Brevet FR2591325A1 — publié le 19870612

Electrode de fond pour fours de fusion. L'invention a pour objet une cuve de four pour four électrique à arc à courant continu possédant des électrodes de fond qui présentent des éléments d'usure et qui sont fixées à la carcasse du fond du four, pénètrent dans le garnissage réfractaire du four et sont en contact avec le bain fondu qui se trouve dans le creuset du four, lesdits éléments d'usure étant reliés à des douilles de refroidissement qui présentent une cavité intérieure pour la circulation d'un milieu de refroidissement, ainsi que des éléments de connexion pour l'amenée du courant électrique. On connait, du fait de la demande de brevet EP 00 58 817, une cuve de four dans laquelle, il est prévu des dispositifs de contact dans la région centrale du fond de la cuve pour évacuer le courant anodique. Ces dispositifs de contact sont composés d'un grand nombre de tiges métalliques s'étendant parallèlement à l'axe de la cuve, et qui sont tenues dans la matière réfrac- taire. Le garnissage réfractaire de la cuve du four et les tiges métalliques subissent des contraintes thermiques extrêmement élevées et donc une forte usure. Etant donné que l'usure peut se produire localement, dans la région d'une électrode unique, il existe en particulier le risque d'une rupture. On peut atteindre une élévation de la durabilité au moyen d'un refroidis- sement intensif. Par ailleurs, on connait par la demande de brevet européen publiée nO 00 58 817, un dispositif d'électrodes de contact dans lequel la douille de l'électrode peut être refroidie par un fluide. Etant donné que, en raison du grand risque d'explosion, on doit éviter que le bain fondu n'entre en contact avec l'eau servant de milieu de refroidissement et qui est habituellement utilisée dans les installations de refroidissement, on refroidit fréquemment à l'air. Toutefois, ce refroidis- sement est de loin insuffisant. 2 5 9 1325 -2 - Ainsi qu'il est connu encore par la demande de brevet DE - 26 37 632, on consacre une dépense importante pour éliminer les fusions locales sur la tête de l'élec- trode de fond. Mais celle-ci, présente en outre l'incon- vénient que l'on ne peut prendre des mesures pour éviter la destruction de l'électrode qu'après que le dispositif de mesure a détecté qu'il s'est déjà produit une fusion locale. Il est également connu, par la demande de brevet EP 00 12 050, d'utiliser comme milieu de refroidissement, en remplacement de l'eau ou de l'air, par exemple du mercure, du potassium ou du sodium. Mais ces fluides présentent l'inconvénient de se solidifier à une tem- pérature très supérieure à la température ambiante, et de bloquer ainsi le circuit de refroidissement. Le but de l'invention est de proposer une cuve de four du type considéré qui soit fiable, d'une bonne facilité de maintenance, qui présente une grande durabi- lité et qui comprenne des éléments pouvant être réuti- lisés après avoir été utilisés dans la région d'usure. Selon l'invention, ce problème est résolu en ce que l'électrode est constituée par un élément d'usure qui traverse le garnissage réfractaire à partir de l'exté- rieur de la carcasse du four et est en contact avec le bain fondu contenu dans le creuset, en ce que l'élément d'usure présente, sur le côté qui est à l'opposé du creuset, un perçage axial borgne dans lequel est emmanchée une douille de refroidissement, un élément tubulaire destiné à faire circuler le fluide de refroidissement et en ce que, le garnissage réfractaire comprend une couche conductrice du courant électrique, qui s'étend parallèlement à la paroi du creuset et qui entoure et touche les éléments d'usure des électrodes de fond dans une région partielle de leur dimension longitudinale. Selon une autre caractéristique, les éléments de connexion servant à amener le courant électrique pré- sentent des organes de commutation électrique pour l'interruption du courant. -3- La couche est composée de briques de graphite et présente, perpendiculairement à la couche de revê- tement, des perçages à travers lesquels on peut enfiler les électrodes de fond. Elle peut être séparée de la carcasse du four par une couche de matière réfractaire isolante du courant électrique. Selon l'invention, il est prévu, une matière de contact entre les électrodes de fond et les briques de graphite, dans la région des perçages, pour conduire la chaleur et le courant électrique. Les éléments d'usure sont composés d'une matière comparable au bain en fusion. Il est prévu, sur les éléments d'usure, à l'extrémité qui présente le trou borgne, une collerette au moyen de laquelle les éléments d'usure peuvent être fixés à la carcasse du four à l'aide d'éléments de fixation. Des éléments isolants de l'électricité peuvent être disposés entre la carcasse et l'élément d'usure. Les douilles de refroidissement présentent une collerette de fixation qui se trouve à une distance de la tête de la douille de refroidissement qui est plus grande que la profondeur du trou borgne de Itélément d'usure. Les douilles de refroidissement sont réalisées en une matière conductrice de la chaleur et du courant électrique, par exemple en cuivre. Selon une autre caractéristique de l'invention, on peut introduire un élément tubulaire dans la douille de refroidissement pour conduire le fluide de refroidis- sement, par exemple un métal liquide. L'élément tubulaire est muni d'un dispositif de réchauffage pour réchauffer le fluide de refroidissement métallique, par exemple du zinc. Les organes de commutation électrique sont reliés à un appareil de commande sous l'action duquel ils peuvent être commandés séparément. -4- Selon l'invention, une couche conductrice du courant électrique et résistante à la chaleur est prévue dans le garnissage réfractaire, de préférence dans le fond, s'étend parallèlement à la paroi du creuset et est placée à une certaine distance du volume intérieur du creuset ainsi que de la carcasse. Cette couche, qui est de pré- férence composée de briques de graphite, présente des perçagesà travers lesquels on peut faire passer les électrodes de fond.Les parois des électrodes de fond et le garnissage réfractaire sont en contact direct, pour la transmission de la chaleur. Ce contact est obtenu, soit en adoptant des tolérances serrées pour les perçages formés dans le garnissage et pour les électrodes, soit au moyen d'une matière de contact interposée entre le revêtement réfractaire et les électrodes. La matière de contact possède les propriétés de conduire la chaleur et le courant électrique. De cette façon, la chaleur, qui provient, d'une part, du processus de fusion et, d'autre part, de la grande énergie du courant électrique, est répartie sur un grand nombre d'éléments de refroidis- sement. Grâce à la bonne conduction du courant assurée par l'élément de refroidissement, la chaleur dégagée par le passage du courant est réduite et, de cette façon, il ne se produit qu'une faible perte, grâce à la modi- cité de l'échauffement propre. La meilleure évacuation de la chaleur détermine alors, grâce à la suppression des pointes de température, une régularisation et une diminution de l'usure du garnissage réfractaire. Toutefois, non seulement la durabilité du garnissage réfractaire est allongée mais, en même temps, sa perte progressive de rendement en tant que matériel de production devient calculable. Ceci permet d'éviter la détérioration de la couche conductrice de la chaleur et du courant, de sorte que cette couche peut être à nouveau utilisée pour un nouveau cycle du four. Les électrodes de fond du four du type considéré se composent d'au moins deux parties, un élément d'usure et un élément de refroidissement. Selon l'invention, - 5 - l'élément d'usure présente un perçage axial borgne dans lequel l'élément de refroidissement peut être introduit. Dans le fonctionnement normal, l'élément d'usure ne s'ise pas suffisamment loin pour que l'élément de refroidisse- ment soit détruit. L'élément de refroidissement en forme de douille, qui est beaucoup plus coûteux, du fait de sa technique de fabrication, peut être réutilisé sans avoir été détérioré. Ceci réduit considérablement les coûts de maintenance du four. Comme matière pour les éléments d'usure, on peut utiliser une matière comparable au bain fondu, ce qui permet d'éviter l'altération du bain fondu, par exemple, la formation d'un alliage ou autre altération équivalente. Les électrodes de fond présentent des éléments de fixation qui permettent de les échanger facilement. Le perçage borgne prévu dans l'élément d'usure et la douille de refroidissement présentent une configuration telle que les deux éléments puissent être emmanchés l'un dans l'autre sans jeu et qu'ils présentent un coefficient maximum de transmission de la chaleur. La douille de refroidissement, qui est isolée de la paroi du four, est de préférence en cuivre. La ductilité du cuivre améliore les possibilités de réuti- lisation de la douille de refroidissement lorsqu'elle est utilisée dans des éléments d'usure qui présentent des diamètres différents l'un de l'autre dans un certain intervalle de tolérance. Pour le-refroidissement des douilles de refroidis- sement, on peut utiliser des milieux liquides. Comme fluide de refroidissment, on peut également utiliser des métaux liquides. Dans le cas o l'on utilise un milieu de refroidissement métallique, la douille de refroidis- sement est équipée d'un dispositif de réchauffage qui évite la solidification de ce milieu. Selon l'invention, les électrodes de fond sont équipées d'amenées de courant qui présentent des organes de commutation électrique capables d'interrompre le - 6 - courant. Ces organes de commutation peuvent être com- mandés séparément. En interrompant brièvement et individuellement certaines amenées de courant de la façon voulue, on a la possibilité de faire "circuler" l'arc électrique. Ceci permet d'agir positivement sur l'usure dans une grande région du four, en particulier dans une grande région du fond du four puisque, au total, il se produit une régularisation, en même temps qu'une diminution perceptible de la charge thermique. Par une sélection appropriée et un temps d'interruption individuelle relativement long des électrodes, on peut obtenir un arc électrique qui s'établit en oblique. Il en résulte une diminution du nombre des zones distinctes à forte sollicitation thermique dans le four. Un mode de réalisation de l'invention sera à présent décrit à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 montre une vue en coupe de la dispo- sition des électrodes dans le fond d'un four, ainsi que l'amenée du courant; et La figure 2 est une coupe d'une électrode de fond. La figure 1 montre une partie du four 10, plus précisément, une partie de la paroi 11 du creuset, dans la région du creuset 14 du four, ainsi que la carcasse 12 et le garnissage réfractaire 20. Ce dernier se compose de mortier réfractaire 25, d'une couche 21 ré- sistante à la chaleur et conductrice de l'électricité, disposée parallèlement à la carcasse, ainsi que d'une couche 23, résistante à la chaleur mais non conductrice de l'électricité, interposée entre la carcasse 12 et la couche 21. Dans les trois couches du garnissage réfractaire 20, sont ménagés des perçages 22 dans lesquels se trouvent des électrodes de fond 30. Entre les élec- trodes de fond 30 et la carcasse 12 du fond, sont prévus des éléments 13 isolants de l'électricité. Les électrodes -7- de fond 30 se composent d'un élément d'usure 31 et d'une douille de refroidissement 40. Cette dernière pré- sente une collerette de fixation 41 au moyen de laquelle la douille peut être fixée à la collerette 33 de l'élément d'usure 31 à l'aide d'éléments de fixation 34. La col- lerette 33 présente à son tour des éléments de fixation 34 à l'aide desquels l'ensemble de l'électrode de fond peut être fixé au four. Dans l'élément d'usure 31, est prévu un perçage borgne 32 dans lequel une partie de la douille de refroidissement 40 peut être emmanchée. Les éléments d'usure 31 sont à leur tour emmanchés solidement dans la couche 21 résistante à la chaleur et conductrice de l'électricité. Pour assurer une meilleure conduction de la chaleur, il est prévu une matière de contact 24 entre la couche 21 et les éléments d'usure 31. Sur les douilles de refroidissement 40, on a représenté schématiquement l'arrivée et le départ du fluide de refroidissement. Sur le côté des douilles de refroi- dissement qui est à l'opposé du bain fondu 60, sont prévus des éléments de connexion 53 de l'arrivée de courant 50. L'arrivée de courant 50 présente des organes de commutation électrique 51 qui peuvent être commandés par l'appareil de commande 52. Sur la figure 2, on a représenté la douille de refroidissement 40 en coupe, pour compléter les indi- cations déjà représentées sur la figure 1. La douille de refroidissement 40 est emmanchée aussi profondément que possible dans le perçage borgne 32 de l'élément d'usure 31, au moyen des éléments de fixation 34, de telle manière que la tête 42 de la douille de refroidis- sement 40 touche le fond du perçage borgne. Dans la douille de refroidissement 40, est agencé un élément tubulaire 43 qui sert à faire circuler le milieude refroidissement. L'élément tubulaire 43 peut être équipé d'un dispositif de chauffage 44, destiné à maintenir, au besoin, le milieu de refroidissement à une température déterminée. -8- REVENDICATIONS 1.- Cuve de four pour four électrique à arc à courant continu, possédant des électrodes de fond qui sont fixées à la carcasse du fond du four et sont dis- posées dans le garnissage réfractaire du four, ces électrodes étant munies, dans la région du fond, d'un dispositif de refroidissement et d'éléments de connexion servant à l'amenée du courant électrique, caractérisée en ce que l'électrode est composée d'un élément d'usure (31) qui traverse le garnissage réfractaire, en partant de la carcasse du four, et est en contact avec le bain fondu contenu dans le creuset, en ce que l'élément d'usure (31) présente, sur le côté qui est à l'opposé du creuset (14) du four, un pergage axial borgne (32) dans lequel est emmanchée une douille de refroidissement (40), un élément tubulaire (43) destiné à faire circuler le milieu de refroidissement pouvant être emmanché dans la douille de refroidissement (40), et en ce que le garnissage réfractaire (20) comprend une couche (21) résistante à la chaleur et conductrice du courant élec- trique, qui s'étend parallèlement à la paroi (11) du creuset, et qui entoure et touche les éléments d'usure (31) des électrodes de fond (30) dans une région par- tielle de leur dimension longitudinale, en entrant en contact avec ces éléments. 2.- Cuve de four selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la couche (21) est composée de briques de graphite qui présentent, perpendiculairement à l'as- sise de garnissage des perçages (22) à travers lesquels les électrodes de fond (30) peuvent être emmanchées. 3.- Cuve de four selon la revendication 2, carac- térisée en ce que la couche (21) est séparée de la carcasse (12) du four (10) par une couche de matière réfractaire (23) isolante du courant électrique. 4.- Cuve de four selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'une matière de contact (24) est interposée entre les électrodes de fond (30) et les 9- briques de graphite (21), dans la région des perçages (22), pour conduire la chaleur et le courant électrique. 5.- Cuve de four selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les-éléments d'usure (31) sont composés d'une matière comparable au bain fondu (60). 6.- Cuve de four selon la revendication 5, carac- térisée en ce qutil est prévu sur les éléments d'usure (31), à l'extrémité qui présente le perçage borgne (32), une collerette (33) au moyen de laquelle les éléments d'usure (31) peuvent être fixés à la carcasse (12) du four (10) à l'aide d'éléments de fixation (34). 7.- Cuve de four selon la revendication 6, carac- térisée en ce que des éléments isolants de l'électricité (13) sont interposés entre la carcasse (12) et les éléments d'usure (31). 8.- Cuve de four selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisée en ce que les douilles de refroidissement (40) présentent une collerette de fixation (41) qui se trouve à une distance de la tête (42) de la douille de refroidissement (40) qui est supérieure à la profondeur du passage borgne (32) de l'élément d'usure (31). 9.- Cuve de four selon la revendication 8, carac- térisée en ce que la douille de refroidissement (40) est réalisée en une matière conductrice de la chaleur et du courant électrique, par exemple en cuivre. 10.- Cuve de four selon la revendication 9, carac- térisée en ce qu'un élément tubulaire (43) servant à faire circuler le milieu de refroidissement, par exemple un métal liquide, peut être emmanché dans la douille de refroidissement (40). 11.- Cuve de four selon la revendication 8, carac- térisée en ce que l'élément tubulaire (43) présente un dispositif de réchauffage (44) servant à réchauffer le milieu de refroidissement métallique, par exemple en zinc. 2 5 9 1325 - 10 - 12.- Electrode de four pour fours de fusion compre- nant des éléments d'usure fixés à la carcasse du fond de la cuve, qui pénètrent dans le garnissage réfrac- taire du four et qui sont en contact avec le bain fondu contenu dans le creuset du four, et des douilles de refroidissement fixées aux éléments d'usure et qui pré- sentent une cavité intérieure servant à la circulation d'un milieu de refroidissement, ainsi que des éléments de connexion pour l'amenée du courant électrique, notam- ment selon les revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les éléments de connexion (53) servant à l'amenée du courant électrique présentent des organes de commu- tation électrique (51) pour l'interruption du courant. 13.- Electrode de fond selon la revendication 12, caractérisée en ce que les organes de commutation élec- trique (41) sont connectés à un appareil de commande au moyen duquel ils peuvent être commandés séparément.