Brevet FR3045268A1 — publié le 20170616

La présente innovation est relative à un dispositif d'alimentation en énergie électrique et de support mécanique des électrodes d'un four électrique à arcs ou d'un four-poche, destiné à équiper une aciérie ou une fonderie. L'invention est présentée à l'aide des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un four électrique à arcs et les composants du circuit électrique de puissance. - la figure 3 représente la section transversale du bras avec le refroidissement des zones en cuivre et des zones en acier amagnétique. Le circuit secondaire d'alimentation d'un four électrique à arcs comme présenté sur la figure 1 , placé entre le transformateur de puissance [4] et la charge à fondre [7] est composé des éléments suivant : le jeu de barres [11] de sortie du transformateur [4] situé dans le bâtiment du transformateur [5], les câbles souples [12], les bras [13] actionnés par les mâts [16], les pinces d'électrodes [14], les électrodes de graphite [15] et les arcs (ou l'arc) [17]. Les porte-électrodes avec des bras [13] conducteurs ont été développés dans les années 1980 et cette technologie est aujourd'hui généralisée pour les fours électriques à arcs, en aciérie et en devenir dans les fonderies d'acier. Ils présentent une simplification du montage en supprimant les tubes d'amenée de courant, une réduction -recherchée à l'origine- de la réactance du système Ce bras conducteur qualifié ici de conventionnel est un caisson de section rectangulaire, rectiligne ou coudé, fabriqué de tôles épaisses en acier au carbone de 15 à 30 mm d'épaisseur dont la surface extérieure est recouverte de cuivre sur une épaisseur de 4 à 9 mm ; les extrémités sont constituées de plaques en cuivre. Le dépôt du cuivre sur la tôle en acier au carbone est obtenu par placage par explosion ou par co-laminage pour que le contact soit intime entre eux ; une circulation d'eau interne au caisson assure le refroidissement de l'ensemble. Les tôles des caissons sont soudées aux angles sur toute leur longueur, et ces soudures sont revêtues, de cuivre ou d'étain soudé ou brasé. Les bras [13] des porte-électrodes comme représentés sur la figure 1, sont soumis à des contraintes mécaniques, thermiques, magnétiques et physico-chimiques qui les sollicitent fortement, allant jusqu'à entraîner des dégradations des équipements, des bras eux-mêmes [13], des mâts [16], de la superstructure [2] ou de la cuve du four [3]. Les contraintes mécaniques sont celles d'une potence avec flexions, torsions et vibrations. Les contraintes thermiques sont de trois ordres, en premier une ambiance générale autour des bras porte-électrode de 80°C, puis des périodes courtes mais sévères de rayonnement des électrodes [15] , de rayonnement de la cuve du four [31] quand la voûte [32] est ouverte, de présence de flammes et de gaz chauds, et plus exceptionnellement, de projections de métal et de laitier liquides, enfin des pertes ohmiques dues au passage du courant électrique. Les contraintes électromagnétiques sont dues aux fortes intensités de courant parcourant les parties conductrices et à leurs variations inhérentes au fonctionnement du four. Les contraintes physico-chimiques sont produites par fusion-évaporation des matériaux introduits au four dans et hors du four et par le dégagement de poussières chargées d'oxydes métalliques. Les bras conducteurs conventionnels ont apporté à l'exploitant une réduction significative des coûts d'entretien, des coûts des pièces de rechange et des coûts de fonctionnement. Cependant ils présentent des inconvénients dont l'origine vient : 3045268 2 - d'une part de la répartition du courant, largement majoritaire (environ 85%) dans le cuivre, réduite dans l'acier au carbone mais concentrée à l'interface des deux matériaux suite au phénomène d'épaisseur de peau, d'autre part de la fragilité du cuivre aux propriétés dégradées par les contraintes thermiques. 5 L'importance des contraintes mécaniques entraîne alors des fissurations aux angles et sur les faces des revêtements. Le refroidissement du revêtement en cuivre est indirect, il se fait par la circulation d'eau interne au caisson, à travers les tôles en acier au carbone du caisson. Le brevet EP0080954 (A1) -1983-06-08 fait état d'un bras conducteur entièrement en acier amagnétique, y compris l'extrémité amont. 10 Un brevet est en cours d'examen, relatif à un bras conducteur constitué également d'un caisson en matériau amagnétique et dont la partie conductrice est interne au dit caisson. L'acier amagnétique (ou austénitique) a, en comparaison avec l'acier au carbone : une perméabilité magnétique relative beaucoup plus faible, - la résistivité électrique la plus forte par rapport aux autres matériaux (10 à 20 fois) et il faut noter que le bras 15 conducteur fabriqué en seul acier amagnétique possède une résistance trop élevée (au-delà de 5 fois celle du bras plaqué en cuivre) pour les bras parcourus par de fortes intensités (au-delà de 15 kA), une épaisseur de peau plus élevée (jusqu'à 50 fois), donc une meilleure répartition du courant dans la masse conductrice, - une conductibilité thermique un peu moins bonne, 20 une résistance mécanique plus élevée, une résistance aux agents chimiques plus élevée, y compris par rapport à celle du cuivre. Compte tenu des caractéristiques de l'acier amagnétique, par exemple l'acier inoxydable austénitique, il est possible de construire le bras conducteur sous la forme d'un caisson dont la section est un polygone, qui peut être irrégulier, constitué de tôles formées et mécanosoudées. La partie conductrice principale, par exemple du cuivre, est soudée 25 aux angles du caisson, à l'extérieur du dit caisson et le long de ses parois. La dite partie conductrice, de forme arrondie, constitue avec le dit caisson un canal de refroidissement. Les disparités importantes de densité de courant, dues aux phénomènes d'irrégularité de forme et de proximités entre les bras d'un four, existent sur la périphérie du bras. Les positions des dites parties conductrices placées aux angles du dit caisson de section polygonale sont aussi les lieux des plus fortes densités de courant électrique. La soudure des dites parties conductrices sur l'acier 30 amagnétique du dit caisson est une technologie connue. Elle se fait soit avant soit après la fermeture du dit caisson par soudure. Le rayon extérieur de l'arrondi des parties conductrices est égal ou supérieur à 30 mm. Un refroidissement du caisson est placé à l'intérieur du bras quand le besoin s'en fait sentir. La paroi extérieure, en acier inoxydable amagnétique et en matériau conducteur de l'électricité, les arrondis aux angles et la position des soudures apportent au bras conducteur objet de l'invention des performances améliorées 35 par rapport au bras conventionnel eu égard aux contraintes thermiques (chaleur ambiante et projections), aux contraintes chimiques (acier inoxydable) et aux contraintes mécaniques (y compris vibratoires). On comprendra mieux l'innovation en s'appuyant sur les schémas de la figure 2. 3045268 3 Le bras conducteur [13] avec une section comme représentée sur la figure 2, a pour structure de base un caisson octogonal en acier inoxydable austénitique [131] d'épaisseur 15 à 30 mm, constitué de 2 coquilles formées et associées longitudinalement par soudure [135]. Les parties conductrices en cuivre [132] placées aux angles du dit caisson ont une épaisseur de 7 à 12 mm d'épaisseur. Les rayons extérieurs de courbures des angles des dites 5 parties conductrices sont de 65 mm. Les dites parties conductrices sont raccordées au caisson par des soudures longitudinales entre le cuivre et l'acier [136] qui ont un angle au sommet inférieur à 90°. La distribution du courant électrique de part et d'autre des dites soudures, entre cuivre et acier inoxydable, est progressive. Les dites parties conductrices en cuivre sont en contact direct avec l'eau des circuits de refroidissement [133], eau qui circule aussi à l'intérieur des circuits de refroidissement [134] du dit caisson. 10 L'intérieur du dit caisson est utilisé pour le passage de tuyauteries en direction de la pince et du mécanisme de serrage de pince, non représentés, pour les besoins en fluides, de refroidissement, d'arrosage des électrodes, de puissance pour le mécanisme de serrage. Le circuit en cuivre est bien refroidi, les contraintes mécaniques sont limitées. REVENDICATIONS1. Bras conducteur de four électrique à arcs ou de four poche caractérisé par une construction qui comporte un caisson polygonal en acier amagnétique recevant par soudure, à au moins un de ses angles, un matériau bon conducteur de l'électricité constituant avec le caisson un canal de circulation pour un fluide de refroidissement. 2. Bras conducteur de four électrique à arcs ou de four poche caractérisé par la section du caisson en forme d'octogone irrégulier. 3. Bras conducteur de four électrique à arcs ou de four poche suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le matériau bon conducteur de l'électricité est du cuivre. 4. Bras conducteur de four électrique à arcs ou de four poche suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le matériau amagnétique du caisson est de l'acier inoxydable austénitique. 5. Bras conducteur suivant les revendications 1 à 4 caractérisé par un angle du cordon de soudure du matériau bon conducteur de l'électricité avec l'acier amagnétique inférieur à 90°.