Brevet FR2715718A1 — publié le 19950804

i La présente invention concerne une anode de sole pour un récipient métallurgique destiné à l'obtention d'une masse de métal en fusion, de préférence d'une masse d'acier en fusion, qui est constituée par un bloc métallique, de préférence un bloc d'acier, qui est muni d'au moins un conduit de passage qui s'étend de l'extérieur à l'intérieur du récipient métallurgique, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une anode de sole et un procédé d'exploitation d'un récipient métallurgique équipé d'une anode de sole. La sole d'un récipient métallurgique tel qu'un four à arc à courant continu est équipée d'une ou plusieurs anodes de sole reliées à un dispositif redresseur pour assurer le passage d'un courant continu qui permet l'entretien de l'arc. On connaît différents types d'anodes de sole dont la durée de vie est située en règle générale entre quelques centaines et au maximum environ 1 500 coulées. Cette durée de vie est donc sensiblement inférieure à celle du revêtement réfractaire du récipient métallurgique. De ce fait, les anodes de sole connues doivent être remplacées plusieurs fois pendant la durée de vie du revêtement du récipient métallurgique, ce qui est compliqué de même que l'interruption consécutive de la marche et la liaison de l'anode de sole au revêtement réfractaire du récipient métallurgique. Un autre type d'électrodes de sole largement répandu est représenté par l'anode elliptique ou à barres, qui est connue par exemple par les documents DE- A-3 835 785 et EP-A-0 133 925. Dans ce cas, une ou plusieurs barres d'acier, qui sont judicieusement refroidies à l'eau, sont insérées dans le revêtement réfractaire d'une maçonnerie du récipient métallurgique et servent à transmettre le courant au métal fondu. A la partie inférieure de l'anode, il est prévu au niveau du bloc d'acier supérieur un bloc de cuivre refroidi à l'eau de manière intensive qui évacue la chaleur et qui assure de ce fait une durée de vie déterminée du bloc d'acier pour transmettre le courant au métal fondu. Cependant, au cours du fonctionnement, le matériau réfractaire situé autour du bloc de l'anode est exposé à l'action de la masse de métal en fusion de sorte que le bloc d'acier s'use. L'anode de sole doit être renouvelée lorsque l'usure a atteint une ampleur déterminée. Ce phénomène provoque les inconvénients décrits ci-dessus. Par le document EP-A-0 527 336, on connaît une anode de sole pour un four électrique à arc du type décrit ci-dessus, dans laquelle une électrode est intégrée dans un corps céramique réfractaire pour former une sorte d'électrode de balayage de manière à permettre l'introduction d'un gaz de balayage tel que l'oxygène ou un gaz inerte. Concrètement, une telle électrode de balayage consiste en une électrode centrale en forme de barre qui est entourée à distance par un tube d'acier situé dans un corps céramique réfractaire. Les gaz de balayage peuvent être introduits par le passage annulaire formé entre le tube d'acier et l'électrode. Selon une autre forme de réalisation, l'électrode elle-même comporte des canaux à gaz permettant l'introduction d'un gaz de traitement. Bien que le gaz de balayage introduit permette un certain refroidissement de l'anode de sole, il ne permet cependant pas d'obtenir une augmentation décisive de sa durée de vie. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients et ces difficultés et de fournir une anode de sole dont la durée de vie est sensiblement prolongée par rapport à la durée de vie des anodes de sole connues et est comparable à celle d'un revêtement constitué par un matériau réfractaire. De préférence, les durées de vie qui peuvent être atteintes sont de l'ordre de 4 000 à 8 000 coulées. Ce but est atteint selon l'invention par le fait que l'anode de sole est munie, à l'extrémité du bloc métallique située du côté de l'intérieur du récipient, une protubérance munie de canaux formée à partir de la masse de métal en fusion produite dans le récipient, dont les canaux s'étendent depuis l'extrémité située du côté de l'intérieur du récipient du conduit de passage du bloc métallique raccordé à une conduite d'introduction d'hydrocarbures liquides et/ou gazeux, et parviennent, au moins pour certains d'entre eux, jusqu'à la surface de la protubérance. Une telle protubérance résulte des processus de craquage qui se déroulent lors de l'introduction des hydrocarbures dans la masse de métal en fusion et qui provoquent un fort refroidissement local. Il en résulte, au niveau de l'extrémité du bloc métallique située du côté de l'intérieur du récipient, une solidification de la masse de métal en fusion formée dans le récipient métallurgique. La masse fondue solidifiée est poreuse, c'està-dire qu'elle comporte des canaux ou passages par lesquels les hydrocarbures amenés à l'anode de sole peuvent pénétrer dans la masse de métal en fusion même après la formation de la protubérance de sorte que ces hydrocarbures entraînent de nouveau des processus de craquage à la surface de la protubérance, processus qui sont responsables du maintien de la protubérance, c'est-à-dire qu'ils l'empêchent de fondre. La taille (épaisseur et diamètre) de la protubérance dépend de l'équilibre qui s'établit entre la chaleur fournie par la masse de métal en fusion qui provoque une destruction de la protubérance par fusion et l'effet de refroidissement causé par le processus de craquage. De préférence, la protubérance présente une forme convexe, en particulier une forme de chapeau de champignon. Cette forme apparaît notamment lorsque le ou les conduits de passage sont situés à proximité du centre du bloc métallique de l'anode de sole. De préférence, la protubérance dépasse suivant la périphérie le côté frontal du bloc métallique de l'anode de sole qui est situé du côté de l'intérieur du récipient et repose sur un revêtement réfractaire qui entoure le bloc métallique. Le dépassement périphérique peut être réglé par la quantité et la pression des hydrocarbures introduits. Une forme de réalisation de l'anode de sole qui s'est révélée particulièrement appropriée en pratique est caractérisée en ce que le conduit de passage est formé par un perçage de section droite circulaire dans lequel est insérée une barre de section droite polygonale, en particulier de section droite hexagonale régulière, dont les arêtes longitudinales sont en contact avec la paroi du perçage, le perçage ayant avantageusement un diamètre de 10 à 40 mm. Ceci permet d'obtenir une fine répartition des hydrocarbures et donc une forme avantageuse de la protubérance. Dans ce cas, la surface en section droite qui est disponible pour le passage des hydrocarbures représente judicieusement 10 à 50 % de la surface en section droite du perçage. Selon une forme de réalisation que l'on préfhre, en particulier pour les anodes de sole à grande section droite, il est prévu une multiplicité de conduits de passage. De préférence, le conduit de passage est relié en outre à une conduite d'introduction de gaz inerte(s) (par exemple Ar et/ou N2). Dans ce cas, il est judicieux de prévoir un poste de régulation pour réguler le rapport hydrocarbures/gaz inerte(s). Un procédé de fabrication d'une anode de sole selon l'invention est caractérisé en ce qu'une anode de sole constituée par un bloc métallique et présentant au moins un conduit de passage relié à une conduite d'introduction d'hydrocarbures liquides et/ou gazeux est insérée dans un récipient métallurgique et en ce que, lors de la fabrication d'une masse de métal en fusion, des hydrocarbures liquides et/ou gazeux sont introduits par le conduit de passage à l'intérieur du récipient métallurgique, les hydrocarbures étant craqués par contact avec la masse de métal en fusion ce qui provoque un fort refroidissement local et la formation d'une protubérance solide à partir de la masse de métal en fusion formée dans le récipient métallurgique. Comme on l'a indiqué ci-dessus, la taille de la protubérance peut être réglée par l'intensité du refroidissement local, lequel est réglé pour sa part à une valeur voulue par mélange des hydrocarbures introduits avec un gaz inerte. La pression minimale des hydrocarbures introduits qui est nécessaire pour la formation de la protubérance est de 2 x 105 Pa (2 bars), et de préférence elle est supérieure à 3 x 105 Pa (3 bars). Un procédé pour exploiter un récipient métallurgique équipé d'une anode de sole selon l'invention est caractérisé en ce que, pendant la fabrication d'une masse de métal en fusion, plus précisément depuis le début du chargement jusqu'à la coulée, des hydrocarbures liquides et/ou gazeux et éventuellement également un gaz inerte sont introduits par le conduit de passage et les canaux de la protubérance à l'intérieur du récipient métallurgique. Si l'on interrompait l'introduction des hydrocarbures, il se produirait une destruction de la protubérance par fusion du fait de la chaleur du bain de métal en fusion et il apparaîtrait alors au niveau de l'anode de sole et du revêtement réfractaire qui l'entoure les phénomènes d'usure décrits précédemment. Il est judicieux lors de l'exploitation du récipient métallurgique que les hydrocarbures soient introduits dans le conduit de passage sous une pression d'au moins 2 x 105 Pa (2 bars), de préférence d'au moins 3 x 105 Pa (3 bars). L'invention est illustrée de manière plus précise dans la suite à l'aide des dessins schématiques annexés dans lesquels: la figure 1 représente une coupe de la sole d'un récipient métallurgique au niveau d'une anode de sole, la figure 2 représente une coupe transversale de l'anode de sole suivant la ligne II-II de la figure 1, la figure 3 représente un détail de la figure 2 à plus grande échelle, et la figure 4 montre une autre forme de réalisation de l'anode de sole dans une représentation analogue à celle de la figure 2. Le signe de référence 1 désigne une anode de sole qui est insérée dans un revêtement 2 en matériau réfractaire d'un récipient métallurgique dont l'enveloppe externe n'est pas représentée de manière plus précise. L'anode de sole 1 est constituée par un bloc métallique 3, de préférence en acier, qui s'étend jusqu'à la surface interne de sole 4 du revêtement réfractaire 2, et par un bloc de cuivre 5 contigu au précédent en faisant saillie du côté extérieur du récipient et qui est refroidi à l'eau de manière intensive. Les raccords d'agent réfrigérant 6, 7 servent à l'introduction et à l'évacuation de l'eau de refroidissement. Le bloc de cuivre comporte également les connexions électriques 8 nécessaires. Selon la forme de réalisation représentée sur les figures 1 et 2, un conduit de passage 9 traverse le bloc de cuivre 5 et le bloc métallique 3 en leur centre. Au niveau de l'extrémité externe 10 de l'anode de sole, le conduit de passage 9 se prolonge par une conduite 11 d'introduction d'hydrocarbures liquides ou gazeux dans laquelle débouche une conduite d'introduction de gaz inerte(s) 12. Les deux conduites 11, 12 sont munies de clapets antiretour 13. Les proportions pondérales relatives de gaz inerte(s) et d'hydrocarbures peuvent être réglées au moyen d'un poste de mesure et de régulation 14. Selon l'exemple de réalisation représenté (voir figure 3), le conduit de passage 9 est formé par un percçage circulaire d'un diamètre compris entre 10 et mm. Le diamètre est fonction de la surface en section droite du bloc métallique 3 ou du diamètre, calculé à partir de la surface en section droite, d'un cercle délimitant la même surface. Dans ce perçage 9 est insérée une barre 15 dont la section droite constitue un polygone régulier, un hexagone régulier selon l'exemple de réalisation représenté, la paroi 16 du perçage formant un cylindre en contact avec les arêtes 17 de la barre hexagonale 15. Les hydrocarbures, éventuellement additionnés de gaz inerte, pénètrent à l'intérieur du récipient métallurgique par les six segments de cercle 18 ainsi formés. La surface en section droite traversée par les hydrocarbures représente de préférence 10 à 50 % de la surface en section droite du perçage. A l'extrémité du bloc métallique 3 située du côté de l'intérieur du récipient, il se forme une protubérance 19 à partir de la masse de métal en fusion 20 formée dans le récipient métallurgique, et cette protubérance est traversée par de fins canaux 21 qui s'étendent depuis l'extrémité 22 du conduit de passage 9 située du côté de l'intérieur du récipient jusqu'à la surface 23 de la protubérance 19. La protubérance est en forme de chapeau de champignon dont le plus grand diamètre 24 est supérieur au diamètre 25 du bloc métallique 3, de sorte que la protubérance 19 repose par le domaine de bordure du côté inférieur du chapeau de champignon sur le revêtement 2 constitué par un matériau réfractaire qui entoure l'anode de sole 1. L'anode de sole 1 fonctionne de la manière suivante: L'introduction d'hydrocarbures par le conduit de passage 9 dans la masse de métal en fusion 20 provoque au niveau de l'extrémité 22 du conduit de passage 9 qui est située du côté de l'intérieur du récipient un effet de refroidissement local accentué qui est dû au craquage des hydrocarbures gazeux ou liquides ou des mélanges d'hydrocarbures gazeux et de gaz inerte(s) qui entrent en contact avec la masse de métal en fusion 20. Il se produit alors une solidification de la masse de métal en fusion contenue dans le récipient métallurgique dans le domaine entourant l'extrémité 22 du conduit de passage 9. La masse de métal en fusion 20 qui se solidifie forme une protubérance poreuse 19 en forme de chapeau de champignon dont la taille est déterminée par l'équilibre entre l'effet de refroidissement qui apparaît lors du processus de craquage et la chaleur apportée par la masse de métal en fusion 20. Une protubérance 19 en forme de chapeau de champignon de taille suffisante se forme lorsque les hydrocarbures sont introduits sous haute pression. Cette pression doit être au moins égale à 3 x 105 Pa (3 bars). Selon la forme de réalisation représentée sur la figure 4, quatre conduits de passage sont prévus dans l'anode de sole 1. Ceci est judicieux notamment dans le cas des anodes de sole de grand diamètre 25. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation représentés mais peut être modifiée de diverses manières. Il est possible par exemple de disposer dans un four à arc à courant continu pour la fabrication de l'acier plusieurs anodes de sole 1 selon l'invention de section droite ronde ou polygonale. Le diamètre d'une anode de sole 1 ronde est situé de manière judicieuse entre 80 et 500 mm. Lorsqu'il est prévu un anode de sole à section droite polygonale, sa surface en section droite doit correspondre aux surfaces en section droite définies par les indications données ci-dessus en ce qui concerne le diamètre. La section droite libre du conduit de passage peut aussi être formée par des pièces d'insertion en forme de barres dont la section droite constitue un polygone qui n'est pas un hexagone régulier. La section droite des barres utilisées peut par exemple être ronde, auquel cas une telle barre d'insertion peut être maintenue par des nervures en position centrée dans un conduit de passage 9 sous forme de perçage. REVENDICATIONS 1. Anode de sole (1) pour un récipient métallurgique destiné à la fabrication d'une masse de métal en fusion (20), de préférence d'une masse d'acier en fusion, formée par un bloc métallique (3), de préférence un bloc d'acier, qui est muni d'au moins un conduit de passage (9) qui s'étend de l'extérieur à l'intérieur du récipient métallurgique, caractérisée en ce qu'elle est munie à l'extrémité du bloc métallique (3) située du côté de l'intérieur du récipient d'une protubérance (19) munie de canaux (21) formée à partir de la masse de métal en fusion (20) produite dans le récipient, dont les canaux (21) s'étendent depuis l'extrémité (22) située du côté de l'intérieur du récipient du conduit de passage (9) du bloc métallique (3) raccordé à une conduite (11) d'introduction d'hydrocarbures liquides et/ou gazeux, et parviennent, au moins pour certains d'entre eux, jusqu'à la surface (23) de la protubérance (19). 2. Anode de sole selon la revendication 1, caractérisée en ce que la protubérance (19) présente une forme convexe, de préférence une forme de chapeau de champignon. 3. Anode de sole selon la revendication 2, caractérisée en ce que la protubérance (19) dépasse suivant la périphérie le côté frontal du bloc métallique (3) de l'anode de sole (1) qui est situé du côté de l'intérieur du récipient et repose sur un revêtement réfractaire (2) entourant le bloc métallique (3). 4. Anode de sole selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le conduit de passage (9) est formé par un perçage de section droite circulaire dans lequel est insérée une barre (15) présentant une section droite polygonale, en particulier une section droite hexagonale régulière, dont les arêtes longitudinales (17) sont en contact avec la paroi (16) du perçage. 5. Anode de sole selon la revendication 4, caractérisée en ce que le perçage (9) a un diamètre de 10 à 40 mm. 6. Anode de sole selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la surface en section droite disponible pour le passage représente 10 à 50 % de la surface en section droite du perçage (9). 7. Anode de sole selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que, pour une anode de sole (1), il est prévu une multiplicité de conduits de passage (9). 8. Anode de sole selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le conduit de passage (9) est raccordé en outre à une conduite (12) d'introduction de gaz inerte(s). 9. Anode de sole selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'il est prévu un poste de régulation (14) pour réguler les proportions hydrocarbures/gaz inerte(s). 10. Procédé de fabrication d'une anode de sole (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une anode de sole (1) qui est constituée par un bloc métallique (3) et qui comporte au moins un conduit de passage (9) raccordé à une conduite (11) d'introduction d'hydrocarbures liquides et/ou gazeux est insérée dans un récipient métallurgique et en ce que, lors de la fabrication d'une masse de métal en fusion (20), des hydrocarbures liquides et/ou gazeux sont introduits à l'intérieur du récipient métallurgique par le conduit de passage (9), les hydrocarbures étant craqués par le contact avec la masse de métal en fusion (20), ce qui provoque un fort refroidissement local et la formation d'une protubérance solide (19) à partir de la masse de métal en fusion (20) produite dans le récipient métallurgique. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'intensité du refroidissement local est réglé par mélange des hydrocarbures introduits avec un ou des gaz inertes. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les hydrocarbures sont introduits dans le conduit de passage (9) sous une pression d'au moins 2 x 105 Pa (2 bars), de préférence d'au moins 3 x 105 Pa (3 bars). 13. Procédé d'exploitation d'un récipient métallurgique équipé d'une anode de sole (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, pendant la fabrication d'une masse de métal en fusion (20), et ce depuis le début du chargement jusqu'à la coulée, des hydrocarbures liquides et/ou gazeux et éventuellement également un ou des gaz inertes sont introduits à l'intérieur du récipient métallurgique par le conduit de passage (9) et les canaux (21) de la protubérance (19). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les hydrocarbures sont introduits dans le conduit de passage (9) sous une pression d'au moins 2 x 105 Pa (2 bars), de préférence d'au moins 3 x 105 Pa (3 bars).