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Four électrique à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides et procédé de fusion utilisant un tel four.
Domaine technique La présente invention concerne un four électrique à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides, ainsi qu'un procédé de fusion pour sa mise en oeuvre tel qu'utilisé en métallurgie.
Etat de la technique L'invention sera décrite dans le contexte restreint de la métallurgie et même plus particulièrement de la sidérurgie, dans le cadre des aciéries, mais il va de soi que cette approche a pour seul objet de rendre plus simple et plus¯claire la description qui suit et n'est en aucune façon une limitation du champ d'application du four à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides, objet de la présente invention.
En effet, le four à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides, objet de la présente invention, peut notamment être mis en oeuvre dans toute opération de fusion et/ou de réduction d'une charge dont la composition chimique est telle que, sous l'action d'un chauffage, elle donne naissance à au moins une phase suffisamment fluide (pâteuse, semi-liquide ou liquide) qui permette le passage du courant électrique.
S'il est vrai que le minerai de fer satisfait à ce critère de par l'obtention en le chauffant d'une phase liquide bonne conductrice d'électricité, remarquons que d'autres minéraux, ainsi que de nombreux co-produits sidérurgiques comme les scories et les poussières d'aciérie, ou encore d'autres déchets comme les cendres volantes de centrales thermiques ou les mâchefers d'incinérateurs urbains, sont aussi des matières qui donnent lieu par chauffage et fusion à au moins une phase en concordance avec le critère de conductibilité précité.
On utilisera dans la suite de la description l'expression usuelle de "four à arc" en lieu et place de l'expression complète "four électrique à arc".
Les fours à arc d'aciéries sont des éléments connus et largement utilisés dans le contexte de la production d'acier et ce aussi bien au stade classique de la fusion de ferrailles qu'au stade d'une réduction de charges comprenant des ferrailles et des
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minerais, souvent déjà préréduits ou réduits, en vue de préparer une fonte qui subira ultérieurement un affinage vers l'acier.
Les fours à arc d'aciérie peuvent être classés en deux grandes familles respectivement celle englobant les fours à arc proprement dit et celle plus spécifique relative aux fours à arc submergé ou noyé.
¯ Four à arc proprement dit Dans le four à arc proprement dit la charge est chauffée par le rayonnement d'un arc électrique généré dans son voisinage immédiat.
On distingue en général dans la construction de ce type de four 3 conceptions qui sont esquissées sur les figures 1 a, 1 b et 1 c.
La figure 1 a concerne le cas où les électrodes (E) sont disposées horizontalement au- dessus de la charge (C) de manière à générer un arc électrique qui s'établit au-dessus de cette dernière et la chauffe par rayonnement.
La figure 1 b concerne le cas où les électrodes (E) sont aussi disposées au-dessus de la charge, mais de manière telle que deux arcs s'établissent entre cette dernière et les électrodes, la charge servant à fermer le circuit entre les électrodes, et le chauffage de la charge a encore lieu principalement par rayonnement de l'arc.
La figure 1c concerne le cas où une électrode (Et) dite supérieure est disposée au- dessus de la charge (C) et une autre électrode (E2) dite inférieure ou de fond est disposée sous cette charge et souvent incorporée dans le fond du récipient formant le four électrique. L'arc s'établit entre l'électrode supérieure (E1) et la charge (C) qui sert aussi à fermer le circuit vers l'électrode (E2) de fond et le chauffage de la charge a encore lieu principalement par rayonnement de l'arc.
Les densités de puissance que l'on peut générer dans ces fours sont très élevées et leur application idéale est le four de fusion destiné à produire de l'acier à partir de ferrailles.
Les fours alimentés en courant alternatif triphasé présentent généralement une configuration avec 3 électrodes (E) de voûte telle que représentée à la figure 1 b, alors que les fours alimentés en courant continu monophasé présentent généralement une configuration avec une électrode (E1) de voûte et une électrode (E2) de fond telle que représentée à la figure 1 c.
En ce qui concerne les techniques de réalisation des électrodes, on notera que les
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électrodes de voûte sont le plus souvent constituées de graphite. Diverses technologies ont été développées pour les électrodes de fond des fours alimentés en courant continu.
Une première modalité consiste à utiliser pour construire le fond du four un matériau réfractaire (R) suffisamment conducteur de l'électricité afin que le fond du four joue le rôle de l'électrode, tel est le cas schématisé sur la figure 2a. Comme le montre cette figure, il est alors souvent nécessaire de refroidir les parties métalliques du four par soufflage d'air (A). Une autre alternative consiste à insérer au travers des réfractaires de fond du four des parties métalliques fines (M), par exemple des tiges ou des tôles, refroidies dans leur partie extérieure par soufflage d'air (A), comme le montrent les figures 2b et 2c. Enfin, une dernière possibilité met en oeuvre une ou plusieurs électrodes massives (E) disposées au fond du four et refroidies intensément, par exemple par circulation d'eau (L), comme représenté sur la figure 2d.
En général, quelle que soit la modalité de construction choisie, l'électrode de fond est connectée à la borne positive de l'alimentation et constitue donc l'anode du système et ce afin de limiter l'usure de l'électrode de voûte en graphite.
. Four à arc submergé ou noyé Dans ce type de four, les électrodes (E) plongent dans la charge (C), comme schématisé sur la figure 3, et génèrent la chaleur en son sein. La majeure partie du chauffage est produite par effet Joule (échauffement dû à la résistance au passage du courant dans les matières), même s'il arrive parfois que de petits arcs se forment, notamment au voisinage des électrodes.
De par le type même de chauffage, la répartition de la chaleur dans la charge est régulière et cela entraîne que les fours à arc submergé sont le plus souvent utilisés comme fours de réduction pour produire de la fonte ou des ferro-alliages à partir des minerais correspondants, plus ou mois préréduits au préalable dans un autre four, et de carbone ajouté sous forme de charbon, de coke ou de graphite. Ces matières solides sont en général chargées en continu par des ouvertures (0) pratiquées dans la voûte de ces fours, ainsi que le montre la figure 4.
On obtient de la sorte à l'intérieur du four un maximum de 3 phases superposées : une couche de charge (C) solide plus ou moins épaisse selon le type de charge, surnageant sur le bain de laitier (L) dans lequel la majorité des réactions de réduction se produisent, lui-même flottant sur le bain métallique (S). Les électrodes (E) plongent à travers la couche de charge solide (C) jusqu'au bain de laitier et y génèrent la chaleur par effet Joule, le bain métallique (S) et
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la couche de charge (C) solide situés de part et d'autre du laitier (L) étant chauffés indirectement par rayonnement et conduction.
Des électrodes en graphite peuvent être utilisées dans les fours à arc submergé, cependant elles sont préférentiellement remplacées par des électrodes à "auto-cuisson" ou électrodes SÔDERBERG. Ces électrodes sont mieux adaptées au fonctionnement en continu des fours de réduction, car elles sont reconstituées au fur à mesure de leur consommation. Cette reconstitution se fait en soudant sur l'extrémité supérieure de l'électrode des tronçons de tube métallique de même diamètre que l'électrode et munis intérieurement de nervures formant ainsi une sorte de "moule" qui est rempli d'une pâte à base de coke, d'anthracite, de brai et de goudron.
La pâte en question s'agglomère et durcit, on dit qu'elle "cuit", au fur à mesure de la consommation de l'électrode ainsi constituée, donc de sa descente dans le four, pour former finalement une électrode monobloc solide et compacte lors de son arrivée au niveau d'utilisation dans le four.
Bien qu'utilisées fort couramment, les électrodes à auto-cuisson précitées, présentent les inconvénients suivants : . La consommation des électrodes est relativement importante, entre 5 à 10 kg par tonne de fonte produite, ce qui entraîne des coûts supplémentaires non négligeables estimés à 5 à 10 Euro par tonne de fonte.
¯ Lorsqu'on considère l'implantation sur un même site d'exploitation d'un four à arc submergé et d'un four de pré-réduction de la charge ferrifère, la situation idéale consisterait à positionner le four de préréduction à une hauteur suffisante au-dessus du four à arc submergé pour réaliser un couplage direct entre les deux fours. On pourrait alors permettre aux matières chaudes sortant du four de préréduction de tomber simplement au travers d'un tube de connexion dans le four à arc submergé, et simultanément de permettre, via la même connexion, au gaz réducteur chaud sortant du four à arc submergé de suivre un chemin inverse, ce qui permettrait son utilisation comme combustible dans le four de préréduction.
Cependant, dans la pratique courante, vu la présence des électrodes, de leur alimentation électrique, ainsi que de leurs mécanismes de positionnement et de fabrication, l'encombrement disponible au-dessus du four à arc submergé est fort important, ce qui rend très difficile son couplage direct avec le four de préréduction. La figure 5 schématise le cas pratique habituel d'un four à arc submergé (F) alimenté en matières produites dans un four de préréduction (P) sans liaison directe entre les deux fours précités.
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Habituellement, on doit donc collecter les matières chaudes sortant du four de préréduction et les amener via un système de transport (B) dans des trémies (T) de transfert garnies de réfractaires, puis les conduire au moyen d'un pont roulant (R) dans des silos (S1, S2) intermédiaires situés à l'aplomb du four à arc submergé (F) et puis seulement les charger dans ce dernier. Il est clair que les opérations de transferts sont économiquement préjudiciables et ce tant au niveau des investissements en installations que dans le suivi et l'entretien de ces dernières. La perte énergétique sous forme de chaleur sensible de la matière préréduite entraîne une consommation électrique supplémentaire d'environ 135 kWh par tonne de fonte au niveau du four à arc submergé.
En outre, le gaz sortant du four à arc submergé ne peut pas être envoyé directement vers le four de préréduction qui en est trop distant, ce qui entraîne encore des investissements supplémentaires pour un système de traitement dédicacé de ce gaz et correspond à une consommation énergétique supplémentaire au niveau du four de préréduction variant entre 450 et
900 MJ par tonne de fonte.
Présentation de l'invention La présente invention a pour objet un four à arc submergé dont la mise en oeuvre présente comme avantage non négligeable de palier les inconvénients précités, plus particulièrement dans le contexte d'un chargement dudit four à arc submergé directement à partir du four élaborant les matières constitutives de sa charge. Pour la suite de la présentation de l'objet de la présente invention, il sera fait référence à la figure 6 qui représente schématiquement un four suivant l'invention.
Conformément à la présente invention, un four à arc submergé équipé d'électrodes métalliques liquides consistant principalement en un récipient (1) doté de moyens (M) pour y introduire une charge (2), ainsi que d'au moins deux électrodes (5) (6) formées de divers éléments inclus schématiquement dans les cercles pointillés dessinés, reliées à une alimentation électrique représentée schématiquement par les signes + et-, ledit récipient (1 ) comprenant lors de la marche en régime dudit four à arc, c'est-à-dire après une phase de démarrage telle que définie ultérieurement dans la présente description et consistant principalement à obtenir un bain métallique au contact de chaque électrode et un bain supérieur de laitier (4) en contact avec les bains métalliques obtenus (7) précités relatifs aux électrodes (5) et (6),
au moins un bain dit supérieur (4)
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suffisamment fluide constitué d'au moins une phase, pâteuse, semi-liquide ou liquide, permettant le passage du courant électrique, la charge (2) étant déposée sur ledit bain supérieur (4) et fondue progressivement, est essentiellement caractérisé en ce que ledit four à arc submergé comporte au moins deux électrodes distinctes (5) (6) disposées à la périphérie du récipient (1 ) constitutif dudit four, en ce que lesdites électrodes (5) (6) comprennent chacune un bain métallique appelé secondaire (7), et en ce que le bain supérieur (4) précité sert de liaison entre les bains métalliques secondaires (7) des électrodes (5) (6) pour permettre le passage du courant entre ces dernières et procéder au chauffage du contenu dudit four à arc submergé.
Dans le four à arc submergé à électrodes liquides, objet de la présente invention, le bain supérieur (4) permettant le passage du courant entre les électrodes (5) (6) peut être lui-même issu de la fusion progressive de la charge (2) et peut éventuellement flotter sur un bain métallique dit inférieur (3), situé dans le fond dudit four à arc submergé, issu lui aussi de la fusion et/ou de la réduction progressive de la charge, et ce à condition qu'il n'existe pas de liaison directe sous forme de métal liquide entre le bain métallique inférieur (3) et les bains métalliques secondaires (7) des électrodes (5) (6) précitées.
Cette conception, tant dans le positionnement que dans le mode de réalisation des électrodes, a pour conséquence pratique lors de la construction du four à arc submergé selon la présente invention de permettre un dégagement de l'espace supérieur du four en question et de rendre ainsi possible son approvisionnement direct par le haut en matière chaude formant la charge dudit four à arc submergé.
Suivant une modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, une électrode (5) (6) consiste principalement en un ensemble comprenant du métal liquide formant le bain secondaire (7) et en un moyen qui assure le contact entre le bain secondaire (7) précité et une borne reliée à une source de potentiel électrique sise à l'extérieur dudit four.
Suivant une modalité de mise en oeuvre préférentielle du four, objet de la présente invention, le moyen assurant le contact entre le bain secondaire (7) relatif à une électrode (5) (6) et une borne reliée à une source de potentiel électrique sise à
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l'extérieur dudit four (1) consiste en au moins un objet métallique, préférentiellement le ou les objets métalliques sont soit des tôles, soit des barres, soit des tubes et de préférence les objets métalliques précités sont pourvus d'un revêtement de protection contre la corrosion.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du four, objet de la présente invention, le moyen assurant le contact entre le bain secondaire (7) relatif à une électrode (5) (6) et une borne reliée à une source de potentiel électrique sise à l'extérieur dudit four (1 ) consiste en au moins un objet métallique pourvu d'un système de refroidissement tel qu'un soufflage d'air, une pulvérisation d'eau ou une circulation naturelle ou forcée d'eau.
Suivant une modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est monophasée alternative ou continue, le récipient formant l'enceinte (1 ) du four présente une section horizontale circulaire, 2 électrodes (5) et (6) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés respectivement aux 2 bornes de l'alimentation électrique et disposés de manière sensiblement symétrique sur le pourtour dudit récipient.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est monophasée alternative ou continue, le récipient formant l'enceinte (1) du four présente une section horizontale ovale, 2 électrodes (5) et (6) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés respectivement aux 2 bornes de l'alimentation électrique et disposés de manière sensiblement symétrique sur le pourtour dudit récipient.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est monophasée alternative ou continue, le récipient formant l'enceinte (1 ) du four présente une section horizontale rectangulaire, 2 électrodes (5) et (6) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés respectivement aux 2 bornes de l'alimentation électrique et disposés sur des côtés opposés du pourtour dudit récipient.
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Suivant une modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est triphasée, le récipient formant l'enceinte (1) du four présente une section horizontale circulaire, 3 électrodes (11,12,13) ou 3 groupes d'électrodes connectés respectivement aux 3 phases de l'alimentation électrique disposés de manière sensiblement symétrique sur le pourtour dudit récipient.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est triphasée, le récipient formant l'enceinte (1) du four présente une section horizontale ovale, 3 électrodes (11,12,13) ou 3 groupes d'électrodes sont connectés respectivement aux 3 phases de l'alimentation électrique et disposés de manière sensiblement symétrique sur le pourtour dudit récipient.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle l'alimentation en énergie électrique est triphasée, le récipient formant l'enceinte (1) du four présente une section horizontale rectangulaire, 2 électrodes (11,12) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés respectivement à 2 des 3 phases de l'alimentation électrique et disposés chacun sur un des grands côtés du rectangle et 2 électrodes (13) ou 2 groupes d'électrodes sont connectés à la troisième phase de l'alimentation électrique et disposés chacun sur un des petits côtés du rectangle,
le rapport des dimensions des côtés de la section rectangulaire ainsi que la disposition et la tailles des électrodes ou des groupes d'électrodes étant choisis de manière à assurer une consommation équilibrée de courant sur les trois phases de l'alimentation électrique.
Les différentes modalités relatives au positionnement des électrodes selon le type de récipient formant le four et son alimentation électrique sont schématisées sur la figure 7 a à 7 e. Les différentes situations sont illustrées par la représentation des lignes de courant selon les cas envisagés.
En vue de permettre une compréhension plus aisée des modalités de réalisation des électrodes (5) et (6), on a élaboré la figure 8 (a et b) à laquelle on fera référence dans le texte ci-dessous.
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Suivant une modalité préférentielle de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, ledit four étant considéré dans son état de marche en régime, donc après la phase de démarrage, une électrode est constituée par une mince tôle d'acier (14), ladite tôle (14) étant placée sensiblement verticalement entre deux parois constituées de matériaux réfractaires (21) (22), la partie supérieure de ladite tôle (14), via son extrémité supérieure partiellement fondue tenant lieu de bain secondaire (7), étant en contact avec le bain supérieur (4), la partie inférieure de la tôle (14) étant reliée par une chambre de connexion électrique (16) à une source d'énergie électrique extérieure au four, de préférence la tôle (14) est revêtue d'une couche de protection contre la corrosion, de préférence les matériaux réfractaires entourant la tôle (14)
sont des blocs denses (21), de préférence lesdits blocs denses sont à base de magnésie, dans la partie en contact avec le bain supérieur (4), lesdits blocs denses (21) étant déposés sur un matériau réfractaire (22) plus léger et meilleur isolant thermique que celui constituant les blocs (21), l'ensemble formé par les blocs (21) et le matériau (22) étant pris en sandwich entre les parois (1) constituant l'enveloppe du four au niveau de l'électrode, de préférence on intercale un joint de dilatation (23) qui est constitué en un matériau réfractaire entre l'ensemble précité formé par les blocs denses (21) et le matériau (22) et les parois (1 ) précitées du four.
Suivant une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, ledit four étant considéré dans son état de marche en régime, donc après la phase de démarrage, une électrode est constituée par une mince tôle d'acier (14), ladite tôle (14) étant placée sensiblement horizontalement dans un ensemble constitué de matériaux réfractaires (21) (22), la partie intérieure de ladite tôle (14), via son extrémité partiellement fondue tenant lieu de bain secondaire (7), étant en contact avec le bain supérieur (4), la partie extérieure de la tôle (14) étant reliée par une chambre de connexion électrique (16) à une source d'énergie électrique extérieure au four, de préférence la tôle (14) est revêtue d'une couche de protection contre la corrosion, de préférence les matériaux réfractaires entourant la tôle (14)
sont des blocs denses (21), de préférence lesdits blocs denses sont à base de magnésie dans la partie en contact avec le bain supérieur (4), de préférence le bloc dense situé sous la tôle (14) est mis en forme de manière à empêcher tout écoulement vers l'intérieur du four de l'extrémité intérieure partiellement fondue de ladite tôle (14), lesdits blocs denses (21) étant complétés par un matériau réfractaire (22) plus léger et meilleur isolant thermique que
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celui constituant les blocs (21), l'ensemble formé par les blocs (21) et le matériau (22) étant rendu solidaire des parois (1 ) constituant l'enveloppe du four au niveau de l'électrode, de préférence on intercale un joint de dilatation (23) qui est constitué en un matériau réfractaire entre l'ensemble précité formé par les blocs denses (21) et le matériau (22)
et les parois (1) précitées du four.
Suivant encore une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle une électrode est constituée par une mince tôle d'acier (14), ladite tôle (14) étant placée sensiblement verticalement entre deux parois constituées de matériaux réfractaires (21) (22), la partie supérieure de ladite tôle (14), via son extrémité supérieure partiellement fondue tenant lieu de bain secondaire (7), la chambre de connexion électrique (16) précitée comporte au moins un moyen pour refroidir la partie inférieure de la tôle (14) précitée, de préférence un des moyens de refroidissement consiste en un système de pulvérisation (25) d'un fluide liquide et comporte au moins un autre moyen (26) dont le rôle est d'évacuer l'excédent du fluide de refroidissement.
Suivant encore une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre du four, objet de la présente invention, dans laquelle une électrode est constituée par une mince tôle d'acier (14), ladite tôle (14) étant placée sensiblement horizontalement dans un ensemble constitué de matériaux réfractaires (21) (22), la partie intérieure de ladite tôle (14), via son extrémité partiellement fondue tenant lieu de bain secondaire (7), la chambre de connexion électrique (16) précitée comporte au moins un moyen pour refroidir la partie extérieure de la tôle (14) précitée, de préférence un des moyens de refroidissement consiste en un système de pulvérisation (25) d'un fluide liquide et comporte au moins un autre moyen (26) dont le rôle est d'évacuer l'excédent du fluide de refroidissement.
Brève description des dessins Les dessins explicatifs de différents modes de réalisation du four, objet de la présente description de l'invention, ont été volontairement simplifiés en vue de mieux mettre en évidence les éléments sur lesquels porte l'invention et sont donc incomplets car ils ne représentent pas tous les éléments qui sont en général nécessaires à la bonne marche d'un four à arc submergé, comme par exemple les moyens d'extraction et de traitement
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des fumées, les moyens de refroidissement de l'enveloppe dudit four, les moyens de chargement, etc.
On notera que la Fig. 6 illustre le principe de base d'un four à arc submergé suivant l'invention; la Fig. 7 (a,b,c,d,e) illustre différentes configurations possibles du four à arc submergé suivant l'invention en fonction de la forme du récipient enveloppe utilisé et du type d'alimentation électrique ; etla Fig. 8 (a,b) illustre le principe d'une électrode du four à arc submergé suivant l'invention ainsi qu'une réalisation dudit four.
Modes de réalisation de l'invention La figure 6 est une vue de profil schématisant le principe même d'un four à arc submergé suivant l'invention. On y distingue le récipient (1) qui est l'enveloppe extérieure du four, la charge (2) qui est introduite par un quelconque moyen adéquat positionné au-dessus du four et non représenté, le bain métallique de production (3) et le bain de laitier (4), les deux électrodes respectivement positive (5) et négative (6) comprenant chacune un bain métallique secondaire (7) et assurant le chauffage du four principalement par effet Joule lors du passage du courant électrique dans le bain de laitier, les lignes de passage étant schématisées par (8) et (9).
Dans une première phase dite phase de démarrage, on charge par le haut dans le récipient vide une matière solide riche en éléments conducteurs du courant électrique comme du coke ou une autre substance carbonée et on chauffe ces matières au moyen des électrodes (5) et (6) précitées et ce jusqu'à obtenir respectivement un bain métallique secondaire au contact de chaque électrode et un bain de laitier (4) en contact avec les bains secondaires (7) précités relatifs aux électrodes (5) et (6). La phase suivante est la phase de travail en régime du four à arc submergé pendant laquelle le chauffage est opéré par conduction à travers du laitier et pendant laquelle on alimente le four avec sa charge solide de régime, par exemple du minerai préalablement préréduit en mélange avec diverses matières dont du coke et d'autres additifs.
Le bain métallique dit de production (3) apparaît alors progressivement dans le fond du récipient et son niveau est régulé en prélevant périodiquement du métal liquide hors du four. Dans la majorité des cas de mise en oeuvre, la consigne consiste
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en une hauteur du bain de production à ne pas dépasser, par exemple 1/3 de la hauteur entre le fond du récipient et le niveau des bains métalliques secondaires relatifs aux électrodes en considérant que lesdits bains sont disposés habituellement à la même hauteur, si ce n'est pas le cas, le niveau le plus bas est choisi pour estimer la hauteur précitée.
Il va de soi qu'un même souci de respecter un certain niveau du bain de laitier (4) existe et ce niveau est lui aussi régulé par prélèvement de laitier liquide hors du four en s'assurant qu'on dispose à tout moment suffisamment de laitier liquide pour assurer le contact entre les deux bains métalliques secondaires (7) relatifs aux électrodes (5) (6), de préférence, on essaie de conserver des bains métalliques secondaires (7) des électrodes (5) (6) totalement recouverts par le bain de laitier (4).
On constate donc bien que le problème évoqué précédemment d'usure des électrodes dans un four à arc submergé classique est résolu, car le bain métallique secondaire (7) de chaque électrode ne participe pas directement à l'alimentation du bain de production (3) et ne diminue pratiquement pas, les diminutions minimes pouvant être compensées - si nécessaire - par l'ajout périodique au-dessus des bains secondaires des électrodes (5) (6) de petites quantités d'un métal identique à celui constituant les bains secondaires précités.
De plus; vu le dégagement de la partie supérieure du four, objet de la présente invention, de par la localisation en périphérie des électrodes, rien ne s'oppose plus à l'aménagement au-dessus dudit four d'une unité de préparation des matières chargées, par exemple une unité de préréduction et il en découle la possibilité de transférer directement dans le four à arc submergé les matières chaudes issues de l'unité de préréduction tout en faisant suivre un chemin inverse aux gaz issus du four à arc submergé vers l'unité de préréduction dans laquelle leur chaleur latente est utilement récupérée.
Les figures 7a, 7b et 7c illustrent le cas de fours à arc submergé alimentés en courants monophasés continus ou alternatifs.
La figure 7a schématise un four à arc submergé formé d'un récipient (1) de section droite circulaire et comprenant les électrodes (5) et (6) disposées face à face. On constate dans la pratique que les lignes de conductions (10) présentent une disposition symétrique qui favorise un chauffage de la charge régulièrement réparti dans l'espace.
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Les figures 7b et 7c schématisent un four à arc submergé formé d'un récipient (1) de section droite rectangulaire et comprenant les électrodes (5) et (6) disposées face à face respectivement suivant le plus petit côté et suivant le plus grand côté. On constate ici dans la pratique que les lignes de conductions (10) présentent une disposition encore plus régulière et plus symétrique que dans le cas de la section circulaire reprise à la figure 7a, ce qui favorise encore plus un chauffage de la charge régulièrement réparti dans l'espace.
Les figures 7d et 7e illustrent le cas de fours à arc submergé alimentés en courant triphasé.
La figure 7d illustre un four à arc submergé formé d'un récipient (1) de section droite circulaire et comprenant 3 électrodes (11), (12) et (13) disposées symétriquement sur le pourtour. On constate dans la pratique que les lignes de conductions (10) présentent une disposition symétrique qui favorise un chauffage de la charge régulièrement réparti dans l'espace.
La figure 7e schématise un four à arc submergé formé d'un récipient (1) de section droite rectangulaire et comprenant 3 électrodes (11 ), (12) et (13) disposées sur le pourtour de telle manière que 2 des électrodes (11) et (12), connectées respectivement à 2 des 3 phases de l'alimentation électrique, se trouvent chacune sur un des grands côtés du rectangle et que 2 électrodes (13), connectées à la troisième phase de l'alimentation électrique, se trouvent chacune sur un des petits côtés du rectangle. On constate que, par un choix judicieux des dimensions des côtés de la section rectangulaire ainsi que de la disposition et de la taille des électrodes, il est possible d'assurer à la fois un chauffage homogène de la charge et une consommation équilibrée de courant sur les trois phases de l'alimentation électrique.
Les figures Sa et 8b ont trait au cas particulier d'un four à arc submergé selon l'invention de forme rectangulaire, équipé d'électrodes disposées suivant les deux plus grands côtés et constituées chacune par une mince tôle d'acier placée verticalement entre deux parois constituées de matériaux réfractaires, respectivement la figure 8a est la représentation schématique en plan d'une coupe selon le plan AA' d'une vue en profil et la figure 8b est la représentation schématique en profil d'un détail de l'électrode gauche selon une coupe 88' d'une vue en plan.
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On distingue sur la figure 8a le récipient (1) de forme rectangulaire, les deux électrodes disposées selon les deux plus grands côtés et comprenant les tôles minces (14) et (15) dont la partie inférieure est refroidie par pulvérisation d'eau dans les deux chambres de connexion (16) et (17) pourvues d'orifices (26) permettant évacuer l'excédent d'eau de refroidissement.
La figure 8b illustre une configuration particulière d'une électrode destinée au four rectangulaire représenté sur la figure 8a. On y distingue les parois (1) du four qui sont refroidies par circulation d'eau (18) au niveau du bain de laitier (4), ce dernier formant une couche (20) solide au contact desdites parois (1) refroidies. La couche (20) ainsi formée constitue un bon isolant thermique et limite les pertes thermiques via l'eau de refroidissement. L'électrode est constituée d'une tôle mince (14) placée verticalement entre deux parois composées de matériaux réfractaires sous forme de blocs denses (21) posés sur une couche d'un matériau (22) plus léger permettant une meilleure isolation thermique. Des joints de dilatation (23) sont placés contre les parois (1) refroidies à l'eau.
Le raccordement électrique de chaque électrode est réalisé dans une chambre de connexion (16) qui dispose d'un système de refroidissement, dans le cas exposé une rampe de nébuliseurs d'eau (25). Ce type de refroidissement peut imposer certaines précautions telles que l'utilisation d'une tôle (14) protégée contre la corrosion, par exemple une tôle revêtue, et la présence d'un système d'élimination de l'eau de refroidissement excédentaire ainsi que de la vapeur d'eau tel que les orifices (26) représentés sur la figure 8a.
Lors du fonctionnement du four à arc submergé suivant l'invention, la tôle (14) fond dans sa partie supérieure en contact direct avec le bain de laitier et, sous l'effet principal du refroidissement de son extrémité dans la chambre de connexion (16) par les nébuliseurs d'eau (25), il se forme un équilibre dans les transferts thermiques qui donne lieu à l'apparition d'un front de solidification (27) séparant la partie supérieure fondue de la tôle (28) de sa partie inférieure solide (29).
La figure 9 illustre une autre configuration particulière d'une électrode destinée à un four rectangulaire du type de celui représenté sur la figure 8a. On y distingue les parois (1) du four qui sont refroidies par circulation d'eau (18) au niveau du bain de laitier (4), ce dernier formant une couche (20) solide au contact desdites parois (1) refroidies. La couche (20) ainsi formée constitue un bon isolant thermique et limite les pertes thermiques via l'eau de refroidissement. L'électrode est constituée d'une tôle mince (14) placée horizontalement dans un ensemble composé de matériaux réfractaires sous
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forme de blocs denses (21) et d'une couche d'un matériau (22) plus léger permettant une meilleure isolation thermique. Des joints de dilatation (23) sont placés contre les parois (1) refroidies à l'eau.
Le raccordement électrique de chaque électrode est réalisé dans une chambre de connexion (16) qui dispose d'un système de refroidissement, dans le cas exposé une rampe de nébuliseurs d'eau (25). Ce type de refroidissement peut imposer certaines précautions telles que l'utilisation d'une tôle (14) protégée contre la corrosion, par exemple une tôle revêtue, et la présence d'un système d'élimination de l'eau de refroidissement excédentaire ainsi que de la vapeur d'eau tel que les orifices (26) représentés sur la figure 8a.
Lors du fonctionnement du four à arc submergé suivant l'invention, la tôle (14) fond dans sa partie intérieure en contact direct avec le bain de laitier et, sous l'effet principal du refroidissement de son extrémité dans la chambre de connexion (16) par les nébuliseurs d'eau (25), il se forme un équilibre dans les transferts thermiques qui donne lieu à l'apparition d'un/front de solidification (27) séparant la partie supérieure fondue de la tôle (28) de sa partie inférieure solide (29).
Un domaine préférentiel d'application d'un four suivant la présente invention est la production de fonte ou d'acier. Il en résulte un procédé consistant schématiquement à alimenter le four en une charge (2) constituée principalement de ferrailles et de minerais, éventuellement préréduits, auxquels on ajoute une ou plusieurs matières contenant du carbone comme du charbon ou du coke, ces dernières étant introduites en quantités contrôlées afin d'assurer, d'une part une réduction sensiblement complète des oxydes de fer présents dans la charge afin de limiter la teneur en fer du bain supérieur (4) de laitier à 2% et préférentiellement à moins de 0.
8% quand on vise essentiellement la production de fonte, et d'autre part une réduction partielle des oxydes de fer présents dans la charge afin de maintenir la teneur en fer du bain supérieur (4) de laitier entre 5 et 40% et préférentiellement entre15 et 25% dans le cas de la production d'acier.
En outre, on procède dans les deux cas à des additions correctrices comme de la chaux, de la castine, de la bauxite, ou de la magnésie introduites en quantités contrôlées afin de produire une phase de laitier (4) qui soit à la fois conductrice du courant électrique et qui ait un indice de basicité, d'une part supérieur à 0. 8, et même de préférence compris entre 1 et 1.3, pour la production d'une fonte de qualité comparable à celle des haut fourneaux, et d'autre part supérieur à 1, et même
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de préférence compris entre 1.2 et 2. 5, pour la production d'un acier contenant peu de soufre et de phosphore.
Conclusions Cette nouvelle approche tant dans le positionnement que dans la conception des électrodes a pour conséquence pratique lors de la construction d'un four à arc submergé selon la présente invention d'éviter toute consommation en électrode de carbone et de permettre l'approvisionnement par le haut directement à partir du four élaborant les matières constitutives de sa charge.
On constate en effet que le problème d'usure des électrodes est résolu car le bain métallique secondaire de chaque électrode ne participe pas directement à l'alimentation du bain de production et ne diminue pratiquement pas, les diminutions minimes pouvant être compensées - si nécessaire - par l'ajout périodique aù-dessus des bains secondaires des électrodes de petites quantités d'un métal identique à celui constituant les bains secondaires précités.
De plus, vu le dégagement de la partie supérieure du four de par la localisation en périphérie des électrodes, rien ne s'oppose plus à l'aménagement au-dessus dudit four d'une unité de préparation des matières chargées, par exemple une unité de préréduction et il en découle la possibilité de transférer directement dans le four à arc submergé les matières chaudes issues de l'unité de préréduction tout en faisant suivre un chemin inverse aux gaz issus du four à arc submergé vers l'unité de préréduction dans laquelle leur chaleur latente est utilement récupérée.