Brevet FR2611876A1 — publié le 19880909

L'invention a pour objet un four électrique à courant continu de fusion d'une matière brute métallique telle que de la ferraille ou un produit pré-réduit. Pour réaliser de l'acier à partir de ferraille, on utilise couramment des fours électriques comprenant une cuve constituée d'un fond recouvert d'une sole réfractaire et entourée d'une paroi latérale, ciénéralement refroidie, l'ensemble étant fermé par un couvercle amovible en forme de voute. L'alimentation en matière brute. ferraille ou minerai pré-réduit, se fait normalement par le dessus, après ouverture de la voute ou, par exemple, par l'intermédiaire d'un orifice d'introduction ménagé dans la voute ou la paroi et fermé ou non par une trappe. La chaleur nécessaire à la fusion est obtenue électriquement en faisant Jaillir des arcs électriques entre la matière brute déposée sur le fond de la cuve et une ou plusieurs électrodes passant dans des orifices ménagés dans la voute, alimentés en courant par une source d'énergie électrique et coopérant chacun avec une électrode fixe placée dans la sole du four et appelée, pour cette raison "électrode de sole". Le contact entre la ferraille et l'électrode de sole est réalisé par l'intermédiaire du bain de métal liquide obtenu par fusion de la ferraille qui est placée sur le bain ou en tout cas, au contact de ce dernier.Géneralement, les électrodes traversant la voute sont consommables et réalisées en graphite; elles sont montées coulissantes le long de leur axe de sorte que leurs extrémités actives puissent être placées en contact avec la charge ou aussi près que possible de celle-ci pour la formation d'un arc électrique entre l'électrode et la ferraille ou le bain. Pour réduire autant que possible la concommation électrique, on chauffe les ferrailles à une température aussi élevée que possible avant leur introduction dans le four et, à cet effet, on les fait passer dans un dispositif de préchauffage parcouru par les gaz chauds sortant du four, placé à proximité de la cuve et relié au four par un conduit de transfert des ferrailles préchauffées. Les dispositions actuelles ne permettent paC, en général d'élever suffisamment la température des ferrailles avant leur entrée dans le four. Par ailleurs, si la plupart des fours électriques de grande capacité fonctionnent sous courant alternatif, on a réalisé, depuis un certain temps, des fours à courant continu qui présentent différents avantages tels qu'une réduction du bruit et une augmentation du rendement énergétique due au fait que l'on peut utiliser des tensions supérieures à celles permises en courant alternatif et, en outre, la possibilité de réaliser une alimentation en continu des ferrailles L'invention repose sur l'idée de mettre à profit les propriétés particulières d'une alimentation électrique en courant continu, pour améliorer le rendement éneraétique du four en augmentant, sans consommation calorifique supplémentaire, la température des ferrailles au moment où elles sont introduites dans le four. L'invention s'applique donc à un four électrique à courant continu du type comprenant une cuve constituée d'un fond recouvert d'une sole et limité Par une paroi latérale et une voute de fermeture de la cuve dans laquelle est ménagé un orifice d'introduction de la matière brute métallique et au moins un orifice de passage d'au moins une électrode consommable reliée à une source de courant continu et coopérant avec au moins une électrode fixe placée dans la sole et reliée à la source de courant par au moins un conducteur de retour pour la formation d'au moins un arc électrique entre l'électrode consommable et la matière en contact avec l'électrode de sole. Normalement, la cuve et la voute d'un tel four sont symétriques par rapport à deux plans médians verticaux, perpendiculaires se coupant suivant un axe central vertical.Le plus souvent, la cuve et la voute ont une forme allongée, symétrique par rapport à un plan longitudinal et définissant deux extrémités, la cuve étant montée basculante autour d'un axe transversal au plan médian longitudinal de facon à déverser le métal par un trou de coulée placé à une extrémité avant, un seuil de décrassage étant situé du côté opposé ou bien du même côté que le trou de coulée. Conformément à l'invention, l'ensemble de l'équipement électrique comprenant les électrodes consommables, les électrodes de sole et les conducteurs de retour branchés sur les électrodes de sole est disposé autant que possible symétriquement par rapport à l'axe central vertical du four dé façon que le centre de fusion soit placé sensiblement sur ledit axe et l'orifice d'introduction de la matière brute est placé au centre de la voute, entre les électrodes consommables et débouche à la partie inférieure du dispositif de préchauffage en forme de colonne verticale, centré sur ledit axe central vertical et muni de moyens de descente progressive de la matière à contre-cour-ant des gaz éVAcués. Dans un mode de réalisation préférentiel, le fniir est associé à deux installations d'alimentation électriques, placées symétriquement par rapport à l'axe central et branchées respectivement sur les électrodes correspondantes par des conducteurs ayant deux à deux des formes géométriquement symétriques par rapport à l'axe central De même le four comprend, de préférence, un nombre pair d'électrodes consommables, généralement deux, disposées symétriquement par rapport à l'axe central du four et écartées l'une de l'autre vers la paroi latérale de façon à laisser au centre du four un espace suffisant pour y ménager l'orifice d'introduction de la matière brute.Les orifices de passage des électrodes consommables sont placés aussi près que possible du bord externe de la voute et les électrodes consommables sont divisées suivant une direction inclinée par rapport à la verticale, de telle sorte que les extrémités inférieures des électrodes convergent vers le bas en s'écartant de la paroi latérale de la cuve d'une distance suffisante pour que cette dernière ne voit pas anormalement détériorée par les arcs électriques, les extrémités supérieures divergeant vers le haut pour laisser la place au dispositif de préchauffage. Selon une autre particularité avantageuse, le four comporte un nombre pair de conducteurs de retour comprenant chacun une partie s'étendant à partir de l'électrode au-dessous de la cuve, au moins lesdites parties étant symétriques par rapport à l'axe central vertical. Le four peut en effet comporter un nombre pair d'électrodes de sole branchées chacune sur un conducteur de retour et centrées dans l'un des plans médians du four, généralement le plan longitudinal, mais il est -possible également de placer au centre de la cuve une électrode de sole unique branchée sur deux conducteurs de retour dont au moins les parties s'étendant sous la cuve sont dirigées suivant des directions diamétralement opposées à partir de l'électrode Selon une autre disposition particulièrement avantageuse, l'orifice d'introduction de la matière a une section rectangulaire aussi grande que possible pour s'inscrire dans la voute en laissant entre chaque côté de l'orifice parallèle au plan médian longitudinal et le bord correspondant de la voute, un espace juste nécessaire pour y placer un orifice de passage d'une électrode consommablp. L'orifice d'introduction peut alors couvrir une surface égale à la section transversale du dispositif de préchauffage dont la paroi latérale est placée dans le prolongement des bords de l'orifice, de facon que. dès l'entrée du dispositif de préchauffage, les gaz chauds sortant du four se répandent immédiatement dans la totalité du volume occupé par les ferrailles. Pour permettre le basculement du four, l'extrémité inférieure du dispositif de préchauffage ést séparée de l'orifice d'introduction par un espace laissant un jeu suffisant et recouvert d'un joint d'étanchéité en forme de jupe placé dans le prolongement du dispositif de préchauffage. L'invention sera encore illustrée sans être aucunement limitée par la description suivante de certains modes de réalisation particuliers, donnés à titre d'exemples et représentés sur les dessins annexes. - la fig. 1 est une vue d'ensemble schématique, en coupe par le plan médian transversal, d'un four électrique selon l'invention; - la Fig 2 est une vue de dessus de la cuve, en coupe suivant II-II, (Fig. 1) dans un premier mode de réalisation; - la Fig. 3 est une vue de dessus de la cuve, dans un second mode de réalisation. Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement un four électrique comportant une cuve 1 recouverte par un couvercle 2 en forme de voute. La cuve 1 comprend un fond 11 recouvert d'une sole 12 en matière réfractaire et une paroi latérale 13 également protégée par une matière réfractaire et refroidie par circulation d'eau. Comme on le voit sur les Fig. 2 et 3, la cuve 1 et la voute 2 ont en section horizontale, une forme ovolde allongée définissant une extrémité avant 13 dans laquelle est menaaé un trou de coulée 14 et une extrémité arrière 15 sur laquelle est ménagé un seuil de décrassage Le Le four est monté basculant autour d'un axe transversal x,x', perpendiculaire à l'axe longitudinal y,y Jr l'intermédiaire de tourillons ou, par exemple, de secteurs d'appui circulaires non représentés. D'une facon générale. l'ensemble du four constitué de la cuve 1 et du couvercle 2 est symétrique par rapport à deux plans médians verticaux, respectivement longitudinal P1 et transversal P2. qui se coupent suivant un axe central de symétrie z,z'. Selon une particularité essentielle de l'invention, la voute 2 est munie, dans sa partie centrale, d'un orifice 3 ayant une section aussi grande que possible Normalement, on donnera à l'orifice 3 une section rectangulaire dont les sommets 31 sont placés à proximité des côtés latéraux 10 de la cuve 1. Etant donné la forme arrondie de ces côtés, il reste entre leurs parties centrales et le côté correspondant 7 de l'orifice 3 un espace 22 de largeur l suffisante pour y placer un orifice 21 de passage d'une électrode consommable 4. L'ensemble étant symétrique, on peut placer étalement une électrode consommable 4' de l'autre côté de la cuve, les deux orifices 21, 21' étant symétriques par rapport au plan longitudinal P1. Chaque électrode consommable 4 est fixée à l'extrémité d'un brac 41 porté par un pilier 42 monté coulissant, par exemple par l'intermédiaire de galets 43. sur un bâti fixe 44 le long d'une direction parallèle à l'axe 40 de l'électrode 4. De préférence, l'axe 40 de l'électrode 4 et par conséquent la colonne de support 42 sont inclinés par rapport à la verticale d'un angle A compris par exemple entre 5 et 150 de telle sorte que les extrémités inférieures 45 des deux électrodes 4, 4' convergent vers le bas en s'écartant chacune de la paroi latérale 13, alors que les extrémités supérieures 46 divergent vers le haut en s'écartant de l'axe z,z' Il est ainsi possible de placer directement au-dessus du four un préchauffeur 5 en forme de colonne verticale centré sur l'axe central de symétrie z,z'. Il existe en effet des préchauffeurs à ferraille verticaux en forme de colonne, limités par une paroi latérale cylindrique ou parallélépipédique 51 et à l'intérieur de laquelle sont placés des organes de support symbolisés sur la figure par des plateaux 52 et qui permettent de faire descendre progressivement la ferraille ou autre matière introduite par le haut à contre courant d'une circulation ascendante de gaz chauds. Jusqu'à présent, de tels préchauffeurs étaient utilisés avec d'autres types d'appareils ou bien étaient placés sur le côté du four et reliés a ce dernier par un conduit débouchant dans un orifice placé à une extrémité de la cuve. L'ensemble des dispositions selon l'invention, permet, en associant un tel préchauffeur à un four à courant continu, d'obtenir un rendement énergétique particulièrement excellent. En effet, un four à courant continu peut fonctionner avec deux électrodes consommables au lieu de trois et il est possible, en ecartant celles-ci l'une de l'autre comme indiqué plus haut, de laisser la place d'un orifice 3 de très grande section, celle-ci pouvant être éole à la section transversale d'un préchauffeur 5 d'une capacité correspondant à celle du four. De la sorte, la paroi latérale 51 du préchauffeur peut être placée dans le prolongement des bords 31 de l'orifice 3. L'espace supérieur 20 du four débouche ainsi directement dans la colonne 5 de telle sorte que les gaz chauds produits à l'intérieur de la cuve 1 peuvent se répandre de façon sensiblement homogène. dans l'ensemble du volume interne du préchauffeur 5 dès l'entrée de celui-ci. Mais surtout, l'ensemble de l'équipement électrique du four est disposé symétriquement par rapport à l'axe vertical z,z'; ainsi, compte tenu de la stabilité des arcs obtenus par l'utilisation d'un courant continu, il est possible de faire coincider le centre de la zone de fusion avec le centre géométrique z,z' du four. De la sorte, les gaz les plus chauds montent directement par tirage, dans le préchauffeur 5 formant cheminée et à chaque niveau horizontal du préchauffeur. dès l'entrée de celui-ci, l'ensemble de la section transversale est soumis de façon homoqène sensiblement à la même temnérature. On obtient ainsi le meilleur rendement de préchauffage, la ferraille arrivant à l'intérieur du four à une temoérature très élevée, ce qui permet de baisser la consommation électrique à puissance égale. Plusieurs moyens peuvent être utilisés pour réaliser une installation symétrique et obtenir le centrage de la zone de fusion dans l'axe du four. En particulier, non seulement les électrodes consommables et les électrodes de sole sont réparties symétriquement autour de l'axe, mais les conducteurs d'alimentation des él-ctrodes consommables et, sortant les conducteurs de retour branchés sur les électrodes de sole ont des formes symétriques par rapport à l'axe z,z' au moins dans la partie s'étendant sous la cuve, de telle sorte que l'ensemble de l'installation électrique soit symétrique par rapport au centre du four. Comme on l'a indiqué; on utilise de préférence deux électrodes consommables 4 et 4', centrées dans le plan médian P2 du four et symétriques par rapport au plan longitudinal P1, de même que les conducteurs d'alimentation 47 dont les parties 48 sont placées le long des bras porteurs 41 ou à l'intérieur de ces derniers. Il est, d'ailleurs, avantageux, selon une disposition qui fait l'objet d'un brevet de la même société, d'utiliser des bras porteurs en métal conducteor. A mesure que les conducteurs 71,47 s'éloignent du four, leur influence sur les arcs électriques diminue; il faut respecter autant que possible une symétrie des parties 72,48 situées à proximité du four et du préchauffeur. Cependant, pour obtenir un meilleur résultat, on préfèrera dans certains cas, comme on l'a indiqué sur les figures, utiliser deux installations 6, 6' d'alimentation en courant continu, ces deux installations étant identiques et disposées symétriquement par rapport au centre de symétrie z,z'. Les conducteurs 47 d'alimentation des électrodes 4 et 4' se dirigent directement vers les sources électriques 6 et 6' le long des bras 41, 41' suivant des directions diamétralement opposées. Dans la disposition représentée sur la Fig. 2, le four est muni de deux électrodes de sole 7 et 7', centrées dans le plan médian longitudinal P1 et disposées symétriquement par rapport à l'axe z,z'. Chaque électrode de sole 7, 7' est reliée à la source de courant correspondante 6, 6' par un conducteur 71, 71'. Comme on le voit sur la Figure, les conducteurs de retour 71, 71' ont des formes symétriques par rapport à l'axe z,z' et en particulier, leurs parties 72, 72' situées sous la cuve 1 sont parallèles entre elles. Les arcs électriques, qui se forment à partir de chaque électrode consommable 4, 4' vers l'électrode de sole 7, 7' reliée à la même source de courant 6, 6', sont donc également symétriques par rapport au centre néométrique z,z' du four qui coïncide avec le centre de fusion. En effet, les champs magnétiques produits par les différents organes parcourus par le courant et en particulier les parties 72, 72' des conducteurs de retour s'étendant au-dessous de la cuve ont des influences qui s'équilibrent z i bien de façon à centrer la zone de fusion sur l'axe z,t'. Une autre disposition est représentée sur la Fig. 3. On utilise également deux sources électriques 6, 6' et deux électrodes consommables 4, 4' symétriques par rapport à l'axe vertical z.' mais. dans ce cas, la cuve 1 est munie en son centre d'une électrode de sole unique 73. Pour conserver la symétrie, l'électrode 73 est reliée aux deux sources de courant 6 et 6' par deux conducteurs de retour 74, 74' qui ont des formes symétriques par rapport au centre z,z' et en particulier, dont les parties 75. 75' s'étendant sous la cuve 1 sont dirigées suivant des directions diamétralement opposées. Comme précédemment, les effets magnétiques de l'ensemble de l'équipement électrique sur les arcs s'équilibrent donc de facon à centrer la zone de fusion sur l'axe z,z'. Ce centrage de la zone de fusion sur l'axe z,z' du préchauffeur 5 et la stabilité résultant de la symétrie de l'installation et de l'utilisation du courant continu, permettent donc de concentrer au centre géométrique du four des gaz très chauds qui s'élèvent directement dans le préchauffeur 5 en passant dans l'orifice S de même section et en se réDartissant, donc de façon homogène dans tout le volume disponible ce qui permet de réaliser le préchauffage des ferrailles avec le meilleur rendement. Généralement, le four peut légèrement basculer autour de son axe transversal x,x', pour déverser l'acier par le trou de coulée 14 ou bien de laitier par le seuil 16. L'extrémité inférieure du préchauffeur 5 sera donc écartée de la voûte 2 par un espace 54 laissant le feu nécessaire au basculement et recouvert, en service, par un joint d'étanchéité 55 en forme de jupe placée dans le prolongement du préchauffeur 5 et susceptible d'être relevée pour permettre le basculement du four. Mais 1' invention ne se limite cependant pas aux seules dispositions qui viennent d'être décrites, celles-ci pouvant faire ltobjet d'autres variantes, en particulier en utilisant des moyens équivalents, sans sortir du cadre de protection défini par les revendications. En particulier, on a décrit des installations entièrement symétriques pour obtenir le meilleur résultat possible mais il est clair que la symétrie de l'équipement électrique doit être respectée surtout pour les organes placés à proximité immédiate du four et, en particulier, les parties des conducteurs de retour qui s'étendent sous la cuve et dont l'influence magnétique sur les arcs est prédominante. C'est pourquoi, pour réaliser l'invention, par exemple de façon plus économique, on pourrait utiliser une source électrique unique reliée aux électrodes par des conducteurs contournant la cuve et qui ne prendraient des formes symétriques par rapport à l'axe vertical de symétrie que dans leurs parties proches de la cuve. En outre, on a décrit un préchauffeur, et par conséauent un orifice d'introduction, de formes rectangulaires, mais on pourrait également, par exemple pour mieux utiliser l'espace central de la voute, réaliser un préchauffeur et un orifice de section carrée, circulaire ou autre. D'autre part, en écartant au maximum les électrodes consommables de l'axe, on est amené,- comme on l'a vu à les incliner légèrement de façon que leurs extrémités inférieures ne soient pas trop rapprochées de la paroi latérale du four et cela entraîne une divergence des extrémités supérieures qui favorise l'implantation du préchauffeur mais si cette disposition présentait trop de complications, par exemple dans des installations existantes, on pourrait également utiliser des électrodes verticales un peu plus rapprochées de l'axe de symétrie, ce qui conduirait à donner à l'orifice d'introduction une section inférieure à celle du préchauffeur. Le rendement ne serait plus aussi bon puisque les gaz ne pourraient plus se répartir immédiatement dans l'ensemble du préchauffeur, et, en outre, on serait amené à augmenter la hauteur de l'installation en soulevant le préchauffeur mais une telle installation resterait intéressante grâce au centrage de la zone de fusion résultant de la symétrie de l'équipement électrique. Ainsi l'invention concerne d'une façon aénérale un four électrique à courant continu, pouvant fonctionner avec une alimentation continue de matiere brute métallique, telle que des ferrailles, et procurant des résultats particulièrement intéressants dans la pratique. REVENDICATIONS 1. Four électrique à courant continu de fusion d'une matière brute métallique comprenant une cuve (1) constituée d'un fond (11) recouvert d'une sole (12) et limité par une paroi latérale (13) et une voute (2) de fermeture de la cuve (1) dans laquelle est ménagé un orifice (3) d'introduction de la matière brute (8) et au moins un orifice (211 de passage d'au moins une électrode consommable (4) reliée à une source (6) de courant continu et coopérant avec au moins une électrode fixe (7) placée dans la sole (12) et reliée à la source de courant (6) par au moins un conducteur de retour (71) pour la formation d'au moins un arc électrique entre 1 'électrode consommable (4) et la matière (8) en contact avec l'électrode de sole (7), la cuve (1) et la voute (25 étant symétriques par rapport à deux plans médians verticaux perpendiculaires se coupant suivant un axe central vertical (z,z' ), caractérisé par le fait que l'ensemble de l'équipement électrique comprenant les électrodes consommables (4), les électrodes de sole (7) et au moins les parties (72) des conducteurs de retour (71) passant sous la cuve (1) est disposé autant que possible symétriquement par rapport à l'axe central vertical (z,z') du four de façon que le centre de fusion se maintienne sensiblement sur ledit axe (z,z') et que l'orifice (3) d'introduction de la matiere brute est placé au centre de la voute (2) entre les électrodes consommables (4) et débouche à la partie inférieure d'un dispositif (5) de préchauffage de la matière (80) en forme de colonne verticale, centré sur ledit axe central vertical (z,z' ) et muni de moyens (52) de descente progressive de la matiere (80) à contre courant des gaz évacués. 2. Four électrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est associé à deux installations d'alimentation électrique (6,6') placées symétriquement par rapport à l'axe central (z,z' ) du four et branchées respectivement sur les électrodes (4,4') (7,7') correspondantes par des conducteurs (47, 47', 71, 71') ayant deux à deux des formes aéométriquement symétriques par rapport à l'axe central (z,z'). 3. Four électrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un nombre pair d'électrodes consommables (4,4') disposées symétriquement par rapport à l'axe central (z,z') du four et écartées l'une de l'autre vers la paroi latérale (13) de façon à laisser au centre de la voute (2) un espace suffisant pour y ménager l'orifice (3) d'introduction de la matière brute (8). 4. Four électrique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les orifices (21) de passage des éléctrodes consommables (4) sont placés à proximité de la paroi latérale (13) de la cuve (2) èt que les électrodes consommables (4) sont dirigées suivant une direction inclinée par rapport à la verticale, de telle sorte que leurs extrémités inférieures (45) convergent vers le bas en s'écartant de la paroi latérale (13) d'une distance suffisante pour que cette derniere ne soit pas anormalement détériorée par l'arc électrique. 5. Four électrique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que chaque électrode consommable (4) est portée par un support (42) monté coulissant parallèlement à une direction (40) inclinée par rapport a la verticale. 6. Four électrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un nombre pair de conducteurs de retour (71, 71') comprenant chacun une partie (72, 72') s'étendant à partir de l'électrode en dessous de la cuve, au moins lesdites parties (72, 72') étant symétriques par rapport à l'axe central vertical. 7. Four électrique selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un nombre pair d'électrodes de sole (7, 7') branchées chacune sur un conducteur de retour (71, 71') et disposées symétriquement par rapport à l'axe central (z,z'). 8. Four électrique selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend une électrode de sole unique (7) placée au centre de la cuve et branchée sur deux conducteurs de retour t71 71') dont au moins les parties (72, 72') s'étendant sous la cuve (1) sont dirigées suivant des directions diamétralement opposées à partir de l'électrode unique (7). 9. Four électrique selon la revendication 1, dans lequel la cuve (I) a une forme allnnqée symétrique par rapport à deux plans médians respectivement longitudinal (P1) et transversal (P2), caractérisé par le fait que l'orifice d'introduction (3) a une section rectangulaire aussi grande que possible pour s'inscrire dans la voute (2) en laissant entre chaque côté (32) de l'orifice (3) parallèle au plan médian longitudinal (P1) et le bord correspondant de la voute (2), un espace (22) de largeur (1) juste nécessaire pour y placer un orifice (91) de passage d'une électrode consommable (4). 10. Four électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé apr le fait que l'orifice d'introduction (3) couvre une surface égale à la section transversale du dispositif de préchauffage (5) dont la paroi latérale (51) est placée dans le prolongement des bords de l'orifice (3). 11. Four électrique selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'ensemble du four étant monté basculant autour d'un axe longitudinal transversal (x, x' ), l'extrémité inférieure (53) du dispositif de préchauffage (5) est séparée de la voute (2) par un espace (54) laissant le jeu nécessaire au basculement de la poche et est reliée aux côtés correspondants de l'orifice (3) par un joint d'étanchéité (55), en forme de jupe relevable, placée dans le prolongement du dispositif de préchauffage (5). 12. Four électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à il dans lequel la matiere brute métallique, telle que des ferrailles, est alimentée en continu.