 de l'électrode. En raison du refroidissement énergique obtenu grâce à la chemise 11 pénétrant dans le four, la zone liquéfiée ne peut at- teindre le manchon 31. Son niveau est mesuré par le capteur à ultrasons 22 placé dans la cavité 20 remplie de fluide de refroidissement. 2 5 7 1202 On observe une séparation nette des fonc- tions de refroidissement, définie précédemment, et de conduction électrique à partir du nipple 18, dans le manchon 38 isolant o ne se superpose pas la chaleur engendrée par effet joule, cette absence d'interaction entre les deux fonctions conduisant aux avantages évoqués plus haut, de la présente invention. De plus, la structure d'électrode décrite permet une mesure de température du fond de l'âme par le thermocouple 21 et également de la distance du fond de puits liquide 53 de l'âme au nipple refroidi, par le capteur ultrasonore 22. 1 1 REVENDICATIONS 1. Structure d'électrode pour bain de métal en fusion, noyée dans un revêtement réfractaire (1) recouvrant la paroi (2) d'un récipient contenant le bain métallique (5), affleurant à l'une (4) de ses extrémités (6) hors du récipient, du type comprenant une âme centrale (3) conductrice de l'électricité traversant la paroi (2) du récipient et une chemise de refroidissement (11) disposée autour de l'âme centra- le (3) et en contact étroit avec elle, caractérisée en ce que l'âme centrale (3) est reliée directement par son extrémité (6) extérieure au récipient à une borne (7) d'alimentation électrique, la zone de l'âme cen- trale (3) adjacente à l'extrémité (6) extérieure, et en regard de la chemise de refroidissement (11), étant électriquement isolée de cette dernière. 2. Structure d'électrode selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la chemise de refroi- dissement (11) est rendue solidaire de la paroi (2) du récipient à l'aide d'une bride de fixation (12) et fait saillie dans le revêtement réfractaire. 3. Structure d'électrode selon-l'une des re- vendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'extrémi- té (6) de l'âme centrale extérieure au récipient, est solidaire d'une bride de suspension (32) reliée par des bras télescopiques (34) à la bride de fixation (12) de la chemise. 4. Structure d'électrode selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la liaison électrique entre l'extrémité (6) de l'âme centrale extérieure au récipient et la borne (7) d'alimentation est assurée par un. nipple (18) refroidi intérieurement, venu de matière avec la borne, vissé dans l'âme centrale et solidarisant la bride de sus- 2571-202 pension (32) à l'âme centrale (3). 5. Structure d'électrode selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'âme centrale (3) est insérée dans un manchon (38) isolant électrique interposé entre cette dernière (3) et la chemise de refroidissement (11), dans une partie adjacente à l'extrémité (6) extérieure de l'âme. 6. Sructure d'électrode selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisée en ce que la chemise de refroidissement (11) est à double paroi, une première paroi intérieure (39) solidaire par le haut de l'en- veloppe extérieure (17) de la chemise et dont la face intérieure est en contact avec l'âme (3) et le manchon (38), et une seconde paroi médiane (41) disposée à l'intérieur du volume annulaire délimité par la pre- mière paroi (39) et l'enveloppe (17) de la chemise, la première paroi (39) pouvant se dilater librement par son bord inférieur (40). 7. Structure d'électrode selon la revendica- tion 6, caractérisée en ce que la partie inférieure de l'enveloppe de la chemise de refroidissement forme une collerette (44) dont le diamètre interne est légère- ment supérieur au diamètre externe de la première pa- roi, l'étanchéité au liquide de refroidissement étant assurée par un joint torique (45) logé dans une rainu- re (46) ménagée sur la face interne de la collerette (44) en regard de la première paroi (39), l'étanchéité étant complétée par un soufflet de compensation (47) solidaire à l'une de ses extrémités de la collerette (44) et à l'autre du bord inférieur (40) de la premiè- re paroi (39). 8. Structure d'électrode selon la revendica- tion 7, caractérisée en ce que le soufflet est progé- 2 5 7 1202 gée par un capuchon (48) coiffant la collerette (44) et percé d'un orifice dont le diamètre est égal au diamètre extérieur du manchon (38). 9. Structure d'électrode selon la revendica- S tion 6, caractérisée en ce que l'enveloppe (17) com- porte une bague interne (49) annulaire venue de matiè- re, dont le diamètre interne est légèrement supérieur au diamètre de la seconde paroi (41), cette bague in- terne (49) délimitant la séparation entre l'arrivée (50) et le retour (51) du fluide de refroidissement de la chemise à double enveloppe et l'étanchéité étant assurée par un joint torique (52) logé dans une rainu- re ménagée sur la face interne de la bague interne (49) en regard de la seconde paroi (41). 10. Structure d'électrode selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bride de fixation (12) est réalisée en trois secteurs circulaires et prend appui entre deux épaule- ments (15,16) ménagés sur la surface externe de l'en- veloppe (17) de la chemise de refroidissement. 11. Structure d'électrode selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un joint isolant électrique (14) est interposé entre la bride de fixation (12) et la paroi du réci- pient (2).