Brevet FR2866513A1 — publié le 20050819

Description L'invention concerne les pièces de raccordement, généralement appelée nipples, permettant de raccorder bout à bout et de manière fixe et rigide les électrodes cylindriques, constituées de carbone ou de graphite, utilisées dans les fours à arc électriques. Dans ces fours, les électrodes sont utilisées pour conduire le courant électrique et le transmettre, au moyen d'un arc généré au niveau de l'extrémité interne de l'électrode, vers la matière traitée dans le four. Les électrodes modernes peuvent atteindre plus d'un mètre de diamètre, des longueurs supérieures à trois mètres et transporter des courants électriques de plus de cent mille ampères. Pendant le fonctionnement du four, les électrodes sont progressivement consommées au niveau de l'arc électrique et il est donc nécessaire de les introduire dans le four de manière continue. Pour remplacer les électrodes qui ont été en grande partie consommées sans arrêter le four, il est d'usage d'usiner dans les extrémités des électrodes des douilles filetées disposées de manière axiale, plus souvent connues sous le nom d'alésages, de telle sorte qu'une nouvelle électrode puisse être raccordée bout à bout de manière fixe et rigide sur l'électrode en grande partie consommée en utilisant un raccord à double filetage appelé nipple. Le raccordement d'électrodes ainsi réalisé est appelé joint nipplé . La taille du nipple est proportionnelle à celle de l'électrode afin de procurer au système des caractéristiques mécaniques optimales. La composition du nipple est une matière carbonée identique ou semblable à celle de l'électrode. Pour les électrodes en graphite, les alésages et les nipples ont généralement une forme tronconique tandis que pour les électrodes en carbone ces éléments sont le plus souvent cylindriques et l'on utilise aussi des systèmes mâle-femelle. La présente invention peut s'appliquer à tous ces différents systèmes. Bien que ces raccordements d'électrodes soient utilisés depuis de nombreuses années, ils sont toujours la source de nombreux problèmes. Par exemple, il arrive que, soumis à des conditions sévères de température, aux vibrations et aux chocs mécaniques et thermiques, les joints nipplés se desserrent avec rupture du contact entre les extrémités adjacentes des électrodes raccordées. Un tel desserrage se traduit souvent par la cassure du joint nipplé entraînant la perte d'une section d'électrode et de gros problèmes de production. Afin de lier de façon permanente le joint nipplé, des essais ont été faits en introduisant un ciment qui polymérisera ou se cokéfiera entre le nippte et les deux électrodes raccordées pendant la montée en température des électrodes dans le four en cours d'opération. L'un des procédés le plus souvent utilisés consiste à introduire un ciment carboné, solide à température ambiante, dans des ouvertures pratiquées dans le nipple avant la réalisation du joint nipplé. Le joint nipplé formé de cette manière est rapidement chauffé quand il est introduit dans le four, ce qui provoque la fusion et l'écoulement du ciment depuis son réservoir vers les espaces vides situés entre le nipple et les filets des alésages. Pendant que la montée en température se poursuit, le brai se cokéfie en cimentant solidement le joint nipplé, créant ainsi une liaison permanente entre les deux électrodes. Différentes configurations de nipples du type réservoir ont été proposées. Par exemple, dans le brevet US 12,828,162, un réservoir rempli de brai est situé à chaque extrémité du nippte et des canaux ou voies de passage sont aménagés pour acheminer le brai liquéfié par chauffage vers la zone filetée autour du nippte. L'emplacement des réservoirs de brai est cependant peu judicieux car d'importantes quantités de coke de brai se déposent dans les espaces vides entre les extrémités du nippte et le fond des alésages filetés provoquant la cassure du joint nipplé lors de la dilatation thermique rapide 3o qui se produit à l'approche du bain fondu. En outre, du fait de la longue distance à parcourir, le brai n'arrive qu'en petites quantités dans les espaces vides entre le nippte et les filets des alésages où il devrait jouer son rôle de ciment. Le brevet US 2,826,294 innove avec une cartouche de brai prévue pour être insérée à l'intérieur d'un réservoir aménagé dans le nippte. La cartouche comporte une enveloppe extérieure fibreuse, isolante thermiquement, qui se décompose à une température nettement supérieure au point de ramollissement du brai. Cette enveloppe retarde la liquéfaction du brai et évite une distribution prématurée du brai liquide. Cependant, le problème de desserrage du joint nipplé persiste et cela d'autant plus que les conditions d'utilisation des électrodes sont sévères. La raison principale en est une mauvaise distribution du brai dans les espaces vides entre le nipple et les filets des alésages. Ce problème de distribution a été temporairement résolu par l'utilisation d'un nouveau mélange à base de brai comportant un additif destiné à favoriser l'expansion du ciment lors du chauffage et à faciliter ainsi sa distribution dans les espaces vides entre le nipple et les filets des alésages à partir de 100 C. Ainsi le brevet FR 2 204 673 recommande l'utilisation d'un ciment à base d'un brai bien défini dilué dans un sulfonate de lignine dont les propriétés moussantes après humidification et chauffage au-delà de 100 C sont connues. De la même manière, le brevet EP-A-O 260 529 décrit un joint nipplé dont le ciment est constitué principalement de brai dans lequel on a ajouté en proportion plus faible un agent moussant tels que soufre, ou 2,4-dinitroaniline ou des huiles raffinées nitratées. Dans ce dernier cas, l'agent moussant procure le double avantage d'améliorer la distribution du ciment entre les filets en réduisant considérablement le point de ramollissement du brai, tout en augmentant la vitesse de cokéfaction du brai à partir de 350 C. Cependant, ces types d'additifs devinrent inappropriés quand les conditions d'utilisation des électrodes furent modifiées afin de réduire leur consommation par 25 oxydation. En conséquence, le brevet FR 2 692 748 revendique l'utilisation d'un nouveau ciment à deux composants placés séparément dans des réservoirs différents à l'intérieur du nipple. Parmi les différentes méthodes destinées à modifier le ciment à base de brai, aucune n'a pris en compte le fait que le ciment ne doit pas entrer dans les espaces entre le nipple et le fond des alésages filetés où son action liante est non seulement négligeable mais peut même être néfaste en facilitant la cassure du joint nipplé. En outre, aucune des approches précédentes n'a indiqué les moyens pour une distribution homogène du ciment dans une grande partie des espaces vides situés entre la zone centrale des filets des alésages et le nippte où son action est la plus efficace. C'est pourquoi un objet de la présente invention est de proposer des nipples permettant d'améliorer le joint nipplé. Un objet plus précis de la présente invention est de réduire le plus possible la concentration des tensions mécaniques sur le nipple et les filets des douilles des électrodes grâce à une distribution plus large et plus uniforme du ciment dans les zones filetées. Cette amélioration est obtenue suivant l'invention en utilisant un nipple comportant des réservoirs contenant un ou plusieurs ciments et en aménageant des cannelures dans la surface filetée du nippte de façon à assurer l'écoulement du ciment vers les espaces vides situés dans la zone centrale des surfaces filetées du nipple où leur action est la plus efficace. Plus précisément, les nipples réalisés suivant l'invention ont à l'extrémité externe de chaque réservoir une ou plusieurs cannelures s'étendant à travers les filets en suivant des lignes qui se terminent avant d'arriver au centre longitudinal du nippte au niveau de leur extrémité interne et avant de parvenir aux faces planes du nippte en ce qui concerne leur extrémité externe, de manière à laisser au moins un filet continu à chaque extrémité des cannelures de telle sorte que lorsque le nippte est chauffé et que les liants fondent, ils s'écoulent hors des réservoirs à travers les cannelures vers les espaces vides situés entre les filets des alésages et du nippte, tout en étant empêchés de s'écouler vers les surfaces planes en extrémité des électrodes et vers les espaces situés entre les extrémités du nipple et les fonds des alésages par les barrages constitués par les filets continus laissés à chaque extrémité des cannelures. Selon la présente invention, au moins un et de préférence trois filets continus sont laissés à chaque extrémité des cannelures. Pour une distribution plus uniforme du ciment, les cannelures mentionnées ci-dessus sont usinées suivant des lignes inclinées de 0 à 60 et de préférence de 40 à 50 par rapport à l'axe longitudinal du nipple. La profondeur de ces cannelures peut être inférieure, supérieure ou de préférence égale à celle des filetages. Conformément à la présente invention, une proportion comprise entre 40 et 95 % et de préférence entre 60 et 80 % des espaces vides est remplie par le ciment qui peut agir là de manière optimale et ce résultat est obtenu grâce à cette conception du nipple qui facilite l'écoulement du ciment vers les espaces vides entre les filets tout en empêchant efficacement les pertes de ciment vers les surfaces planes en extrémité des électrodes et vers les espaces entre le nipple et le fond des alésages filetés. Le diamètre d'un réservoir peut varier de quelques millimètres à quelques centimètres; il est généralement compris entre 10 et 30 millimètres. Selon une réalisation de l'invention, deux réservoirs ou plus peuvent déverser leur contenu dans une seule cannelure. Dans une autre réalisation, deux cannelures peuvent se croiser à la sortie d'un 15 même réservoir. Tandis que dans une troisième réalisation, plusieurs cannelures connectées entre elles forment un réseau. L'invention sera mieux appréciée grâce à une description plus détaillée d'un exemple de réalisation présenté à la figure 1 présentant une coupe verticale à travers un joint nipplé conforme à la présente invention et à la figure 2 montrant un nipple suivant l'invention. La figure 1 montre deux électrodes (la) et (lb) raccordées par un nipple (2). Les électrodes (la) et (lb) sont pourvues à leurs extrémités d'alésages filetés axiaux (3) afin de recevoir le nipple fileté (2). Dans cet exemple, le nipple (2) est tronconique. Des réservoirs (4) contenant le ciment ou les composants du ciment sont situés entre le centre longitudinal du nipple et chacune de ses faces d'extrémité. Les réservoirs (4) sont des trous alésés s'étendant transversalement dans le nipple (2) . Suivant le nombre de réservoirs (4) et leur profondeur, le diamètre des trous est déterminé de manière à ce que le volume total de ciment ou des composants du ciment soit capable de remplir 40 à 95 % des espaces vides entre les surfaces filetées des alésages (3) et du nipple (2). Pour faciliter l'écoulement du ciment ou des composants du ciment à partir des réservoirs (4) vers les espaces vides situés entre le nipple (2) et les filets des alésages (3), à chaque sortie des réservoirs (4) des cannelures linéaires (5) sont usinées dans les filets du nipple suivant un angle a et elles passent par les points A B et C. L'angle a et les points A, B et C sont définis de la même manière que pour la partie supérieure du nipple (2) décrite dans la figure 1: É a est l'angle entre le plan passant par l'axe longitudinal du nipple (2) et le point C et le plan respectif passant par la ligne médiane de la cannelure (5) : o É A est un point en dessous de l'un des derniers filets avant la face supérieure du nipple: É B est un point au dessus de l'un des derniers filets avant le centre longitudinal du nipple: É C est le point où le plan passant par l'axe longitudinal du nipple (2) coupe le 15 milieu de la cannelure (5). La figure 2 montre un nipple (2) suivant l'invention où deux réservoirs (4) se déversent dans une seule cannelure (5). Pour chaque réservoir (4) une ou plusieurs cannelures (5) peuvent être usinées. Par exemple, deux cannelures (5) à chaque sortie de réservoir donnent une forme en X. A titre d'exemple et sans limiter l'invention, un nipple (2) conçu pour raccorder des électrodes de 600 mm de diamètre a quatre réservoirs (4) de 25 mm de diamètre chacun, s'étendant à une profondeur de 120 mm et percés à une distance de 100 mm des faces d'extrémité du nipple. Chaque demi-nipple (2) est donc muni de deux réservoirs (4) disposés en général symétriquement l'un par rapport à l'autre. Le volume total de ciment contenu dans ces réservoirs est suffisant pour remplir 80 % des espaces vides compris entre le nipple (2) et les surfaces filetées des alésages (3). Dans un nipple (2) du type décrit pour raccorder des électrodes de 600 mm de diamètre, la largeur de ces cannelures peut varier de 3 à 10 mm tout en ayant une profondeur égale à celle du fond des filets. Quand le nippte (2) est chauffé, le ciment ou les composants du ciment fondent et s'écoulent des réservoirs à travers les cannelures (5) vers les espaces vides des filetages qui sont coupés par les cannelures dans lesquels ils débouchent. De cette manière, le ciment ou les composants du ciment peuvent atteindre de 40 à 95 % des espaces vides des filetages. En outre, la présente invention procure un système qui permet d'éviter les pertes de ciment ou des composants du ciment vers les surfaces planes d'extrémité des électrodes raccordées où ils pourraient être nuisibles ou vers les espaces entre le nipple et le fond des alésages filetés. Pour obtenir ce résultat, les cannelures (5) se terminent avant le centre longitudinal du nipple au niveau de leur extrémité interne (point B) et avant les faces d'extrémité du nipple au niveau de leur extrémité externe (point A) de telle manière qu'à chaque extrémité de cannelure un ou de préférence plusieurs filets continus subsistent afin de créer un barrage qui empêchera la fuite de ciment ou de composants du ciment vers les espaces non désirés. Les joints nipplés réalisés avec des nipples conformes à l'invention présentent 15 beaucoup moins de desserrages pendant leur utilisation sur les fours à arc électriques. Repères la Electrode 1 b Electrode 2 Nipple 3 Alésages filetés axiaux 4 Réservoir 5 Cannelure A Point de la cannelure B Point de la cannelure C Point de la cannelure a Angle Revendications 1. Nipple (2) pour raccorder bout à bout et de manière fixe et rigide deux électrodes cylindriques (1 a, 1 b) en carbone ou en graphite ayant à leurs extrémités des alésages filetés (3) disposés de manière axiale, percé dans chacune des deux zones filetées par un ou plusieurs trous alésés utilisés comme réservoirs (4) pour un ou plusieurs composants de ciment, caractérisé en ce qu'il a à la sortie de chaque réservoir (4) une ou plusieurs cannelures (5) s'étendant à travers les filets suivant des lignes qui se terminent avant le centre longitudinal du nipple (2) au niveau de leur extrémité interne (B) et avant les faces d'extrémité du nipple (2) au niveau de leur extrémité externe (A) dans le but de laisser au moins un filet continu à chaque extrémité de cannelure (5). 2. Nipple (2) suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les cannelures (5) sont usinées suivant un angle a compris entre 0 et 60 , a étant l'angle entre le plan passant par l'axe longitudinal du nipple (2) et le point milieu (C) de la cannelure et le plan passant par la ligne médiane de la cannelure (5). 3. Nipple (2) suivant l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la 20 profondeur des cannelures (5) est égale à celle du fond des filetages. 4. Nipple (2) suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les trous alésés dans chacune des deux surfaces filetées et servant de réservoirs (4) pour le ciment ou les composants du ciment s'étendent radialement dans le nipple (2) suivant un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal du nipple (2) et ont un diamètre compris entre 10 et 30 mm. 5. Nipple (2) suivant l'une des revendications 1 à 4, où deux ou plusieurs réservoirs (4) peuvent se déverser dans une seule cannelure (5). 6. Nipple (2) suivant l'une des revendications 1 à 4, où deux cannelures se croisent à la sortie d'un réservoir (4). 7. Nipple (2) suivant l'une des revendications 1 à 4, ayant plusieurs cannelures 35 (5) connectées entre elles, formant ainsi un réseau. 8. Nipple (2) suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le volume de ciment ou des composants du ciment placé dans les trous alésés (4) est suffisant pour remplir de 40 à 95 % et de préférence de 60 à 80 % des espaces vides situés entre les surfaces filetées des alésages (3) et le nipple (2). 9. Joint nipplé utilisé dans les fours à arc électriques constitué d'électrodes cylindriques (la, lb) en carbone ou graphite et d'un nipple (2) suivant l'une des revendications 1 à 8.