Brevet FR2707379A1 — publié le 19950113

FOUR A ARC A COURANT CONTINU POUR LA FUSION DES METAUX La présente invention concerne un four à arc à courant continu pour la fusion des métaux, notamment de l'acier, et plus particulièrement l'implantation dans un tel four d'une électrode de sole. I1 est connu d'utiliser dans les fours de ce type, une électrode de sole constituée d'un barreau en métal qui traverse la paroi de fond du four en affleurant par une extrémité la surface supérieure du revêtement réfractaire de la cuve du four. Ce barreau est lié mécaniquement à la cuve du four par un dispositif de fixation qui assure également la connexion électrique entre le barreau et l'alimentation en électricité. Ce dispositif comporte par exemple une chemise refroidie en matériau électro-conducteur qui entoure l'extrémité inférieure du barreau, débordante sous la cuve du four, cette chemise étant isolée électriquement de la cuve sur laquelle elle est fixée. Dans des systèmes de fixation connus, la chemise refroidie comporte à son extrémité supérieure une collerette, laquelle est fixée sous la cuve. La partie supérieure du barreau, est entourée d'une virole ou de plusieurs viroles superposées en matériau réfractaire, sur sensiblement toute l'épaisseur du revêtement réfractaire du four. Ces viroles forment donc un puits en matériau réfractaire dans le prolongement vers le haut de la chemise du dispositif de fixation et s'appuyant sur cette chemise. Ce puits permet de contenir le métal liquéfié résultant de la fusion du barreau lors du fonctionnement du four. Le niveau du front de fusion (limite entre la partie solide et la partie fondue du barreau) varie en fonction de la hauteur de ce puits, qui a tendance à diminuer simultanément à l'épaisseur de la sole réfractaire, par l'usure qui se produit lors d'une campagne de fonctionnement. Ce niveau reste cependant normalement un peu au-dessus de l'extrémité inférieure du puits réfractaire, ceci étant dû à l'effet refroidissant de la chemise refroidie qui se trouve immédiatement sous les viroles réfractaires. I1 en résulte que le métal fondu reste toujours contenu à sa périphérie par le puits réfractaire et vers le bas par la partie solidifiée du barreau. Par ailleurs, la ou les viroles réfractaires sont entourées d'un pisé réfractaire, qui constitue la majeure partie du revêtement interne de la cuve, sur une épaisseur de l'ordre de 1 m. Lors de la marche du four, il se produit une usure de ce pisé, qui est classiquement compensée, au moins partiellement, par un ajout de pisé neuf effectué périodiquement lors d'une campagne de fonctionnement. Ces ajouts permettent de prolonger la durée de vie de la sole entre deux réfections complètes. Cependant, il a ete constaté que les viroles réfractaires subissaient, en plus de l'usure consécutive à celle de la sole, une usure interne, à partir de leur surface interne en contact avec le métal du barreau. Cette usure conduit à une réduction d'épaisseur des viroles, et donc à leur fragilisation avec des risques de fissurations. Que ce soit par ladite réduction à'épaisseur, ou par les fissures induites, le métal liquéfié du barreau, ou certains composants de ce métal, peuvent s'infiltrer, à travers les viroles, dans le pisé avoisinant, ce qui, d'une part, nuit à l'isolation électrique du barreau par rapport à la cuve du four et, d'autre part, provoque un durcissement du pisé par frittage. Ce durcissement limite les capacités de déformation du pisé, et, en conséquence, celles des viroles qui se trouvent ainsi soumises à de très fortes contraintes mécaniques lors des variations de températures subies lors du fonctionnement du four. Pour tenter de limiter cette usure, il a déjà été proposé de réaliser les viroles sous forme de pièces pressées en magnésie-carbone. On vise ainsi à exploiter les caractéristiques antimouillantes du carbone vis-à-vis du métal fondu du barreau et des oxydes qu'il contient, ce qui tend à limiter les infiltrations de ces éléments dans le réfractaire des viroles. De plus une telle composition est supposée offrir une bonne résistance aux chocs thermiques, grâce à la bonne conductibilité thermique du carbone. Par contre des infiltrations métalliques dans des viroles de ce type peuvent provoquer une dissolution du carbone, et former un alliage fer-carbone à forte teneur en carbone. Ce composé a une basse température de fusion, et il est donc susceptible de se rapprocher, par migration dans le pisé, de la cuve du four, nuisant ainsi à l'isolation électrique. De plus cette dissolution du carbone, ou son oxydation, conduisent à accroitre la porosité du matériau constitutif des viroles, et donc à accroître les risques d'infiltration de métal. La présente invention a pour but d'apporter une nouvelle solution à ces problèmes, et d'éviter ou au moins de réduire l'usure des viroles et les risques d'affaiblissement de l'isolation électrique entre le métal du barreau et la cuve du four. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un four à arc à courant continu comportant une électrode de sole comprenant un barreau métallique qui traverse la paroi de fond de la cuve du four et la sole réfractaire de ce four, et une ou plusieurs viroles réfractaires entourant ledit barreau sur toute l'épaisseur de la sole. Selon l'invention, le four est caractérisé en ce que la ou lesdites viroles sont réalisées en un béton de granulats de magnésie ou d'alumine, de spinelle et d'un liant phosphatique ou d'un liant hydraulique. La composition essentiellement magnésienne et alumineuse de ces viroles leur donne une grande résistance à la corrosion par les oxydes liquides contenus dans le métal fondu du barreau. La réalisation sous forme de pièces moulées en béton leur confère une faible porosité, et on a pu constater que l'utilisation de ce béton conduit à la création, à la surface interne des viroles en contact avec le métal du barreau, d'une couche de produits de réactions enrichie en spinelle, qui protège les viroles de l'usure et étanchéifie le matériau. En conséquence, les risques d'infiltration de métal ou d'oxydes sont réduits, de même que le frittage du pisé entourant les viroles, car ce frittage est accentué par ces infiltrations. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va être faite à titre d'exemple d'un four à arc à courant continu pour la fabrication de l'acier. On se reportera à l'unique dessin annexé qui est une vue partielle du four, en coupe selon l'axe d'une électrode de sole. On n'a représenté que la partie du four avoisinant l'électrode de sole. Le four comporte une cuve à paroi métallique 1 revêtue intérieurement d'un garnissage de brique 2 et de pisé 3 réfractaires formant la sole. Dans la zone d'implantation de l'électrode de sole, la paroi 1 porte une bride 8 de renfort, qui lui est solidarisée par des boulons, représentés uniquement par leurs axes 9, avec interposition d'une plaque isolante 10. L'ensemble paroi 1 et bride 8 comporte un orifice 4 circulaire dans lequel passe un barreau 5 en acier dont l'extrémité supérieure affleure la surface 31 de la couche de pisé 3. L'extrémité inférieure 51 du barreau 5 est entourée par une chemise refroidie 6 pourvue d'une collerette 7 fixée sur la bride 8. Au-dessus de la chemise 6, le barreau 5 est entouré par des viroles 11, 12, 13 réfractaires superposées sur toute l'épaisseur de la sole, et maintenues par le pisé 3 qui les entoure. L'ensemble de ces viroles forme un puits qui contient le métal liquide résultant de la fusion du barreau 5 lors du fonctionnement du four. La virole inférieure 11 repose directement, par son extrémité inférieure, sur la chemise refroidie 6, et se trouve de ce fait partiellement au niveau de la paroi 1 et de la bride 8. La virole supérieure 13 affleure la surface supérieure 31 du pisé. Au cours d'une campagne de fonctionnement, le barreau 5 fond partiellement et se resolidifie périodiquement. Lorsque le four est en service, pour fondre la charge de ferrailles, le barreau 5 fond progressivement puis la fusion se stabilise lorsque le front de fusion se rapproche de la chemise refroidie. Lors des arrêts du four, par exemple èn fin de semaine, le barreau refroidit et se resolidifie. De ce fait les viroles sont soumises à des cycles thermiques qui provoquent des déformations de dilatation et contraction. Ces déformations sont normalement absorbées par le pisé avoisinant qui, à cette fin, doit rester suffisamment meuble. Ce pisé est un pisé magnésien dont la composition varie en fonction de la position dans l'épaisseur de la sole. Au voisinage de la virole inférieure, on utilise un pisé très pur à forte teneur en magnésie, par exemple a plus de 98 % de MgO. Plus haut, au voisinage des viroles intermédiaire 12 et supérieure 13, on utilise un pisé de magnésie et de chaux, ayant de 75 à 90 % de MgO et de 20 à 8 % de CaO, par exemple d'environ 86 % de MgO et 9 % de CaO pour le pisé situé audessus du pisé de magnésie très pur, et 77 % de MgO et 18 % de CaO pour le pisé de surface de sole. Les viroles sont réalisées en béton de composition magnésienne et/ou alumineuse. Selon une première réalisation, ce béton est formé de granulats de magnésie et de fines de spinelle (Mgo-A1203), avec un liant phosphatique. Préférentiellement ce béton est formé avec de 60 à 90 % de granulats de magnésie et de 10 à 40 % de spinelle, et sa composition est de - 5 à 30 % de Al203 - 1 à 4 % de P205 - 1 à 4,5 % de CaO - le reste étant de la magnésie MgO, avec des traces de Six2, Na20, Fe203. Un tel béton, formé par exemple avec 66 % de granulat de magnésie et 29 % de spinelle, a une composition pondérale de 73,6 % de MgO, 19,1 % de A1203, 1,3 % de CaO, 0,8 % de Silo2, 1,4 % de P205, 0,8 % de Na2O et 0,1 % de Fe203. Avec des viroles ayant cette composition, on a constaté une réduction de l'usure des viroles due à la formation à la surface interne de celles-ci d'une couche de produits de réaction résultant de l'action des oxydes liquides, notamment Silo2, provenant du métal fondu du barreau 5, avec les constituants de la virole. Les inventeurs ont en effet découvert que si les flux de ces oxydes à travers la virole ont pour effet de dissoudre le liant phosphaté et les grains de magnésie, cette dissolution conduit à un enrichissement en spinelle de la surface interne des viroles, la couche riche en spinelle formant une barrière qui limite les infiltrations desdits oxydes et du métal de base du barreau. Par ailleurs, lorsque le béton et/ou le pisé comportent de la chaux (par exemple dans le cas d'une composition de béton à 4,5 % de CaO), les phosphates du liant, dissous par les liquides silicatés, et qui auraient tendance à migrer profondément dans le pisé d'entourage, sont en fait également bloqués par leur réaction avec la chaux du béton et du pisé, réaction qui forme des silicophosphates calciques à haut point de fusion, qui précipitent dans le pisé à proximité de l'électrode ou même dans les viroles, dès lors que, en s'éloignant du barreau fondu, leur température diminue. De ce fait, le frittage du pisé, qui se produirait à cause des infiltrations de phosphates, est limité et le pisé entourant les viroles reste suffisamment meuble pour absorber les déformations de ces dernières. Selon une autre réalisation, le béton est formé de granulats d'alumine et de spinelle avec un liant hydraulique du type à basse ou ultrabasse teneur en ciment. Préférentiellement on utilise de 60 à 90 % de granulats d'alumine et de 10 à 40 % de spinelle, avec moins de 10 % de liant hydraulique, la composition du béton obtenu étant - de 0,5 à 15 % de MgO - de 0,1 à 4 % de CaO - le reste étant de l'alumine A1203 , avec des traces de Sio2 Na2O, Fe203, et ne comportant pas de phosphates. Un tel béton réalisé par exemple avec 77 % de granulats d'alumine et 21 % de spinelle a une composition de 6 % de MgO, 92 % de A1203, 1,7 % de CaO, 0,4 % de Sio2. Dans ce cas la couche protectrice des produits de réaction formée à la surface des viroles est moindre, mais l'imprégnation du béton par les oxydes liquides reste superficielle puisque le liant n'est pas dissous. Il en résulte donc également une faible migration des oxydes à travers les viroles et peu de frittage du pisé d'entourage. REVENDICATIONS 1) Four à arc à courant continu comportant une électrode de sole comprenant un barreau métallique (5) qui traverse la paroi (1) de fond de la cuve du four et la sole (3) réfractaire de ce four, et une ou plusieurs viroles (11,12,13) réfractaires entourant ledit barreau sur toute 1' épaisseur de la sole, caractérisé en ce que la ou lesdites viroles sont réalisées en un béton de granulats de magnésie ou d'alumine, de spinelle et d'un liant phosphatique ou d'un liant hydraulique. 2) Four selon la revendication 1, caractérisé en ce le béton est fabriqué à partir de granulats de magnésie, de spinelle et d'un liant phosphatique. 3) Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que le béton est formé avec de 60 à 90 % de granulats de magnésie et de 10 à 40 % de spinelle. 4) Four selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la composition pondérale du béton est - de 5 à 30 % de A1203 - de 1 à 4,5 % de CaO - de 1 à 4 % de P205 le reste étant de la magnésie, et des traces de SiO2, Na2O, Fe203. 5) Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le béton est fabriqué à partir de granulats d'alumine, de spinelle et d'un liant hydraulique. 6) Four selon la revendication 5, caractérisé en ce que le béton est fabriqué avec des granulats comportant de 60 à 90 % d'alumine, et de 10 à 40 % de spinelle, et moins de 10 % de liant hydraulique. 7) Four selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la composition pondérale du béton est - de 0,5 à 15 % de MgO - de 0,1 à 4 % de CaO le reste étant de l'alumine, et des traces de Silo2, Na2O, Fe203. 8) Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sole est formée d'un pisé magnésien. 9) Four selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pisé situé vers le fond du four est un pisé à plus de 98 % de MgO. 10) Four selon la revendication 8, caractérisé en ce que la sole en pisé est essentiellement constituée d'un pisé de magnésie et de chaux ayant - de 75 à 90 % de MgO, - de 20 à 8 % de CaO.