BE1016470A3 - Four electrique a arc muni d'un dispositif pour le guidage de l'arc et procede de guidage correspondant. - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un four électrique à arc (1) comprenant en utilisation un bain en fusion (2) et une charge solide (3), muni d'un couple d'électrodes dont au moins une (5) est localisée dans une atmosphère gazeuse (4) au-dessus de la charge solide (3), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (6) pour créer un microplasma dans une région filamentaire (8) qui assure une direction privilégiée à l'établissement de l'arc électrique.

Description

  FOUR ELECTRIQUE A ARC MUNI D'UN DISPOSITIF POUR LE GUIDAGE DE L'ARC ET PROCEDE DE GUIDAGE CORRESPONDANT
Objet de 1 ' invention
[0001] La présente invention se rapporte à un four électrique à arc équipé d'un dispositif pour le guidage de précision de l'arc électrique. L'invention concerne de préférence un four à arc utilisé dans le domaine technique de la métallurgie ou de la sidérurgie.
[0002] 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".

   Dans le contexte de 1 ' invention, la partie encore solide de la charge pourra contenir de préférence des pièces déclassées ou des débris de fonte, d'acier ou de métaux ferreux, appelés de manière générique "ferraille (s) " , ou plus généralement des déchets métalliques de relativement petite dimension, appelés usuellement "mitraille" .

   [0003] L'invention concerne également le procédé mettant en oeuvre le four électrique à arc modifié.
Arrière-plan technologique et état de la technique [0004] Les fours à arc d'aciérie sont des installations connues et largement utilisées dans.le contexte de la production d'acier et ce aussi bien au staSe classique de la fusion de ferrailles qu'au stade d'une réduction de charges comprenant des ferrailles et des minerais, souvent déjà préréduits ou réduits, en vue de préparer une fonte qui subira ultérieurement un affinage vers l'acier. [0005] Les fours à arc d'aciérie peuvent être classés en deux grandes familles respectives, celle englobant les fours à arc proprement dit et celle plus spécifique relative aux fours à arc submergé ou noyé.

   Le procédé de la présente invention ne s'appliquera pas a priori à ce dernier type de four dans la mesure où il requiert l'établissement d'un arc électrique franc par ionisation de l'air ou d'un autre gaz.
[0006] Dans un four à arc proprement dit, la charge est chauffée par le rayonnement d'un arc électrique généré dans son voisinage immédiat.

   Dans ce type de four, on trouve trois conceptions différentes : le cas où les électrodes sont disposées horizontalement au-dessus de la charge de manière à générer un arc électrique qui s'établit au-dessus de cette dernière et la chauffe par rayonnement (exemple de four à arc indirect) ; le cas où les électrodes 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, le chauffage de la charge ayant encore lieu principalement par rayonnement de l'arc ; et le cas où une première électrode, dite supérieure ou de voûte, est disposée au-dessus de la charge et une seconde électrode, 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 et la charge qui sert aussi à fermer le circuit vers l'électrode de fond, le chauffage de la charge ayant encore lieu principalement par rayonnement de l'arc. C'est ce dernier cas de figure qui sera plus particulièrement considéré pour illustrer le principe de la présente invention.
[0007] 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.
[0008] Les fours alimentés en courant alternatif triphasé présentent généralement une configuration avec 3 électrodes de voûte,

   alors que les fours alimentés en courant continu monophasé présentent généralement une configuration avec une électrode de voûte et une électrode de fond.
[0009] En ce qui concerne les techniques de réalisation des électrodes, on notera que les électrodes de voûte sont le plus souvent constituées de graphite, les électrodes de fond se composant de matériau réfractaire suffisamment conducteur de l'électricité.
[0010] En général, en courant continu, 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.

   [0011] Dans un cycle de fusion de four électrique à arc de haute puissance s ' établissant entre une électrode de voûte et une charge, du fait de sa faible densité, la mitraille solide surnage au-dessus de la phase liquide, une grande partie du volume étant occupée par l'air ou une atmosphère gazeuse. Généralement, l'électrode de voûte est animée d'un mouvement vertical régulé. Une opération critique est le "forage", c'est-à-dire la fusion progressive de la mitraille, à l'endroit où s'établit l'arc électrique entre celle-ci et ladite électrode, à mesure que celle-ci descend "dans" la mitraille.

   Au cours de la fusion, la masse de mitraille se réduit au voisinage de l'électrode et son niveau descend. [0012] Cette opération est particulièrement délicate dans la mesure où, selon l'état actuel de la technique, il est très difficile de maîtriser et donc d'optimiser le chemin exact que va suivre l'arc électrique. De même, il est pratiquement impossible d'imposer la longueur de l'arc électrique.
[0013] De plus, suite à un effet de pointes provoqué par la nature même des éléments de mitraille, en particulier quand la charge est disposée de manière asymétrique, des arcs électriques parasites naissent latéralement, ce qui disperse une partie de la puissance et nuit au rendement du procédé de fusion.

   En outre des arcs parasites peuvent également se produire en direction des parois latérales du four et causer des dommages aux réfractaires et aux panneaux refroidis à l'eau.
[0014] En particulier, dans les fours où un arc électrique est généré entre une électrode supérieure et une charge à chauffer ou à mettre en fusion, comme de la mitraille solide, il est connu de faire passer des courants électriques dans des bobinages, par exemple encerclant l'arc, pour créer un champ magnétique tendant à stabiliser l'arc et à lui donner une direction préférentielle verticale, éventuellement avec un mouvement assurant le mélange de la matière fondue (voir par exemple US-A5,956,366).

   On peut également créer un champ magnétique tournant causant une déflexion tournante de l'arc, à la même vitesse (US-A-4, 110, 546) .
Buts de 1 ' invention [0015] La présente invention vise à fournir un dispositif et procédé un qui permettent d'éviter les inconvénients ou limitations de l'état de la technique. [0016] En particulier, l'invention a pour but d'éviter les arcs électriques latéraux pendant le forage, de concentrer et mieux répartir la puissance disponible et de permettre une fusion plus homogène de la mitraille.

   [0017] L'invention a également pour but de permettre l'utilisation d'une rampe de montée en puissance plus rapide et de raccourcir la période de forage.
Principaux éléments caractéristiques de 1 ' invention
[0018] Un premier objet de la présente invention est un four électrique à arc comprenant en utilisation un bain en fusion et une charge solide, muni d'un couple d'électrodes dont au moins une est localisée dans une atmosphère gazeuse au-dessus de la charge solide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour créer un microplasma dans une région filamentaire qui assure une direction privilégiée à l'établissement de l'arc électrique.
[0019] Selon 1 ' invention, lesdits moyens comprennent un laser infrarouge à impulsions ultracourtes et de forte puissance, basé sur la technique de l'amplification à dérive de fréquence.
[0020] Avantageusement,

   la puissance du laser est supérieure à 1 GW, et de préférence supérieure à 1 TW, la largeur des impulsions étant comprise entre 50 et 500 fs et la fréquence des impulsions étant comprise entre 1 et 100 Hz.
[0021] L'invention est particulièrement adaptée pour une longueur utile de la région filamentaire (7) comprise entre 0,1 et 10 m, son diamètre étant inférieur à 500 [mu]m et de préférence inférieure à 200 [mu] . [0022] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cas d'un four à arc plasma, le bain étant un bain de métal en fusion.

   [0023] De préférence, le métal est la fonte, l'acier, le cuivre, le zinc le nickel, l'aluminium, le plomb, l'étain ou des alliages de ceux-ci.
[0024] De préférence encore, la charge comprend de la mitraille, de la ferraille ou du minerai de fer préréduit.
[0025] Toujours de préférence, l'atmosphère gazeuse est de l'air, un gaz neutre, un gaz oxydant ou un gaz réducteur.

   [0026] Toujours selon l'invention, la température du bain est comprise avantageusement entre 1000 et 1600[deg.]C.
[0027] Avantageusement, le four selon l'invention comprend une électrode supérieure pouvant effectuer un mouvement suivant un axe essentiellement vertical, appelé forage, l'arc électrique s ' établissant entre ladite électrode supérieure et la charge solide faisant office de seconde électrode.
[0028] Selon une première modalité d'exécution préférée, ledit laser est monté solidaire de ladite électrode localisée dans l'atmosphère gazeuse.
[0029] Avantageusement, le laser est monté à proximité de l'extrémité de l'électrode localisée dans
1 ' atmosphère gazeuse .
[0030] Selon une deuxième modalité d'exécution préférée,

   ledit laser est monté de manière fixe et indépendamment de la position et du mouvement de ladite électrode localisée dans l'atmosphère gazeuse.
[0031] De préférence alors, ledit laser est fixé à une structure rigide par des amortisseurs . [0032] Avantageusement, ledit laser est monté dans un caisson thermostatisé, de préférence à +-1 [deg.]C.
[0033] Un second objet de la présente invention est un procédé pour guider l'arc électrique suivant une direction privilégiée dans un four électrique à arc tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que l'on crée un microplasma dans une région filamentaire matérialisant la direction privilégiée et s'étendant à partir de l'électrode supérieure localisée dans le milieu gazeux et la charge solide, pour que l'arc électrique s'établisse essentiellement le long de cette direction privilégiée.

   [0034] Avantageusement, le guidage est réalisé pendant une opération de forage.
Brève description des figures
[0035] La figure 1 représente une vue en coupe verticale d'un four à arc proprement dit, spécialement adapté pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0036] L'idée innovante à la base de l'invention est de fournir des moyens pour favoriser l'ionisation de l'air ou du gaz ambiant se trouvant entre 1 ' électrode supérieure et la mitraille conductrice jouant le rôle d'électrode inférieure, dans un four à arc.

   En autres termes, il s'agit de permettre à l'arc d'être "canalisé" ou guidé essentiellement le long de la ligne de forage et de s'établir plus facilement, avec une tension de claquage réduite.
[0037] Par ailleurs, il est connu que des impulsions laser ultra-courtes dans l'infrarouge proche (environ 800 nm) , c'est-à-dire de l'ordre de 100 femtosecondes ou fs (100 x 10<"15>s ou 0,1 picoseconde) et de très haute puissance, c'est-à-dire au moins quelques gigawatt (1 GW = 10<9>watt) ou de l'ordre du térawatt (1 TW = 10<12>watt), correspondant typiquement à des énergies d'au moins quelques dizaines ou centaines de millijoules, obtenue par la technique de l'amplification à dérive de fréquence ( chirped puise amplifica tion ou CPA en anglais) sont capables de créer des régions filamentaires ionisées, typiquement de diamètre de l'ordre de 100 microns ([mu]m)

   et de faible impédance sur des distances allant de quelques dizaines de mètres jusqu'à plusieurs centaines de mètres [M. Rodriguez et al., Physical Review E 69, 036607 (2004)]. Ce phénomène spectaculaire résulte de l'établissement, audelà d'une certaine puissance critique de l'ordre du GW, d'un équilibre dynamique entre une autofocalisation due à l'effet Kerr (polarisation des molécules d'air faisant varier l'indice de réfraction) et une défocalisation due à la diffraction et à l'ionisation induite par l'impulsion laser elle-même (microplasma) . [0038] De plus, grâce à un laser femtoseconde multiterawatt mobile construit dans le cadre du projet de recherche franco-allemand "Teramobile" [H.

   Wille et al., European Physical Journal - Applied Physics 20, 183 (2002)], on a pu étudier récemment le contrôle de décharges électriques de haute tension au moyen de ce type d'impulsions laser ultracourtes, de forte puissance et à propagation non-linéaire. On a pu ainsi amorcer et guider des décharges de haute tension modélisant la foudre
(jusqu'à 2 MV) , le long d'un faisceau laser présentant des impulsions de durée typique de l'ordre de 100 fs et d'énergie 300 mJ (ou puissance 3 TW) , émises à une fréquence de 10 Hz, sur des distances allant jusqu'à 4-5 m. On a par ailleurs observé une réduction de la tension de claquage d'environ 30% [M.

   Rodriguez et al., Optics Letters 27, 772-774 (2002) ] . [0039] Selon une forme d'exécution préférée de l'invention, l'électrode mobile d'un four à arc est équipée d'un laser de haute puissance puisé du type décrit cidessus pour guider l'arc électrique lors des phases de fonctionnement critique, telle que la période de forage de la mitraille. Le laser est monté sur l'électrode de manière telle que le faisceau produit soit essentiellement parallèle à l'électrode ou à la direction verticale. [0040] De manière encore préférée, le laser est monté à proximité de l'extrémité de l'électrode à laquelle naît l'arc électrique. La puissance du laser doit être suffisante pour pouvoir ioniser le gaz sur la longueur voulue. [0041] Un exemple préféré d'exécution de l'invention est représenté schématiquement sur la figure 1.

   Le four de base 1 est un four d'aciérie à arc électrique, comprenant un bain d'acier fondu 2, dans lequel surnage une charge solide 3, composée de ferraille. Le procédé est réalisé sous air ou atmosphère gazeuse inerte (par exemple azote) 4. Une électrode de forage 5 est animée d'un mouvement vertical au cours d'un cycle de forage, c'est-à-dire d'abord de haut en bas et puis de bas en haut. La ferraille 3 fait office de seconde électrode permettant la fermeture du courant. Un laser de haute puissance à impulsions ultracourtes 6 est monté sur l'électrode 5 au moyen d'un bras 7 éventuellement amovible ou rétractable.

   Le faisceau laser 8 produit est dirigé le long de l'électrode 5, essentiellement selon la direction verticale. [0042] L'utilisation d'un laser puisé de haute puissance pour le guidage de l'arc électrique présente l'avantage de permettre l'utilisation d'une rampe de montée en puissance plus rapide et, partant, un raccourcissement de la période de forage.

   Le guidage précis de l'arc permet de concentrer la puissance disponible dans une direction privilégiée et d'obtenir un meilleur rendement de la fusion.
[0043] De plus, la technique mise en oeuvre dans l'invention procure un allongement de l'arc lors du forage ce qui implique une meilleure répartition de la puissance et une fusion plus homogène de la ferraille.
[0044] Si on prend l'exemple du laser "Teramobile"
(impulsions de 10<¯13>s, fréquence 10 Hz, puissance 10<12>W) , on voit que la puissance efficace du laser est de 1 W.
L'énergie consommée durant le cycle de forage (2 x 3 minutes) est donc de 10<"3>kwh x (6/60) = 10<"4>kwh, ce qui est bien entendu négligeable devant la puissance demandée par une chauffe complète du four à arc en aciérie (> 60 MWh) .

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Four électrique à arc (1) comprenant en utilisation un bain en fusion (2) et une charge solide (3), muni d'un couple d'électrodes dont au moins une (5) est localisée dans une atmosphère gazeuse (4) au-dessus de la charge solide (3), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (6) pour créer un microplasma dans une région filamentaire (8) qui assure une direction privilégiée à l'établissement de l'arc électrique.

2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un laser infrarouge à impulsions ultracourtes et de forte puissance (6), basé sur la technique de l'amplification à dérive de fréquence .

3. Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que la puissance du laser (6) est supérieure à 1 GW, et de préférence supérieure à 1 TW.

4. Four selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la largeur des impulsions est comprise entre 50 et 500 fs, la fréquence des impulsions étant comprise entre 1 et 100 Hz.

5. Four selon 1 ' une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une longueur utile de la région filamentaire (8) est comprise entre 0,1 et 10 m, son diamètre étant inférieur à 500 [mu]m et de préférence inférieure à 200 [mu]m.

(6) est monté solidaire de ladite électrode (5) localisée dans l'atmosphère gazeuse (4).

6. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le four est un four à arc plasma.

7. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bain est un bain de métal en fusion.

8. Four selon la revendication 7, caractérisé en ce que le métal est la fonte, l'acier, le cuivre, le zinc le nickel, l'aluminium, le plomb, l'étain ou des alliages de ceux-ci.

9. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge (3) comprend de la mitraille, de la ferraille ou du minerai de fer préréduit.

10. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse (4) est de l'air, un gaz neutre, un gaz oxydant ou un gaz réducteur.

11. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du bain (2) est comprise entre 1000 et 1600[deg.]C.

12. Four selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode supérieure (5) pouvant effectuer un mouvement suivant un axe essentiellement vertical, appelé forage, l'arc électrique s ' établissant entre ladite électrode supérieure (5) et la charge solide (3) faisant office de seconde électrode.

13. Four selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que ledit laser

14. Four selon la revendication 13, caractérisé en ce que le laser (6) est monté à proximité de l'extrémité de l'électrode (5) localisée dans l'atmosphère gazeuse (4) .

15. Four selon l'une quelconque des revendications 2 à 12 , caractérisé en ce que ledit laser (6) est monté de manière fixe et indépendamment de la position et du mouvement de ladite électrode (5) localisée dans l'atmosphère gazeuse (4).

16. Four selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit laser (6) est fixé à une structure rigide par des amortisseurs.

17. Four selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que ledit laser (6) est monté dans un caisson thermostatisé, de préférence à +-1 [deg.]C.

18. Procédé pour guider l'arc électrique suivant une direction privilégiée dans un four électrique à arc (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on crée un microplasma dans une région filamentaire (8) matérialisant la direction privilégiée et s'étendant à partir de l'électrode supérieure (5) localisée dans le milieu gazeux (4) et la charge solide (3), pour que l'arc électrique s'établisse essentiellement le long de cette direction privilégiée.

19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que le guidage est réalisé pendant l'opération de forage.