Brevet FR2697398A1 — publié le 19940429

PLAQUES DE CONTACT A FAIBLES PERTES THERMIQUES POUR FOUR A ARC ELECTRIQUE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention objet de la présente demande de brevet concerne le domaine technique des fours à arc et de façon plus précise les dispositifs d'amenée de courant sur les électrodes, c'est-à- dire les plaques de contact et les couronnes. Elle s'applique notamment aux fours à arc immergé du type utilisé par exemple pour la fabrication du silicium. Schématiquement, les dispositifs d'amenée de courant à une électrode de four à arc sont représentés en coupe sur la figure 1. L'électrode (1) peut être de type précuite, en graphite ou en carbone amorphe ou de type Sôderberg à autocuisson. Le dispositif d'amenée de courant se compose essentiellement de plaques de contact (2) reliées à une source de courant non représentée et pressées avec une force réglable contre l'électrode (1) à l'aide de vis de serrage (3) dont les filets se vissent dans les orifices filetés pratiqués dans une couronne (4) entourant ltélectrode. Le serrage des plaques peut également être obtenu en aménageant entre élément de couronne et plaque un embotement de type cylindre/piston maintenu en pression par l'eau du circuit de refroidissement. Ces plaques et cette couronne, au contact de ltélectrode à température élevée et exposées aux flammes du four doivent être refroidies énergiquement et être constituées d'un métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, généralement cuivreux. A titre d'illustration, les intensités passant des barres d'amenée de courant à l'électrode au travers des plaques varient de 10 000 à 200 000 A et la température de l'extremité de l'électrode engagée dans le four dépasse 2000"C. Les couronnes et plaques de contact sont jusqu'à maintenant refroidies par circulation interne d'eau. La température de l'eau à la sortie ne peut guère dépasser 40"C environ, sinon le dégazage de l'eau et son élévation de température locale au voisinage de 100"C en cas de violents soufflards risqueraient de provoquer des bouchons de gaz ou de vapeur qui interrompraient le refroidissement et entraineraient la destruction rapide des plaques. Le brevet européen EP-B-012050 (IRSID) décrit le refroidissement d'une électrode métallique placée par exemple au fond d'un four en insérant un caloduc coaxialement à 1' électrode. Le brevet européen EP-B-044512 ( KORF & FUCHS SYSTEMTECHNIK) décrit un procédé de refroidissement par pulvérisation d'eau de la virole d'un four à arc. Cette pulvérisation ne se produit qu'aux endroits et pendant les périodes où la températuredépasse celle d'ébullition de l'eau et évite ainsi la formation d'un film continu d'eau. La demande de brevet européen EP-A-044513 ( KORF & FUCHS SYSTEMTECHNIK) décrit un procédé de refroidissement de la virole d'un four dans lequel, pour éviter la formation d'un film de vapeur, le liquide de refroidissement est amené en une multitude de points répartis sur la surface et son débit limité de telle sorte qu'aucun film continu de liquide recouvrant toute la surface ne puisse se former. Aucune de ces trois inventions, bien que faisant appel à des techniques de refroidissement d'ailleurs déjà connues dans l'art antérieur, ne prend en compte les exigences particulières de refroidissement des plaques, puisque elles s'adressent soit au refroidissement du coeur d'une électrode, soit au refroidissement de la virole d'un four. EXPOSE DU PROBLEME Le problème que vise à résoudre la présente invention est double: En premier lieu, la méthode de refroidissement des plaques par circulation d'eau sortant à 40"C présente un inconvénient majeur: les plaques étant constituées d'un matériau bon conducteur thermique, le gradient de température à l'intérieur du métal constituant est faible et la surface métallique au contact avec l'électrode est à une température qui n'est pas sensiblement supérieure à celle de l'eau. Il en résulte un flux thermique passant de l'électrode vers l'eau de refroidissement considérable: sur un four de réduction à arc immergé de 20 MW chauffé par trois électrodes équipées chacune de huit plaques de contact, la perte peut atteindre 3 MW soit 15 % de l'énergie électrique du four. En second lieu, afin de limiter la consommation d'énergie électrique pendant les jours de pointe, les producteurs d'électricité proposent des tarifs plus avantageux en-dehors de ces jours de pointe. Cela conduit à arrêter les fours pendant par exemple 18 heures consécutives. L'on conçoit que ce régime d'arrêts et de redémarrages alternés provoque des chocs thermiques importants dans les électrodes des fours à arc qui risquent d'entrainer des ruptures d'électrodes au redémarrage. La demanderesse a donc été amenée à étudier la cartographie des températures dans une électrode en régime stationnaire de marche et en régime transitoire d'une séquence arrêt-redémarrage. Cette étude a permis d'évaluer et de localiser les forts gradients thermiques générateurs de contraintes mécaniques.Ces gradients et donc les contraintes mécaniques qui en résultent sont les plus élevés à proximité des plaques de contact et c'est effectivement à cet endroit que se produisent le plus souvent les ruptures d'électrodes. Cette étude a également montré que les gradients thermiques, en régime stationnaire comme en régime transitoire, sont d'autant plus marqués que les plaques sont plus froides et que l'on pouvait pratiquement rétablir une cartographie régulière des températures dans une électrode en portant la température des plaques vers 300 C-350 C. Dans ces conditions, les isothermes ne présentent plus de distorsion au voisinage des plaques. OBJETS DE L'INVENTION L'invention a pour objet un procédé d'alimentation en courant électrique d'électrodes de four à arc à l'aide de plaques de contact appliquées contre les électrodes par l'intermédiaire d'une couronne, caractérisé en ce que la couronne et/ou les plaques fonctionnent en régime de marche normale à une température comprise entre 80 et 400 C. L'invention a également pour objet des dispositifs d'amenée de courant composés de plaques et couronnes dont la matière et/ou la structure et/ou les dispositifs de refroidissement particuliers permettent un tel fonctionnement à haute température. DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 représente schématiquement le dispositif d'amenée de courant sur une électrode de four à arc de l'art antérieur. La figure 2 représente un dispositif de refroidissement d'une plaque et d'une couronne basé sur le principe du caloduc conformément à l'une des réalisations de l'invention. DESCRIPTION DE L'INVENTION. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, une température des plaques et couronnes de l'ordre de 300-350"C permet d'effacer à peu près complètement la distorsion des isothermes au voisinage des plaques. I1 est clair que des températures légèrement supérieures auront le même effet. L'invention n'est cependant pas limitée à l'utilisation de températures égales ou supérieures à 300"C. Toute élévation sensible de la température, par exemple jusqu'à 80 C et au-delà produira une diminution notable des gradients et donc des contraintes. Cependant il n'est guère possible de dépasser une température de 400"C au-delà de laquelle le métal constituant les plaques perdra ses caractéristiques mécaniques et aura trop tendence à s'oxyder. I1 a également été indiqué que le procédé classique de refroidissement par circulation interne d'eau à l'intérieur des plaques et couronnes n'était applicable qu'en-dessous d'une température de 40"C environ. La solution du problème nécessitait donc pour la fabrication des plaques l'utilisation d'un matériau doté de meilleures caractéristiques à chaud et d'une meilleure résistance à l'oxydation et pour le refroidissement des plaques l'application à ce problème spécifique d'autres principes de refroidissement. Les plaques et couronnes de l'art antérieur sont généralement des pièces moulées en cuivre, alliage cuivreux de type Cu-Cr ou acier. Afin d'obtenir la résistance recherchée à l'oxydation, ces alliages pourront être remplacés ou par un alliage à base de fer de type fer-nickel-chrome ou par un alliage à base de nickel de type nickel-cuivre-chrome comprenant au moins 60 % de l'élément de base. Il est également possible d'utiliser les alliages de l'art antérieur sous réserve de leur appliquer un traitement de surface contre l'oxydation. En ce qui concerne le refroidissement, trois variantes ont été expérimentées: A) Utilisation d'un fluide caloporteur liquide sous pression atmosphérique dans un domaine de température assez large: 0 200"C ou de préférence 0-300 C. Peuvent ainsi s'utiliser: -les liquides organiques comme le glycol, les mélanges eau-glycol, des huiles, hydrocarbures ou esters, des huiles de silicone; -certains métaux fondus ainsi que leurs alliages comme le sodium ou l'alliage eutectique sodium-potassium. Ce fluide caloporteur circule dans des canaux pratiqués à l'intérieur des plaques de la même façon que l'eau; l'évacuation des calories se fait par la chaleur sensible du fluide qui augmente de température entre l'entrée et la sortie et met en jeu des phénomènes de conduction et de convection. A la différence de liteau, ces fluides travaillent toujours en circuit fermé: à la sortie de la plaque, le fluide est refroidi dans un échangeur à eau ou à air, soit extérieur, soit intégré à la plaque. Cette méthode nécessite de réguler le refroidissement du liquide caloporteur pour assurer son maintien à une température de consigne. B) Utilisation d'eau pulvérisée. Une cavité interne est aménagée dans la plaque. Cette cavité possède une paroi sensiblement parallèle à la surface de la plaque en contact avec l'électrode, à faible distance de celle-ci et s'étendant de préférence sur la majeure partie de cette surface. Des gicleurs disposés à l'intérieur de la cavité pulvérisent de l'eau sur cette paroi chaude au contact de laquelle l'eau se vaporise. La vapeur formée est alors pompée à l'extérieur de la plaque par un circuit maintenu à basse pression, environ 150 hPa, au moyen d'une pompe à anneau liquide par exemple. Cette variante nécessite une mesure de la température de la plaque et la régulation du débit d'eau injectée en fonction d'une valeur de consigne de la température de la plaque. C) Utilisation d'un refroidissement par changement de phase liquide-vapeur en circuit fermé de type "caloduc". La figure 2 représente un tel système. La plaque comprend une cavité interne fermée (10) dans laquelle on fait le vide et dans laquelle on introduit une fois pour toutes une quantité convenable d'un liquide vaporisable approprié. Cette cavité comprend deux chambres: une chambre de refroidissement (11) et une chambre de condensation (12). La partie de la plaque (13) en contact avec l'électrode (14) d'axe (15) ainsi que la partie inférieure de la plaque (16) exposée aux flammes et aux soufflards sont refroidies par vaporisation du liquide dirigé vers la paroi interne de la chambre côté de l'électrode (17). Ce liquide provient de la chambre de condensation (12); il est recueilli par des déflecteurs disposés de préférence sur deux niveaux et alternés (18). Une série d'autres déflecteurs (19), disposés à proximité de la paroi interne de la chambre de refroidissement permettent la répartition régulière du liquide sur toute la hauteur de la plaque de contact. Le liquide se vaporise en permanence le long de la paroi de la chambre de refroidissement et la vapeur se recondense au contact de la paroi froide de la chambre de condensation (20). Cette paroi (20) est maintenue froide par une chambre à circulation d'eau (21) munie d'une entrée (22) et d'une sortie (23). Si la chambre à circulation d'eau est en cuivre, un manchon (24) en métal moins conducteur tel l'inox peut être placé entre la chambre et l'électrode. Le même principe peut s'appliquer à la couronne de pression représentée en coupe sur cette même figure 2. On reconnait la chambre de refroidissement (25), la chambre de condensation (26), les déflecteurs (27), la chambre à circulation d'eau (28), munie d'une entrée (29) et d'une sortie (30). Ce procédé présente deux avantages: - aucune régulation de température n'est nécessaire: la tension de vapeur du fluide et sa masse fixent la pression en cas de surchauffe accidentelle; en effet, si tout le liquide passe à l'état de vapeur, la pression atteinte est donnée par la formule P = nRT/V, dans laquelle V est le volume de la cavité interne (10) et n le nombre de moles de fluide de masse molaire M. V est fixé par construction; l'on choisit la masse de fluide introduit m = nM pour obtenir une valeur définie de P à une température T, par exemple 1500 hPa à 450"C. - la plaque se présente extérieurement comme une plaque classique avec une arrivée et un départ d'eau de refroidissement. Comme fluide on peut choisir parmi: - le mercure qui, sous pression atmosphérique se solidifie à -39 C et bout à 357"C. A 300"C, sa tension de vapeur est de 248 torr = 330 hPa ce qui est une valeur très interessante, ni trop faible, ni trop forte; - des halogénures métalliques tels GaCl3, NbF5, TiBr4, TiI4. A titre indicatif, les points de fusion et les tensions de vapeur TiBr4 et TiI4 sont les suivantes: TiBr4 TiI4 Point de fusion: 39"C 1500C Tension de vapeur: 13,3 hPa = 10 torr 90"C 191"C 53,2 hPa = 40 torr 123"C 238"C 133 hPa = 100 torr 149"C 275"C 266 hPa = 200 torr 172"C 306"C 1013 hPa = 760 torr 222"C 377"C Ce tableau montre qu'avec TiBr4, on ne peut guère envisager une température de la plaque supérieure à 200"C. Avec TiI4, au contraire, la plaque peut être maintenue à 350"C, mais le point de fusion relativement élevé risque de provoquer la solidification de TiI4 dans la chambre de condensation. Il est possible d'éviter cet incident en construisant cette chambre en acier inoxydable au lieu de cuivre. La conductivité thermique plus faible de l'acier permettra alors, grâce au gradient thermique plus élevé dans l'épaisseur de la chambre, de maintenir la paroi au-dessus de 150 C. Cependant on préferera la solution consistant à utiliser un mélange de TiBr4 et de TiI4, par exemple 50 %-50 %, ce qui abaisse la température de solidification du mélange, tout en conservant une tension de vapeur convenable jusque 377"C. - des liquides organiques dans leur domaine de stabilité - de l'eau distillée ce qui limitera la température des plaques à 100 C, mais constituera cependant un gain non négligeable par rapport à une plaque classique. EXEMPLES Exemple 1. Sur un four triphasé de puissance 10 MW produisant du ferrosilicium, on a, sur une des trois électrodes, substitué à l'une des huit plaques classiques une plaque construite en acier inoxydable 304 L refroidie intérieurement par pulvérisation d'eau distillée. A la puissance de 10 MW, on a mesuré sur l'ensemble des 23 plaques classiques un débit d'eau de 172 m3/h et une élévation de température entre la sortie et l'entrée de 7"C, ce qui représente une perte thermique de 61 kW par plaque soit 14 % de la puissance électrique du four. Sur la plaque selon l'invention, le débit d'eau pulvérisée était asservie à la température de la plaque mesurée au moyen d'un thermocouple. Pour une température de consigne de la plaque de 1200C, la consommation d'eau distillée a été de 55 kg/h, ce qui représente une puissance absorbée d'environ 35 kW, soit seulement 57 % de la perte thermique d'une plaque classique. Pour une température de consigne de la plaque de 250"C, la consommation d'eau distillée a été de 39 kg/h, ce qui représente une puissance absorbée d'environ 25 kW, soit seulement 40 % de la perte thermique d'une plaque classique. Exemple 2. Sur le même four que celui de l'exemple 1, le circuit de refroidissement des 8 plaques d'une même électrode a été alimenté avec de l'huile minérale tournant en circuit fermé et traversant, à la sortie des plaques, un échangeur huile/eau d'où elle est renvoyée dans le circuit de refroidissement des plaques. La température de l'huile à l'entrée des plaques a été régulée à 120 C en faisant varier le débit d'eau dans l'échangeur. Le débit d'huile a été régulé pour limiter l'élévation de température de l'huile à 50"C, soit 170 C à la sortie des plaques. On a ainsi constaté un régime stationnaire avec un débit d'eau dans l'échangeur de 54 m3/h pour une augmentation de température de l'eau de 4,2"C, soit une perte thermique pour cette électrode de 264 kW au lieu de 490 kW pour chacune des deux autres. Exemple 3. Sur un four triphasé de 600 kW équipé de trois électrodes de diamètre 450 mm, on a effectué une fabrication de ferro-silicium à 75 % de silicium. Chaque électrode était équipée de trois plaques de contact identiques. Les électrodes 2 et 3 étaient équipées de plaques classiques refroidies à l'eau. L'électrode 1 était équipée de 3 plaques en acier construites suivant la figure 2. Dans chacune des chambres à effet caloduc (10), on a introduit 80 g de mercure. En exploitation normale pour une puissance moyenne du four de 580 kW, on a constaté sur cette électrode 1 une stabilisation de la température des plaques vers 265"C. Sur les trois électrodes l'eau de refroidissement arrivait à la température de 8,2 "C. A la sortie de l'électrode 1, on a mesuré un débit d'eau de 4,1 m3/heure et une température d'eau de 10,7"C, à la sortie de l'électrode 2, un débit d'eau de 4,3 m3/heure et une température d'eau de 15,1"C, à la sortie de l'électrode 3, un débit d'eau de 3,9 m3/heure et une température d'eau de 15,5"C. Les flux thermiques évacués par chaque électrode ressortaient donc à: 11,9 kW pour l'électrode 1 34,5 kW pour l'électrode 2 33,0 kW pour l'électrode 3 Ainsi le refroidissement des électrodes équipées de plaques classiques consommait-il par électrode de 5,7 à 5,9 % de l'énergie du four alors que le refroidissemnt de l'électrode équipée d'un système caloduc selon l'invention n'en consommait que 2,1 %. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amenée de courant sur des électrodes de four à arc à l'aide d'un système constitué de plaques de contact et de couronnes de serrage caractérisé en ce que les plaques de contact et/ou les couronnes fonctionnent en marche normale à une température comprise entre 80 et 400"C. 2. Dispositif d'amenée de courant sur des électrodes de four à arc à l'aide d'un système constitué de plaques de contact et de couronnes de serrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques de contact et/ou les couronnes sont refroidies par circulation forcée d'un fluide intermédiaire liquide dans un domaine de température compris entre 0 et 300"C lui-même refroidi à l'eau à la sortie des plaques dans un échangeur avant d'être renvoyé dans le circuit de refroidissement des plaques. 3. Dispositif d'amenée de courant selon la revendication 2 caractérisé en ce que le fluide intermédiaire est du sodium ou l'alliage eutectique sodium-potassium. 4. Dispositif d'amenée de courant selon la revendication 2 caractérisé en ce que le fluide intermédiaire est un liquide organique ou un mélange homogène eau-liquide organique. 5. Dispositif d'amenée de courant sur des électrodes de four à arc à l'aide d'un système constitué de plaques de contact et de couronnes de serrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques de contact sont munies d'une cavité interne présentant une paroi s'étendant parallèlement à la majeure partie de la surface de la plaque en contact avec l'électrode et à faible distance de cette surface, en ce que des gicleurs disposés à l'intérieur de cette cavité pulvérisent de l'eau sur la dite paroi et en ce que le dispositif est muni d'une pompe qui extrait la vapeur formée au contact de ladite paroi à l'extérieur de la plaque par un circuit maintenu à basse pression. 6. Dispositif d'amenée de courant sur des électrodes de four à arc à l'aide d'un système constitué de plaques de contact et de couronnes de serrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques de contact et/ou les couronnes sont refroidies par un système de caloduc comportant les éléments suivants: -une cavité interne fermée (10) dans laquelle on fait le vide et dans laquelle on introduit une quantité convenable d'un liquide vaporisable approprié et comprenant deux chambres: une chambre de refroidissement (11) dans laquelle le liquide se vaporise au contact de la partie de la plaque (13) en contact avec l'électrode (14) ainsi que de la partie inférieure de la plaque (16) exposée aux flammes et aux soufflards et une chambre de condensation (12) dans laquelle le liquide vaporisé se recondense au contact de la paroi froide de la chambre de condensation (20); -une chambre à circulation d'eau (21) munie d'une entrée (22) et d'une sortie (23) permettant de maintenir froide la paroi (20) de la chambre de condensation (12); -une première série des déflecteurs disposés de préférence sur deux niveaux et alternés (18) destinés à recueillir le liquide condensé au contact de la paroi froide (20) de la chambre de condensation (12) et à le diriger vers la paroi interne de la chambre côté de l'électrode (17);; -une deuxième série de déflecteurs (19), disposés à proximité de la paroi interne de la chambre de refroidissement permettant la répartition régulière du fluide sur toute la hauteur de la plaque de contact. 7. Dispositif d'amenée de courant selon la revendication 6 caractérisé en ce que le liquide vaporisable est du mercure. 8. Dispositif d'amenée de courant selon la revendication 6 caractérisé en ce que le liquide vaporisable est un halogénure métallique ou un mélange d'halogénures métalliques. 9. Dispositif d'amenée de courant selon la revendication 8 caractérisé en ce que le liquide vaporisable est mélange de TiBr4 et de TiI4. 10. Dispositif d'amenée de courant selon la revendication 6 caractérisé en ce que le liquide vaporisable est un liquide organique. 11. Dispositif d'amenée de courant selon la revendication 6 caractérisé en ce que le liquide vaporisable est de l'eau distillée. 12. Dispositif d'amenée de courant selon l'une des revendication 2 à 11 caractérisé en ce que les plaques et/ou couronnes sont construites en un alliage à base de fer de type fer-nickel-chrome, ou en un alliage à base de cuivre de type cuivre-chrome, ou enfin en un alliage à base de nickel de type nickel-cuivre-chrome, chaque alliage comprenant au moins 60 % de l'élément de base. 13. Dispositif d'amenée de courant selon l'une des revendication 2 à 11 caractérisé en ce que les plaques et/ou couronnes sont construites en un alliage à base de fer ou en un alliage à base de cuivre de l'art antérieur auxquelles on a appliqué un traitement de surface contre l'oxydation.