Brevet FR2707377A1 — publié le 19950113

FOUR A ARC A COURANT CONTINU 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. Pour assurer une fixation efficace, la cuve métallique est renforcée, autour de l'orifice de passage du barreau par une bride liée à la cuve, cette bride, qui peut être épaisse, permettant par ailleurs de rallonger le barreau. 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, 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. Le puits réfractaire est généralement formé de plusieurs viroles superposées. Le système de fixation conduit à ce que l'extrémité supérieure de la chemise refroidie soit située en dessous du fond de cuve, et donc que la virole réfractaire inférieure soit située, en partie au moins, au niveau de la paroi de cuve et de la bride de renfort. I1 a été constaté que la partie inférieure du puits subissait une usure plus accentuée que les viroles réfractaires situées plus haut, cette usure se manifestant notamment par des fissurations de la virole réfractaire inférieure. Cette usure est d'autant plus gênante qu'elle concerne la partie inférieure du puits et nécessite pour pouvoir être réparée de remplacer l'ensemble du montage réfractaire formant le puits, alors que la ou les viroles situées plus haut pourraient durer plus longtemps. La présente invention a pour but de résoudre ce problème, de limiter l'usure de la partie inférieure du puits et ainsi d'augmenter la durée de vie du montage réfractaire et donc de réduire les interventions de remise en état de celui-ci et de la sole réfractaire. 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 par un orifice ménagé dans cette paroi, le barreau ayant une direction axiale sensiblement perpendiculaire à ladite paroi et affleurant la surface supérieure du revêtement réfractaire de cette paroi, et au moins une virole réfractaire entourant ledit barreau au niveau dudit orifice. Selon l'invention, le four est caractérisé en ce que la distance, perpendiculairement à la direction axiale, entre la virole réfractaire et le pourtour de l'orifice est supérieure ou égale à 100 mm, et le rapport entre cette distance et l'épaisseur de la paroi autour de l'orifice est supérieure à 0,4, l'espace ménagé ainsi entre la virole et la paroi est comblé par un pisé meuble non sujet au durcissement ou au frittage. Grâce à l'invention, on a pu constater une réduction sensible de l'usure de la virole réfractaire au niveau du passage à travers la paroi de la cuve, et une nette augmentation de la durée du montage réfractaire. Ce résultat particulièrement avantageux a pu être expliqué de la manière suivante. Lors de l'utilisation dans un four à arc à courant continu d'une électrode de sole du type indiqué ci-dessus, c'est-à-dire comportant une virole réfractaire entourant le barreau métallique au niveau de son passage dans l'orifice de la cuve, cette virole est soumise à de fortes contraintes d'origine thermique. En effet, d'une part elle est située directement au contact de la chemise refroidie, et d'autre part, elle subit d'importantes variations de température dues aux cycles de fusion et resolidification du barreau métallique, qui amènent périodiquement sa surface interne au contact du métal liquéfié résultant de la fusion dudit barreau. De plus, comme cette virole est située, au moins en partie, dans l'orifice de la paroi métallique de la cuve, il en résulte un effet de bridage mécanique de la virole par cette paroi rigide, ce bridage étant d'autant plus accentué que la hauteur de virole qui y est soumise est grande. L'interposition entre la virole et la cuve d'une couche épaisse de pisé qui reste meuble en service présente l'avantage que la paroi de la cuve se trouve éloignée de la virole et les déformations de la virole peuvent se faire plus librement, l'effet de bridage par la cuve étant réduit, et le pisé gardant, par son épaisseur importante, une certaine souplesse qui autorise lesdites déformations. En effet, lorsque l'épaisseur de pisé entre la virole et la paroi de la cuve est supérieure à 100 mm et que le rapport entre cette épaisseur et l'épaisseur de la paroi est supérieur à 0,4, le volume de pisé situé entre virole et paroi est suffisamment épais, dans la direction radiale, pour accepter la compression provoquée par la dilatation de la virole, et de hauteur suffisamment réduite, dans la direction axiale, pour que les effets de cette compression puissent se traduire par une déformation du pisé dans cette direction. Ces mécanismes sont d'autant plus aisés que le pisé est meuble, et le reste en service. Préférentiellement, on utilisera un pisé magnésien. L'utilisation d'un pisé magnésien très pur, qui n'a pas tendance au frittage, réduit les risques d'un durcissement de ce pisé, durcissement qui pourrait conduire au blocage de la dilatation de la virole, et donc à l'augmentation des contraintes mécaniques auxquelles elle est soumise. Par ailleurs, lors du fonctionnement et de la fusion du barreau, des oxydes contenus dans ce dernier peuvent s'infiltrer à travers la virole réfractaire au risque de provoquer un frittage du pisé entourant la virole. Pour éviter ce frittage, la virole inférieure est avantageusement réalisée en un matériau réfractaire le plus étanche possible aux oxydes, tel qu'un réfractaire de composition magnésienne et alumineuse, qui résiste à la corrosion par les oxydes liquides contenus dans le métal du barreau lors de sa fusion. Selon une disposition particulière de l'invention, un joint élastique annulaire est placé entre le pisé et la paroi de la cuve, ce joint faisant office de joint de dilatation pour permettre la déformation du pisé provoquée elle-même par les déformations de la virole réfractaire. De plus ce joint sert également d'isolant électrique pour éviter le contact d'éventuelles infiltrations métalliques en provenance du barreau fondu avec la paroi de la cuve, en complément à l'isolation électrique réalisée par le pisé. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va être faite d'un four à arc à courant continu pour la production d'acier, conforme à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue partielle dudit four en coupe selon l'axe de l'électrode de sole - la figure 2 est une vue en coupe partielle de la partie inférieure de la virole réfractaire, montrant les usures et fissurations que la présente invention vise à combattre. Au dessin de la figure 1, 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 11 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. Comme on le voit sur la figure 1, et conformément à l'invention, le diamètre de l'orifice 4 est largement supérieur au diamètre extérieur de la virole 11, l'espace ainsi ménagé entre la virole 11 d'une part et la paroi 1 et la bride 8 d'autre part, est comblé par un pisé 14, choisi de manière à ne pas durcir sous l'effet des hautes températures, et dont ltépaisseur e est supérieure à 100 mm, et supérieure à 0,4 fois l'épaisseur fi de la paroi autour de l'orifice 4. Le pisé 14 est préférentiellement un pisé magnésien très pur à plus de 98 % de MgO, qui reste meuble, ne fritte pas même aux hautes températures auxquelles il peut être soumis à proximité de la virole 11 lorsque le front de fusion du barreau 5 descend très bas, jusqu'au voisinage de la chemise refroidie 6. Par ailleurs ce pisé assure une bonne isolation électrique entre la barreau 5 et la paroi 1. La virole 11 est préférentiellement composée d'un matériau réfractaire essentiellement à base de magnésie et d'alumine, ce matériau limitant efficacement les éventuelles infiltrations d'oxydes fondus contenus dans le barreau. A titre d'exemple, pour des électrodes de sole classiques implantées dans un four dont la paroi a une épaisseur k de 200 mm, dont le diamètre du barreau 5 est de l'ordre de 300 mm et dont la virole réfractaire inférieure a une épaisseur d'environ 50 mm, l'épaisseur e du pisé est égale à 120 mm. Ce pisé magnésien est utilisé sur une hauteur d'environ 300 mm à partir de la chemise 6, c'est-à-dire sensiblement sur toute la hauteur de la virole 11. Au-dessus de ce pisé magnésien, on utilise préférentiellement un autre pisé moins couteux, à moins forte teneur en MgO. Pour bien faire comprendre les avantages de l'invention, on a représenté, en coupe à la figure 2, l'état d'une électrode de sole selon l'art antérieur, après 300 coulées effectuées par le four. On remarque sur ce dessin que le jeu radial entre la virole 11 et la paroi 1 est faible, de 11 ordre de 40 mm. On peut constater d'une part une usure interne 21 importante de cette virole au niveau de la paroi 1, ainsi que des fissures obliques 22 traversant l'épaisseur de la virole, et des fissurations verticales 23, dans lesquelles le métal du barreau 5 s'est infiltré lors de sa fusion, ces fissurations, en affaiblissant le matériau réfractaire de la virole, étant à l'origine de l'usure importante constatée. De plus, ces fissurations, en favorisant les infiltrations de métal, nuisent à l'isolation électrique du barreau par rapport à la cuve du four. Ces diverses dégradations ont nécessité la remise en état de l'électrode de sole avec les viroles réfractaires et la réfection de la sole à leur voisinage au bout de 300 coulées. En comparaison, la mise en oeuvre de la présente invention a permis de réduire fortement ces dégradations, et d'atteindre une durée de vie du montage de plus de 1000 coulées. Préférentiellement, ainsi que représenté sur la figure 1, un joint annulaire 15 est placé entre le pisé 14 et la paroi de l'orifice 4. Ce joint, en matériau élastique et électriquement isolant, par exemple en silicone, accroît encore les possibilités de déformation du pisé, et, de plus, renforce l'isolation électrique entre le barreau 5 et la cuve 1. REVENDICATIONS 1) Four à arc à courant continu comportant une électrode de sole comprenant un barreau (5) métallique qui traverse la paroi (1,8) de fond de la cuve du four par un orifice (4) ménagé dans cette paroi, le barreau ayant une direction axiale sensiblement perpendiculaire à ladite paroi et affleurant la surface supérieure (31) du revêtement réfractaire (3) de cette paroi, et au moins une virole (11) réfractaire entourant ledit barreau au niveau dudit orifice, caractérisé en ce que la distance (e), perpendiculairement à la direction axiale, entre la virole réfractaire (11) et le pourtour de l'orifice (4) est supérieure ou égale à 100 mm, et le rapport entre cette distance (e) et l'épaisseur (h) de la paroi autour de l'orifice est supérieure à 0,4, l'espace ménagé ainsi entre la virole et la paroi étant comblé par un pisé meuble. 2) Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pisé est un pisé magnésien. 3) Four selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le pisé magnésien a une teneur en MgO supérieur à 98 t. 4) Four selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que un joint annulaire (15) élastique et électriquement isolant est interposé entre le pisé (14) et la paroi (1) de la cuve. 5) Four selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la virole réfractaire (11) est composée essentiellement de magnésie et d'alumine.