Four électrique à arc et utilisation de ce four La présente invention vise un four électrique à arc et une utilisation de ce four pour fondre du titane.
Lors de la fusion de certains métaux tels que l'éponge de titane, des hautes températures sont né cessaires en vue d'obtenir un métal massif. Ceci s'ob tient facilement en faisant passer un arc électrique entre une électrode et le métal. Dans les procédés de fusion utilisés dans l'industrie des métaux actifs (en particulier le titane et le zirconium), des élec trodes en tungstène ont été utilisées primitivement.
Toutefois, le métal à fondre contient des matières volatiles qui aggravent le problème posé par la souil lure de l'électrode par la matière en fusion. Ainsi, alors que l'on peut réduire, sinon supprimer les pro jections normales se produisant lorsque des parti cules viennent frapper la masse fondue, de petites explosions, mais cependant graves, se produisant dans l'arc du fait de matières contenant des produits vola tils, abîment fortement l'électrode, en souillant ainsi la masse fondue.
Ce problème n'a pas pu être résolu tout en con servant l'électrode en tungstène. Par l'utilisation d'électrodes en carbone, la souillure de la masse fon due était un problème moins important, simplement du fait que le carbone est plus tolérable que le tungstène. Si, à présent, la plupart des électrodes sont consommables et faites de la matière à fondre, c'est parce que ces électrodes présentent des avan tages évidents, quoique, mécaniquement, ce procédé de fusion est beaucoup plus complexe que le pro cédé antérieur à l'électrode non consommable et il est plus coûteux.
Le four électrique à arc selon le présent brevet comporte une chambre et au moins une électrode disposée dans cette chambre, cette électrode étant entourée par une tuyère coaxiale s'étendant au-delà de l'extrémité de l'électrode, et des moyens destinés à fournir à la tuyère un gaz sortant de la tuyère à travers un orifice de la tuyère et est caractérisé en ce que ledit orifice comporte une section trans versale inférieure à la section transversale d'un arc non rétréci partant de l'extrémité de l'électrode.
Le jet composé de l'arc et du gaz sortant de la tuyère peut être considéré comme une électrode virtuelle conductrice du courant, possédant les avan tages des électrodes en carbone sans.leurs nombreux inconvénients. Dans cette analogie, le jet peut être comparé au dispositif de serrage d'une électrode en carbone, faisant arriver du courant au milieu con ducteur et établissant sa direction. La flamme con ductrice de l'arc entourée de gaz (pseudo-électrode) possède une rigidité et une possibilité de direction comparables à celle dé l'électrode en carbone, bien qu'infiniment moins fragile et non sujette à rupture.
La résistance du gaz arrivant dans l'arc est du même ordre que celle de l'électrode en carbone, mais évi demment la pseudo-électrode a une plus grande capa cité de passage du courant puisqu'elle ne peut pas être surchargée.
Toutefois, en plus, la force exercée sur le gaz à l'endroit de la tuyère devient dans une première approximation la force exercée par le gaz sur la masse fondue. Par exemple, la forme exercée par le courant de gaz à la sortie de la tuyère peut être réglée de manière à abaisser une partie de la surface de la masse fondue, en agitant ainsi cette masse et en homogénéisant la composition de la matière. Ainsi, par exemple, dans le cas d'une seule électrode à cou rant gazeux, les avantages de stabilité et de réglage de l'arc et de l'agitation de la masse ne pourraient se retrouver avec une électrode en carbone que si celle- ci pouvait être plongée dans la masse fondue, ce qui n'est pas à souhaiter.
Plusieurs formes d'exécution du four selon l'in vention seront décrites, à titre d'exemple, en se réfé rant- au dessin annexé, dans lequel la fig. 1 est une vue partielle, en coupe verti cale, d'un four connu<B>;</B> la fig. 2 est une vue en coupe d'un four élec trique selon une première forme d'exécution; la fig. 3 est une vue analogue d'une variante alimentée en courant triphasé ; la fig. 4 est une vue analogue d'une variante avec deux électrodes convergentes ; les fig. 5 et 6 sont des coupes de variantes, et la fig. 7 est une vue, en coupe partielle, d'un four servant à fondre un métal actif.
Lorsqu'on fond des métaux actifs, tels que l'éponge de titane, selon la fig. 1 montrant un ancien type de four, deux électrodes 12 sont montées assez près de la surface du métal solide. Le métal à fondre 14 est contenu dans un creuset (anode) 10 qui est, de préférence, en cuivre refroidi par de l'eau (non représenté). Ce creuset n'est pas attaqué par le titane fondu fortement actif du fait de l'action de refroi dissement de ses parois relativement froides. Afin de protéger le métal fondu, le creuset et les électrodes sont enfermés et maintenus dans une atmosphère inerte.
Les électrodes 12 en carbone, montées au-des sus de la masse fondue 14 de manière à produire des arcs 16, sont excitées par un transformateur triphasé 18 au moyen de fils 20, 22 et 24 reliés aux électrodes et 'a la masse fondue, respectivement. En ce cas, non seulement les arcs 16 vont et viennent mais encore ils n'ont ni forme, ni direction définies et les électro des et la masse fondue peuvent être souillées. On a représenté un montage Scott, mais on pourrait avoir tout autre montage.
La fig. 2 représente une forme d'exécution du four à arc selon l'invention. La construction et l'ali mentation de ce four sont semblables à celles du four selon la fig. 1, excepté que les électrodes en carbone 12 sont remplacées par deux tuyères 26 en tourant chacune une électrode, chaque tuyère présen tant un orifice dans son fond et étant ouverte vers le haut. La section transversale de cet orifice est inférieure à la section transversale d'un arc non rétréci partant de l'extrémité de l'électrode.
Un cou rant de gaz à grande vitesse est fourni à chaque tuyère (voir flèches de la fig. 2), passe le long de l'électrode et sort par l'orifice en formant avec l'arc établi entre l'électrode et le métal fondu un jet 28, ce qui empêche l'entrée dans la tuyère des projec tions jaillissant de tous les côtés et des fumées de sorte que la souillure de la matière fondue est élimi née et que l'on peut utiliser des électrodes non con sommables.
Selon la fig. 3, le four comporte trois tuyères et électrodes au lieu de deux et qui sont reliées à une source 30 de courant triphasé en étoile.
Dans une variante selon la fig. 4, deux tuyères 26 sont dirigées de telle sorte que les jets 28 consti- tués par l'arc et le gaz se rencontrent juste au-dessus du métal 14. Les électrodes alimentées à courant continu sont reliées en série de façon que le métal 14 ne- soit pas en circuit. De cette manière on peut faire fondre une matière non conductrice. Toutefois, beau coup de matières non conductrices le deviennent à température élevée. On obtient un meilleur chauf fage si l'on utilise cette propriété en changeant la direction des jets après que la matière non conduc trice l'est devenue lorsqu'elle a été suffisamment chauffée ; il se forme alors deux séries d'arcs : (1) négatif à masse fondue, (2) masse fondue à positif.
Suivant la fig. 5, deux gaz sont utilisés. Le pre mier gaz tel que l'azote ou l'argon formant le jet sert à protéger l'électrode 32 contre les détériorations et un deuxième gaz plus actif que le premier descend dans la colonne 34 du jet. Un exemple d'application de cette disposition est la fabrication de l'acier par un procédé à l'oxygène, par exemple le procédé Linz- Donawitz. L'inconvénient principal du procédé Linz- Donawitz est la faible quantité de ferraille par rap port au métal chaud que l'on peut utiliser. De la chaleur supplémentaire introduite dans le courant d'oxygène augmente les limites possibles d'utilisation de ferraille.
Suivant la fig. 6, la tuyère 26 contenant l'élec trode est entourée concentriquement d'une électrode en charbon consommable et creuse 36, à avance automatique de manière à rester en position par rapport à la tuyère centrale. On peut utiliser un arc central 38 relativement petit, par exemple dont l'in tensité est comprise entre 500 et 100 ampères, avec des milliers ou des dizaines de milliers d'ampères pas sant de l'électrode externe 36 au jet central.
Dans les<B>-</B>exemples ci-dessus, il est entendu que l'on peut utiliser, si besoin est, le principe de l'arc d'amorçage décrit dans le brevet suisse NO 342303.
Selon la fig. 7, un creuset 40 refroidi par de l'eau est monté sur un élévateur 42, dans un boîtier 44 refroidi par de l'eau et formant chambre fermée 46 pour le creuset. Un chalumeau à arc 48 est monté par un joint à rotule 50 dans un couvercle 51 du boîtier 44, au-dessus de l'intérieur d'une masse fon due 52 contenue dans le creuset 40. Il convient de monter le chalumeau à arc de façon mobile afin de pouvoir diriger l'arc vers n'importe quel point de la surface du métal se trouvant dans le creuset.
Le chalumeau à arc comporte une tuyère métal lique 54 munie d'un passage annulaire 56 par lequel on peut faire circuler de l'eau pour maintenir froide la paroi intérieure d'un passage central 57 de cette tuyère, stabilisant la paroi de l'arc. Une électrode en tungstène 60 est montée au-dessus de ce pas sage, dans l'axe de celui-ci. La tuyère est isolée du corps 58 du chalumeau par une bague 62 en une matière isolante. L'électrode 60 est reliée électrique ment au pôle négatif d'une source de courant continu dont le pôle positif est relié au creuset et, par une résistance 64, à la tuyère. On fait arriver un gaz inerte sous pression, tel que de l'argon, au chalu- menu, par un tuyau 66, de telle sorte que ce gaz s'écoule sous pression par le passage 57.
De même on fait arriver dans le creuset, par un tuyau 68, du métal granulaire à fondre.
En fonctionnement, il s'établit d'abord un arc d'amorçage entre l'extrémité inférieure de l'électrode 60 et la tuyère 54. Il s'établit ensuite un arc prin cipal 70 sous l'influence du courant de gaz entre cette électrode et la masse fondue 52.
Le courant de gaz à haute vitesse entourant l'arc dans le présent four, en plus de ce qu'il empêche la souillure de l'électrode non consommable et qu'il donne à l'arc une direction déterminée et stable, assure également une action d'agitation réglable de la masse fondue, en donnant ainsi un maximum d'homogénéité à n'importe quel métal, qu'il soit actif ou non, et aussi à un alliage.
Electric arc furnace and use of this furnace The present invention relates to an electric arc furnace and a use of this furnace for melting titanium.
When melting certain metals such as titanium sponge, high temperatures are required in order to obtain a solid metal. This is easily achieved by passing an electric arc between an electrode and the metal. In the smelting processes used in the active metal industry (in particular titanium and zirconium), tungsten electrodes were originally used.
However, the metal to be melted contains volatile matter which aggravates the problem posed by the soiling of the electrode by the molten material. Thus, while it is possible to reduce, if not eliminate the normal projections which occur when particles strike the molten mass, small explosions, but nevertheless serious, occurring in the arc due to materials containing vola tils, strongly damage the electrode, thus contaminating the melt.
This problem could not be solved while retaining the tungsten electrode. By the use of carbon electrodes, soiling of the ground mass was less of a problem, simply because carbon is more tolerable than tungsten. If, at present, most electrodes are consumable and made of the material to be melted, it is because these electrodes have obvious advantages, although, mechanically, this process of fusion is much more complex than the process prior to the non-consumable electrode and it is more expensive.
The electric arc furnace according to the present patent comprises a chamber and at least one electrode arranged in this chamber, this electrode being surrounded by a coaxial nozzle extending beyond the end of the electrode, and means intended for supplying the nozzle with gas leaving the nozzle through an orifice of the nozzle and is characterized in that said orifice has a cross section smaller than the cross section of an unstressed arc starting from the end of the electrode .
The jet made up of the arc and the gas leaving the nozzle can be considered as a virtual current-carrying electrode, having the advantages of carbon electrodes without their many disadvantages. In this analogy, the jet can be compared to the clamping device of a carbon electrode, causing current to flow to the conducting medium and establishing its direction. The conducting flame of the arc surrounded by gas (pseudo-electrode) has a rigidity and a possibility of direction comparable to that of the carbon electrode, although it is infinitely less brittle and not subject to rupture.
The resistance of the gas entering the arc is of the same order as that of the carbon electrode, but of course the pseudo-electrode has a greater capacity for passing the current since it cannot be overloaded.
However, in addition, the force exerted on the gas at the location of the nozzle becomes, in a first approximation, the force exerted by the gas on the melt. For example, the shape exerted by the gas stream at the outlet of the nozzle can be adjusted so as to lower part of the surface area of the melt, thereby stirring this mass and homogenizing the composition of the material. Thus, for example, in the case of a single gas current electrode, the advantages of stability and control of the arc and of the agitation of the mass could only be found with a carbon electrode if it this could be immersed in the melt, which is not to be desired.
Several embodiments of the oven according to the invention will be described, by way of example, with reference to the appended drawing, in which FIG. 1 is a partial view, in vertical section, of a known furnace <B>; </B> FIG. 2 is a sectional view of an electric oven according to a first embodiment; fig. 3 is a similar view of a variant supplied with three-phase current; fig. 4 is a similar view of a variant with two converging electrodes; figs. 5 and 6 are cross-sections of variants, and FIG. 7 is a view, in partial section, of a furnace for melting an active metal.
When melting active metals, such as titanium sponge, according to fig. 1 showing an older type of furnace, two electrodes 12 are mounted fairly close to the surface of the solid metal. The metal to be melted 14 is contained in a crucible (anode) 10 which is preferably water cooled copper (not shown). This crucible is not attacked by the highly active molten titanium due to the cooling action of its relatively cold walls. In order to protect the molten metal, the crucible and the electrodes are enclosed and maintained in an inert atmosphere.
The carbon electrodes 12, mounted above the melt 14 so as to produce arcs 16, are excited by a three-phase transformer 18 by means of wires 20, 22 and 24 connected to the electrodes and to the melt, respectively. In this case, not only do the arcs 16 come and go, but also they have no definite shape or direction and the electro des and the melt can be soiled. We have shown a Scott assembly, but we could have any other assembly.
Fig. 2 shows an embodiment of the arc furnace according to the invention. The construction and supply of this furnace are similar to those of the furnace according to fig. 1, except that the carbon electrodes 12 are replaced by two nozzles 26 by each rotating an electrode, each nozzle having an orifice in its bottom and being open upwards. The cross section of this orifice is smaller than the cross section of an unstressed arc starting from the end of the electrode.
A high speed gas stream is supplied to each nozzle (see arrows in fig. 2), passes along the electrode and exits through the orifice, forming with the arc established between the electrode and the metal molten jet 28, which prevents the entry into the nozzle of projections from all sides and fumes so that the contamination of the molten material is removed and that non-consumable electrodes can be used.
According to fig. 3, the furnace has three nozzles and electrodes instead of two and which are connected to a three-phase star current source 30.
In a variant according to FIG. 4, two nozzles 26 are directed so that the jets 28 formed by the arc and the gas meet just above the metal 14. The electrodes supplied with direct current are connected in series so that the metal 14 is not in circuit. In this way, a non-conductive material can be melted. However, many non-conductive materials become so at elevated temperatures. Better heating is obtained if this property is used by changing the direction of the jets after the unconductive material has become so when it has been sufficiently heated; two series of arcs are then formed: (1) negative to melt, (2) melt to positive.
According to fig. 5, two gases are used. The first gas such as nitrogen or argon forming the jet serves to protect the electrode 32 against damage and a second gas more active than the first descends into the column 34 of the jet. An example of application of this arrangement is the manufacture of steel by an oxygen process, for example the Linz-Donawitz process. The main disadvantage of the Linz-Donawitz process is the small amount of scrap compared to the hot metal that can be used. Additional heat introduced into the oxygen stream increases the possible limits of scrap metal use.
According to fig. 6, the nozzle 26 containing the electrode is surrounded concentrically by a consumable and hollow carbon electrode 36, automatically advancing so as to remain in position with respect to the central nozzle. A relatively small central arc 38 can be used, for example with an intensity of between 500 and 100 amps, with thousands or tens of thousands of amps passing from the external electrode 36 to the central jet.
In the above <B> - </B> examples, it is understood that one can use, if necessary, the principle of the starting arc described in the Swiss patent NO 342303.
According to fig. 7, a water-cooled crucible 40 is mounted on an elevator 42, in a water-cooled housing 44 forming a closed chamber 46 for the crucible. An arc torch 48 is mounted by a ball joint 50 in a cover 51 of the housing 44, above the interior of a dark mass 52 contained in the crucible 40. The arc torch should be mounted. movable way in order to be able to direct the arc to any point on the surface of the metal in the crucible.
The arc torch comprises a metal nozzle 54 provided with an annular passage 56 through which water can be circulated to keep the inner wall of a central passage 57 of this nozzle cold, stabilizing the wall of the arc. . A tungsten electrode 60 is mounted above this wise pitch, in the axis thereof. The nozzle is isolated from the body 58 of the torch by a ring 62 made of an insulating material. The electrode 60 is electrically connected to the negative pole of a direct current source, the positive pole of which is connected to the crucible and, by a resistor 64, to the nozzle. An inert gas under pressure, such as argon, is supplied to the boiler through pipe 66, so that this gas flows under pressure through passage 57.
In the same way, granular metal to be melted is brought into the crucible, via a pipe 68.
In operation, an ignition arc is first established between the lower end of the electrode 60 and the nozzle 54. A main arc 70 is then established under the influence of the gas flow between this. electrode and melt 52.
The high velocity gas flow surrounding the arc in the present furnace, in addition to preventing soiling of the non-consumable electrode and giving the arc a determined and stable direction, also ensures adjustable stirring action of the melt, thus giving maximum homogeneity to any metal, whether active or not, and also to an alloy.