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.