Brevet FR2577311A1 — publié le 19860814

DISPOSITIF DE CONNEXION ELECTRIQUE DES?INE A BTRE PLACE EN PAROI D'UN FOUR METALLURGIQUE BLBCTRIQUE A COURANT CONTINU La présente invention a pour objet un dispositif de connexion électrique destiné à etre placé en paroi d'un four metallurgique électrique à courant continu. Plus précisement, il s'agit d'un dispositif de connexion électrique implanté dans le revêtement réfractaire d'un four, le plus souvent dans le fond, qui est mis par une extrémité au contact d'une masse métallique en fusion, contenue dans le four, par exemple un bain d'acier, tandis que son autre extrémité est reliée à une borne d'une alimentation électrique de tension continue. L'autre borne de l'alimentation est classiquement reliée à une ou plusieurs électrodes mobiles en graphite, placées à faible distance au-dessus du bain Inétallige afin de créer et 'entretenir entre elles et la surface du bain des arcs électriques qui apportent l'énergie thermique nécessaire à la fusion et l'élaboration du métal. De tels dispositifs de connexion électrique sont connus en sidérurgie, en particulier dans les poches de traitement ou de maintien en température, ou encore dans les fours de fusion à arcs. L'un des problèmes essentiels rencontrés dans ce domaine concerne la tenue dans le temps de ces dispositifs qui sont soumis à des contraintes thermiques sévères, en raison de leur contact avec le bain métallique en fusion, et par effet joule, en raison des intensités élevées de courant électrique qui les traverse, notamment dans les cas des fours à arcs où les intensités peuvent atteindre des valeurs de l'ordre de 30 à 40 kA, voire plus. Le demandeur, qui a longuement étudié ces problèmes, a proposé récemment dans la demande de Brevet français n" 84/17323 du 06 novembre 1984 une électrode de sole pour four à arcs à courant continu, particulièrement bien adaptée pour des périodes de fonctionnement de très longue durée. Précisement, il s'agit dBune électrode de sole comprenant essentiellement une ame en acier, venant par une extrémité au contact de la masse métallique en fusion contenue dans le four, et dépassant du fond du four par une portion enveloppée dans un manchon en matériau thermo et électro-conducteur, avantageusement en cuivre. Ce manchon, refroidi par une circulation d'eau, entoure à distance la partie proéminente de l'âme de manière à ménager entre eux un espace de séparation lequel est cycliquement comblé à "chaud", c'est-à-dire lors de la mise en service du four, puis reformé à froid" lorsque l'âme se refroidit après coupure de courant.De cette manière, on contribue à laisser l'âme en acier se dilater et se contracter longitudinalement à l'intérieur du manchon au rythme des séquences de refusion-resolidification répititives de sa portion traversant l'épaisseur du revêtement réfractaire du four et qui résultent de la marche discontinue de ce dernier. En outre, l'âme en acier est prolongée à son extrémité inférieure par un embout en matériau thermo et électro-conducteur, qui, comme le manchon, est avantageusement en cuivre refroidi par une circulation interne d'un fluide de refroidissement et relié à une borne d'une alimentation électrique. Ce type d'électrode de sole donne d'excellents résultats. Toutefois, on a observé à l'aide d'un capteur de déplacement, que, entre deux périodes d'arrêt du four, l'âme et l'embout qui lui est solidaire, se comportaient comme une partie mobile qui remontait dans le manchon, et que cette remontée se reproduisait séquentiellement au fil des cycles de refusion-resolidification pouvant conduire à la consommation progressive de l'électrode de sole par sa partie supérieure au contact du bain métallique. La présente invention a pour but de résoudre ce problème et ainsi, d'améliorer encore la tenue dans le temps de l'électrode de sole. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de connexion électrique, destiné à être placé en paroi d'un récipient métallurgique, notamment un four à arc sidérurgique, du type comprenant - une partie mobile, en contact par son extrémité supérieure avec la masse métallique en fusion contenue dans le récipient, et proéminente par son autre extrémité hors du récipient, ladite partie étant constituée par une âme métallique prolongée à son extrémité inférieure par un embout qui lui est solidaire, - un manchon, en matériau thermoconducteur, qui entoure la portion proéminente de ladite partie mobile, ce manchon étant fixé contre le fond du récipient et refroidi au moyen d'une circulation d'un fluide refroidissant, - et des moyens appropriés pour- relier l'âme à une source d'énergie électrique, dispositif de connexion électrique caractérisé en ce qu'il comprend également - un espace de séparation, ménagé entre le manchon et l'âme métallique, de manière à prendre en compte les phénomèmes de dilatation-contraction de l'âme métallique dans le manchon, - et un système de fixation élastique de ladite partie mobile qui tend à ramener à tout instant cette dernière à sa position initiale donnée lors du montage. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, l'embout est prévu en un matériau à la fois thermo et électro-conducteur, par exemple en cuivre, et est refroidi énergiquement par une circulation d'un fluide refroidissant, par exemple de l'eau. Dans ce cas, l'embout est avantageusement relié à une borne de l'alimentation électrique et assure ainsi la liaison électrique de l'âme métallique. Conformément à une variante du mode de réalisation précité, le manchon est également en matériau électroconducteur, ce qui lui permet d'assurer latéralement la connexion électrique de l'âme métallique lorsque cette dernière vient en contact "à chaud" avec le manchon. Dans ce cas, la connexion électrique latérale de l'âme métallique peut être éventuellement assurée en permanence au moyen d'un assemblage âme-manchon du type "tenon-mortaise", par exemple à l'aide de clavettes métalliques introduites en force. Dans ce cas également, on peut envisager un embout en matériau réfractaire non refroidi. Comme on l'aura sans doute compris, le système de fixation élastique selon l'invention assure, lors des phases de refusion, le rétablissement de l'âme métallique et de l'embout à une position constante donnée au montage, et ceci d'autant plus facilement qu'ils peuvent coulisser dans le manchon. Dans le seul but de mieux faire comprendre l'invention, on va essayer de décrire ce qui se passe au niveau de ltélectrode au cours d'un cycle de resolidification-refusion, sans que l'on puisse pour autant considérer que les phénomènes soient déjà parfaitement élucidés dans leur chronologie ou même dans leur nature respective. I1 faut d'abord se rappeler qu'un four à arc, qu'il soit à courant alternatif ou continu, présente généralement sur son fond, à l'intérieur, une petite cuvette dans laquelle est conservée, à vide, une petite quantité de métal, appelé "pied de bain", et destinée à faciliter le redémarrage de la fusion d'une nouvelle charge. Bien entendu, dans le cas d'un four à arc à courant continu, le pied de bain ne peut remplir son rôle que si l'électrode de sole débouche dans la cuvette. Ce rappel fait, on comprend mieux qutà froid, c'est-à-dire pendant les périodes d'arrêt du four1 le pied de bain qui, en se solidifiant, prend un appui fixe contre le fond de la cuvette, provoque de ce fait, lors de la contraction thermique de l'ame qui se refroidit progressivement! une remontée de cette dernière dans le manchon. On a ainsi constaté en fin de cycle de refroidissement des retreints longitudinaux de la partie mobile de l'électrode de sole pouvant atteindre plusieurs mm. Pendant cette période, par contraction radiale de l'âme métallique, l'espace de séparation ménagée entre le manchon refroidi et l'âme métallique se reconstitue. Conformément à l'invention, la remontée de l'âme métallique dans le manchon s'accompagne d'une mise en compression ou d'une mise en extension du système de fixation élastique, selon qu'il s'agit d'un système de fixation élastique comprenant des ressorts à compression ou de traction. Par contre "à chaud", ctest-à-dire quand le four métallurgique est mis sous tension, on assiste à la fusion du métal, tout d'abord dans le pied de bain, et ensuite dans l'âme métallique, au moins dans sa partie supérieure non refroidie qui est enfouie dans le refractaire de la sole du récipient. Ceci a pour conséquence la disparition d'une grande partie des points d'ancrage de l'âme métallique dans le réfractaire. Toutefois, ceci n'est généralement pas suffisant pour que la partie mobile retrouve, sous l'effet de son propre poids, sa position initiale donnée au montage. Le système de fixation élastique, qui est encore comprimé en raison du retreint précédent, peut maintenant réagir et retrouver son état d'équilibre, et dans le même temps, ramener la partie mobile de l'électrode de sole à sa position de départ. A ce propos, on notera que la présence d'un espace de séparation ménagée entre l'âme métallique et le manchon facilite avantageusement l'action du système de fixation. En effet, le métal de l'âme en s'échauffant comble cet espace, mais sans jamais exercer de pression latérale sur le manchon suffisamment importante pour empêcher la décompression du système de fixation élastique qui assure le rappel de la partie mobile de l'électrode de sole. Cette explication reste cependant encore hypothétique. Il est également possible que le système élastique ait exercé son action de rappel avant que la dilatation radiale de l'âme comble l'espace de séparation avec le manchon. Le mécanisme exact reste à préciser, car il dépend de plusieurs facteurs comme la taille de l'âme, la puissance de l'effort antagoniste du système de rappel, l'épaisseur du revêtement réfractaire, etc Néanmoins, le système de fixation élastique associé à la présence "à froid" d'un espace de séparation entre l'âme métallique et le manchon, permettent à cette dernière à coup sur de retrouver à chaque refusion sa position de départ, et ainsi, empêche toute possibilité de consommation de l'âme par un effet de cumul des retreints thermiques longitudinaux dans le manchon. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront au vu de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple, en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles - la figure 1 représente en section longitudinale une vue schématique d'ensemble d'un four à arc sidérurgique équipé dans son fond d'un dispositif de connexion selon l'invention. - la figure 2 représente, en coupe longitudinale, une vue agrandie de ce dispositif de connexion. Le four à arc schématisé sur la figure 1 comprend une carapace métallique 2 garnie intérieurement d'un revêtement réfractaire 3. Une masse métallique 4 vient d'être fondue dans ce four grâce aux arcs électriques entretenus entre cette masse et l'extrémité d'électrodes de voûte en graphite 5 (au nombre de deux dans cet exemple) reliées à la même borne négative d'une alimentation électrique en courant continu non représentée. La fermeture du circuit électrique s'opère au travers du bain entre ces electrodes et le dispositif de connexion 6 selon l'invention. Ce dispositif comporte, comme on le voit, une âme métallique 7 formée d'une simple billette en acier, implantée au travers du fond 8 du four de manière à ce que son extrémité supérieure vienne au contact de la masse de fusion.Ce contact s'opère classiquement à la base d'une cuvette ménagée en un point bas du four dans laquelle est conservée en permanence du métal, habituellement dénommé "pied de bain " et destiné à faciliter le démarrage de la fusion sur charge solide. A l'opposé, la billette 7 traverse la carapace 2 du four de manière à présenter sa portion terminale 9 à l'extérieur du four, cette dernière étant prolongée sous le four par un embout vissé 10 refroidi en cuivre. Comme on le voit de façon plus précise sur la figure 2, la portion 9 dépassante de la billette 7 et une partie seulement de l'embout 10, sont enveloppés dans un manchon 11, refroidi en cuivre, qui entoure à distance la billette 7, de manière à ménager entre eux un espace de séparation 12 qui sera comblé prin- cipalement par dilatation radiale de la billette, lors de la mise sous tension du four. Par contre, entre le manchon 11 et l'embout 10, refroidis tous deux, il ne subsite qu'un jeu mécanique afin que l'embout 10 coulisse librement dans le manchon 11. Dans l'exemple décrit, la longueur de la portion terminale 9 dépassante de la billette 7 est prévue juste suffisante pour que, lors des cycles de dilatation et retraction longitudinales de l'âme 7, le coulissement de l'embout 10 s'effectue tou jours à l'intérieur du manchon 11, soit cuivre contre cuivre. Par ailleurs, dans l'exemple présenté, la billette 7, le manchon 11 et l'embout 10 sont de section circulaire. Le refroidissement, de la billette 7 est ici assuré à la fois par le manchon 11 et par l'embout 10. Ainsi, le manchon 11 comporte sur sa surface latérale externe des cannelures 13 helicoldales et parallèles entre elles. La fermeture étanche de ces cannelures est réalisée au moyen d'une chemise 14 métallique, appliquée sur le manchon 11 et équipée des moyens d'entrée 15 et de sortie 16 du fluide de refroidissement, qui est avantageusement de l'eau déminéralisée. L'embout 10 est évidé dans sa partie inférieure de manière à présenter une cavité 17 sensiblement cylindrique, ouver- te à son extrémité inférieure et par laquelle s'effectue le refroidissement de la portion 9 terminale de la billette 7. Pour ce faire, un noyau métallique 18 est logé dans la cavité 17, ce noyau étant de forme générale cylindrique et présentant deux parties contigües de dimension différente Une première partie 19, située dans la partie haute du noyau, qui est de dimension inférieure à la cavité 17 pour permettre la circulation d'une lame d'eau ; et une deuxième partie 20 proéminente à l'extérieur de la cavité 17, de dimension égale à celle de la cavité 17 mais présentant deux méplats-parallèles pour ménager, entre eux et la paroi latérale de la cavité, deux chambres 21 et 22 respectivement d'entrée et de sortie de l'eau déminéralisée. La fermeture étanche des chambres 21 et 22 est assurée au moyen de la plaque métallique 23, montée autour de la portion proéminente -du noyau 18 et fixée contre l'extrémité inférieure de l'embout 10, à l'aide des boulons 24.La plaque 23 est d'autre part, percée de deux orifiees circulaires pour le raccord étanche des chambres 21 et 22 à des conduites 25 et 26, ces dernières étant reliées à une alimentation en fluide de refroidissement. L'étanchéité hydraulique de l'assemblage manchon-chemise est assurée par des joints toriques 27 et 28 disposés respectivement aux extrémités supérieure et inférieure du manchon 11. En ce qui concerne la connexion électrique de la billette 7, elle s'effectue également par l'intermédiaire du manchon il et de l'embout 10. A cet effet, une plaque 29 en cuivre, reliée à une borne d'une alimentation électrique non représentée, est prévue pour être en contact à la fois avec le manchon 77 et l'embout 10. La plaque 29, qui comporte un orifice circulaire pour le libre passage de l'embout 10 est fixée contre ltextrémité inférieure du manchon 7i au moyen des boulons 30. Dans le but de conserver un jeu mécanique suffisant entre le manchon 11, la plaque 29 et 1'embout 10 pour que ce dernier puisse facilement coulisser, des contacts électriques glissants sont prévus entre eux. Dans le mode de réalisation présenté, ces contacts électriques sont constitués par trois couronnes annulaires 31 en cuivre, formés d'éléments du type "ressort à lames", chaque couronne étant insérée dans une rainure 32 annulaire ménagée sur la surface externe de l'embout 10 de manière à ce que la partie souple de la couronne 31 soit en contact élastique permanent avec la plaque 29 ou le manchon 11. Conformément à une caractéristique de l'invention, le dispositif de connexion électrique exemplifié comprend également un système de fixation élastique capable de ramener lors de la refusion (mise sous tension du four électrique) la partie coulissante de ce dispositif, à savoir la billette 7 et l'embout 10 qui lui est solidaire, à la position de départ donnée lors du montage. Dans le mode réalisation présentée sur la figure, le système de fixation élastique comprend principalement des rondelles élastiques 33, dite "rondelles belleville" empilées les unes au-dessus des autres, autour de goujons verticaux 34 entre un point fixe du dispositif de connexion électrique qui est ici constitué par la plaque 29, et un point mobile, suivant la partie coulissante du dispositif de connexion électrique, constitué par la collerette 35 de la plaque métallique 23. Les goujons 34 sont fixés par vissage de leur extrémité dans la plaque 29. Par ailleurs, on prévoit une butée d'arrêt pour éviter la sortie éventuelle de la billette 7 hors du manchon 11. De façon avantageuse et telle que représentée sur la figure, il s'agit d'une butée élastique 36 comprenant également des rondelles élastiques montées autour de la partie dépassante des goujons 34 sous la collerette 35, entre cette collerette et des écrous 37 constituant la butée fixe des rondelles. Les orifices ménagés sur le pourtour de la collerette 35 sont bien entendu prévus pour permettre le passage des goujons 34. De plus, on prévoit des rondelles 38 d'appui des rondelles élastiques 33 contre la plaque 29, de part et d'autre contre la collerette 35 des rondelles 33 et contre les écrous 37. L'assemblage de l'ensemble constituant le dispositif de connexion électrique contre la carapace 2 du four est réalisée au moyen de la plaque de fond 39 contre laquelle est rapportée, par un cordon de soudure 40, la chemise 14, la plaque 39 étant elle-même fixée sous la carapace 2 avec interposition d'une rondelle isolante de l'électricité 41. En outre, des passages sont ménagés dans la plaque de fond 39 et la rondelle 41 pour l'introduction de boulons 42 d'assemblage du dispositif de connexion électrique au fond du four. Afin de conserver l'isolation du dispositif à l'égard du four, on introduit dans chaque passage aménagé pour un boulon 42 un canon 43 isolant électrique. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus et s'étend à de multiples variantes dans la mesure où sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications jointes. Il en est ainsi, par exemple, de la butée élastique de la partie mobile du dispositif de connexion électrique, décrite ci-dessus et que l'on peut remplacer par une butée fixe, en utilisant par exemple des écrous vissés aux extrémités inférieures des goujons, juste sous la collerette. En ce qui concerne la connexion électrique de la billette d'acier, les contacts électriques constitués par des couronnes annulaires en cuivre formées d'éléments du type "ressort à lames" ne sont pas nécessairement en appui élastique contre la surface interne du manchon et de la plaque de cuivre, mais bien entendu peuvent être en appui élastique contre l'embout, les rainures dans lesquelles ces couronnes sont logées étant, dans ce dernier cas, menagés sur la surface interne du manchon et de la plaque de cuivre. Par ailleurs, on peut songer à utiliser comme connecteur électrique de la billette d'acier d'autres moyens différents de celui présenté auparavant et qui est constitué par la plaque 29 en cuivre. Par exemple, on peut utiliser comme connecteur électrique de la billette d'acier la plaque 39, qui a été initialement prévue pour assurer, d'une part la fixation de l'ensemble du dispositif sous le four, et d'autre part, la fermeture de la chambre de sortie du fluide de refroidissement. Dans un tel cas, la plaque 39, qui serait reliée à une borne d'une alimentation électrique, serait alors prévue en cuivre, et remplirait sa fonction de connecteur électrique de la billette d'acier seul ou conjointement avec Embout selon que ce dernier est en matériau réfractaire ou en cuivre. En ce qui concerne, la fixation élastique de la partie coulissante du dispositif de connexion électrique selon l'invention, on peut envisager d'autre mode de réalisation que celui présenté, par exemple, un système de fixation élastique avec ressort de traction, qui serait mis en extension par retreint de l'âme lors de ses resolidifications, et qui reviendrait à sa portion d'équilibre en ramenant l'âme lors des refusions. On pourrait également envisager un ensemble de ressorts dont les extrémités supérieures seraient reliées par des moyens appropriés à la partie coulissante du dispositif de connexion électrique, tandis que leur extrémité inférieure serait reliée à un point fixe. REWENDICATIONS 1) Dispositif de connexion électrique destiné à être placé en paroi d'un four métallurgique électrique à courant continu, notamment un four sidérurgique à arcs, du type comprenant - une partie mobile, en contact par son extrémité supérieure avec la masse métallique en fusion contenue dans le récipient, et proéminente par son autre extrémité hors du récipient, ladite partie mobile étant constituée d'une âme métallique prolongée à son extrémité inférieure par un embout qui lui est solidaire, - un manchon en matériau thermoconducteur qui enveloppe latéralement, en partie au moins, la partie proéminente de ladite partie mobile, ce manchon étant fixé contre la carapace du récipient et refroidi au moyen d'une circulation d'un fluide refroidissant, - et des moyens appropriés pour relier l'âme métallique à une source d'énergie électrique, dispositif de connexion électrique caractérisé en ce qu'il comprend également - un espace de séparation (12), ménagé entre le manchon ( et l'âme métallique (7), de manière à prendre en compte les phénomènes de dilatation-contraction de l'âme métallique (7) dans le manchon (11), - et un système de fixation élastique de ladite partie mobile (7,10) qui tend à ramener à tout instant cette dernière à sa position initiale donnée lors du montage. 2) Dispositif de connexion électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de fixation élastique est composé essentiellement d'un ensemble à ressorts, montés autour de colonnes (34), de manière que lesdits ressorts soient en butée fixe par leur extrémité supérieure, tandis que leur extrémité inférieure est en contact avec une plaque (23) fixée contre l'extrémité inférieure de l'embout. 3) Dispositif de connexion électrique selon la revendication 2 caractérisé en ce que, lors du montage, les colonnes (34) sont prolongées sous la plaque (23) et en ce que des ressorts sont également montés autour des dites colonnes (34) entre ladite plaque (23) et l'extrémité libre des colonnes. 4) Dispositif de connexion électrique selon la revendication 2 caractérisé en ce que les ressorts7 montés autour de chaque colonne (34), sont composés de rondelles élastiques 5) Dispositif de connexion électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'embout (10), solidaire de l'âme métallique 17S, est en matériau réfractaire, et en ce que le manchon (11), qui est choisi en matériau à la fois thermo et électroconducteur et qui est connecté à une borne d'une alimentation, assure la connexion électrique de l'ame métallique par l'intermédiaire de clavettes longitudinales, chaque clavette étant logée à la fois dans une rainure ménagée sur la surface interne du manchon et dans une rainure ménagée sur la surface externe de l'âme métallique de manière à établir le contact électrique entre le manchon (11) et I'âme-métallique 6) Dispositif de connexion électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'embout (10) est en matériau bon conducteur de l'électricité et en ce que ledit embout est relié à une borne d'alimentation électrique. 7) Dispositif de connexion électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le manchon