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PROC~Dr rT FOUR POUR LA FABRICATION D'UN PRODUIT FONPV,
~ a présente invention est relative a un procédé
pour la fusion d'une matière solide, notamment d'une charge
métallique ou céramique, dans un four électrique, dans le
but de former un produit électrofondu, comprenant au moins
deux électrodes entre les extrémités libres desquelles peut
atre créé un courant électrique, par exemple sous forme
d un arc.
Un des but essentiels de la présente invention
est de proposer un procédé permettant la fabrication, d'une
maniere très simple et économiquement justifiee, d'un
produit électrofondu a partir de matiares solides très
diverses conductrices d~électricité ou non.
Il s'agit plus particulierement d~un procédé
qui permet la préparation de produits électrofondus à
température relativement élevée.
Dans les procédés connus du type précité, la
charge de la matiere solide à fondre doit de préfé~ence
être conductrice d électricité. Si la charge est non
conductrice, des précautions particulibres doivent être
prises pour le démarrage de la fusion, telle que l addition
de carbone ou de graphite, pour permettre la création d un
courant électrique à travers la charge.
De plus, en gén~ral ces procédés connus ne sont
applicables qu'à des températures relativement basses, p.e.
de l'ordre de 1500 à 1600~C, de sorte qu'ils ne conviennent
~ pas pour le traitement de matibres réfractaires.
Ainsi, l invention vise ~ proposer un procédé
qui permet de remédier aux inconvénients des procédé6
connus et pouvant convenir aussi bien pour une charge
conductrice d'électricité ou non conductrice sans que pour
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cette dernière, des précautions particulieres doivent atre
prises.
A cet effet, suivant l'invention, pour le
démarrage de la fusion, on met lesdites extrémités des
électrodes en contact avec ladite matière solide à fondre,
en les rapprochant suff;Ri L l une de l'autre pour
pouvoir créer entre ces électrodes un courant électrique,
l'on cr~e entre ces dernières un arc électrique de manière
a pouvoir fondre la matibre solide se trouvant à proximité
des extrémités des électrodes et l'on écarte ensuite
graduellement les extrémités l'une de l~autre au fur et à
mesure de la progression de la fusion de la matière solide,
tout en les maintenant en contact avec cette matiare et à
assurer le passage du courant électrique entre les
électrodes et à travers la partie fondue de la charge se
formant entre celles-ci.
L'invention concerne également un four
électrique pour la préparation d'un produit électrofondu,
notamment pour la mise en oeuvre du procédé précité.
Ce four est caractérisé par le fait que les
électrodes sont ; n~l; n~ l'une par rapport a l'autre et
mobiles l'une par rapport à l'autre entre une position
rapprochée, où leurs extrémités libres sont éventuellement
en contact l'une avec l autre, et une position ~cartée, où
ces extrémités se trouvent à une certaine distance l'une de
l'autre, des moyens étant prévus pour permettre de déplacer
ces extrémités d'une maniere sensiblement continue entre
ces deux positions.
Avantageusement, les électrodes sont montées
chacune sur un support isolé électriquement.
Suivant une forme de réalisation particulière
de l'invention, les électrodes sont montées latéralement
dans le creuset du four d'une manière à pouvoir subir une
translation entre les deux positions précitées.
D'autres détails et particularités de
l'invention resortiront de la description donnée ci-aprè5,
à titre d'exemple non limitatif, d~une forme de
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réalisation particuliere du procéde et du four suivant
l~invention avec référence aux figures annexées.
La figure 1 est une vue schématique d une coupe
verticale d'un four suivant cette forme de réali9ation
~ 5 particuliare.
La figure 2 est une vue suivant la ligne II-II
de la figure 1.
La figure 3 est une représentation schématique
du circuit d alimentation des électrodes.
Dans les différentes figures les mames chiffre8
de référence concernent des éléments identiques.
L'invention concerne, d une façon générale, un
procédé pour la fusion d'une matière solide qui peut 8tre
de nature tras variée, mais qui est plus particulièrement
formée par une charge de produits réfractaires destinés à
atre soumis à une oxydation, dans le but de former un
produit réfractaire électrofondu.
La fusion a lieu dans un four électrique
comprenant au moins deux électrodes entre les extrémités
libres desquelles peut être créé un courant électrique
fournissant l~énergie nécessaire pour ladite fusion.
Surtout, lorsque la charge à fondre est non ou
peu conductrice d électricité, comme c'e~t par exemple le
cas pour des matériaux céramiques solides, lors du
démarrage de la fusion, on met lesdites extrémités des
électrodes en contact l'une avec l'autre et avec ladite
matiare solide à fondre. A ce moment, on crée entre ces
électrodes un arc électrique de maniare à obtenir
l échauffement de la matiare solide se trouvant à proximité
des extrémités des électrodes et ainsi pouvoir fondre cette
derniare.
Ensuite, on écarte graduellement ces extrémités
l'une de l'autre au fur et à mesure de la progression de la
fusion de la matiare solide, tout en maintenant ces
électrodes en contact avec la matiare solide et en veillant
à ce que le courant électrique puisse subsister entre les
électrodes et à travers la partie fondue de la charge se
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, ., i , , '. '
formant entre celles-ci. Dans cette étape du procédé,
l'échauffement efit essentiellement dû à l'effet Joule de la
résistance opposée par la charge, dans laguelle les
électrodes sont par~;~tt~ ~ immergées, au passage du
courant électrique. Il est, en effet, ainsi qu une matiere
solide qui est non conductrice d'électricité devient
généralement conductrice d~électricite lorsque celle-ci est
amenée à l'état liquide.
Si la matière ~ fondre est suffisamment
conductrice d'électricité et est, par exemple, formée d'une
charge métallique, il n'est pas indispensable que, pour le
démarrage, les extrémités des électrodes soient en contact
l'une avec l'autre, mais il suffit de les rapprocher
suffisamment ~l'une de l'autre pour pouvoir créer entre
celles-ci un courant électrique. L'échauffement obtenu est
ainsi dû, en partie à la chaleur des arcs jailli6 au sein
de la matière solide et, en partie, ~ l'effet Joule de la
résistance opposée par la charge, dans laquelle les
électrodes sont partiellement ; - ~ar, au passage du
2~ courant électrique.
Il résulte de ce qui précede que les positions
rapprochee et écartée peuvent varier suivant la nature de
la charge à fondre. ~insi, par exemple, pour des charges
non conductrices d~électricité, dans la position
rapprochée, les électrodes se touchent pratiquement ou sont
très près l'une de l'autre de manière à pouvoir créer un
arc entre leurs extrémités en regard, alors que ceci n~est
pas nécessairement le cas pour une charge conductrice.
Il en est de même pour la position écartée qui
peut également dépendre de la conductivité de la charge
fondue et de la puissance de l'installation électrique.
Cette position écartée correspond en fait à celle dan6
laquelle le rendement est optimal.
Par ailleurs, suivant l'invention, afin
d h~ ~g~icer la matière ainsi fondue, on crée dans cette
dernière un brassage par convection avant de l'évacuer. Ce
brassage est avantageusement créé en rapprochant à nouveau
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les électrode6 l une de l~autre pendant un certain temps
après que toute la matière est fondue.
Les figures i4nn~es concernent un four
électrique pour la fabrication d'un produit électrofondu et
S notamment pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-
dessus.
Il s agit d'un four du type utilisant le
systame à électrodes immergées.
Ce four comprend un creuset 1 fermé a sa partie
supérieure par une voûte 2 dans laquelle est prévue une
ouveLLur~ 3 pour introduire la charge a fondre dans le
creuset 1.
Deux électrodes 4 et 5, inclinées l une par
rapport à l'autre, sont montées chacune sur un support 6
isolé électriquement et se situent latéralement par rapport
au creuset l, de part et d'autre de ce dernier, et ceci
d une mani~re telle à pouvoir subir une translation entre
une position rapprochée, où leurs extrémités libres sont
éventuellement en contact l une avec l'autre, et une
position écartée, où ces extrémités se trouvent à une
certaine distance l'une de l'autre. A cet égard, les
électrodes pénetrent librement dans des ouvertures prévues
dans les parois latérales 1' du creuset 1 et dont la
section est telle à former un passage annulaire 19
permettant l'entrée d air dans le four et le basculement
des électrodes. Généralement, l'angle ~ formé entre les
axes des électrodes peut varier entre 15~ et 165~.
Le basculement a avantageusement lieu autour
d~un point 28 extérieur au four et snff;Ri L écarté de
la paroi 1' de ce dernier, de manière à obtenir un bras de
basculement aussi grand que possible des électrodes 4 et 5
dans le four et ainsi un contrôle parfait de l évolution de
la fusion ;n~p~rdi t de la quantité de matiere mise en
oeuvre. Ce point de basculement 28 se situe en pratique
sur le support 6.
Plus particulierement, chaque support 6
comprend une base 7 sur laquelle est fixée une colonne 8 a
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21~20,68,,
l'extrémité 6upérieure de laquelle, formant le point de
basculement 28, est articulé un berceau 9 dans lequel une
électrode peut être fixée d'une manière amovible par des
cerceaux 10. 3e plus, un volant de règlage 11 motorisé ou
non est prévu au berceau 9 permettant de 8~, ~ e les
électrodes à une translation dans le sens des flèches 12 et
ainsi de faire varier l'écartement entre les extrémités
libres 13 des électrodes 4 et 5 à l'intérieur du creuset 1.
Cet écartement peut également être réglé par un basculement
des électrodes autour du point 28, comme déjà indiqué ci-
dessus.
Le fond du creuset 1 présente une paroi
extérieure cylindrique 15 avec laquelle il repose, par
l';nt~ '';A;re de galets 16, sur un socle 14, ces galets
pouvant se déplacer dans des rails 17 prévus sur cette
paroi cylindrique 15.
Bnfin, un trou de coulée 18 est ménagé dans la
paroi latérale du creuset 1, sensiblement à mi-hauteur de
celui-ci.
20Ainsi, pour vider le creuset on le fait
basculer sur son socle 14 dans le sens de la flèche 26,
comme montre ~ la figure 2.
Le fait que les électrodes 4 et 5 s~étendent
complètement librement à travers les parois 1' du four, en
formant aucun contact avec ces dernières constitue une
caractéristique très importante qui distingue ce four des
fours connus d électrofusion.
En effet, dans ces fours connus, les électrodes
sont ~énéralement montées dans les parois de ce dernier et
sont suspendues à basculement dans des dispositifs
relativement complexes soumis à des températures élevées
pour lesquels, par conséquent, des précautions tras
importantes doivent être prises, notamment pour la
protection des électrodes contre ces températures élevées.
1a présence de tels dispositifs est d'ailleurs souvent la
raison pour laquelle ces fours connus ne peuvent travailler
qu'à des températures de l'ordre de 1600~C.
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Par contre, grâce au fait que dans le four,
suivant l'invention, un passage annulaire 19 suffisamment
important est prévu autour des électrodes permettant ainsi
une circulation d'air froid autour de ces dernières à
travers ce passage et que, de plus, elles sont montées
chacune sur un support latéral 6 assez éloigné des parois
1~, aucune précaution particuliare ne doit être prise pour
la protection de ces électrodes et de leur support vis-à-
vis des températures élevées règnant dans le creuset.
Ceci a comme conséquence qu il est possible de
travailler à des températures supérieures à 25005C et donc
de soumettre des produits réfractaires à un traitement
d~électrofusion.
La figure 3, qui montre schématiquement le
circuit d'alimentation électrique des électrodes 4 et 5,
est raccordé, en 29, au réseau d'une manière traditionnelle
par l~int~ '~;A;re d~un disjoncteur, non représenté, et
comprend une bobine d~auto-induction 20 pouvant être
branchée en série avec les électrodes 4 et 5 lorsque ces
dernières sont dans leur position rapprochée précitée.
Un interrupteur 21 est prévu pour court-
circuiter cette bobine 20 lorsque les électrodes 4 et 5
sont dans leur position écartée précitée.
Ce circuit comprend en outre un transformateur
27 permettant d'appliquer la tension aux bornes des
électrodes et d'assurer la densité du courant nécessaire
pour créer la fusion. Il peut, plus particulièrement,
s~agir d'un tranformateur classique à rapport de tension
fixe, p.e. 220V/llOOOV.
Enfin, un interrupteur principal 22 permet de
fermer le circuit électrique et ainsi de mettre les
électrodes 4 et 5 SOUB tension.
Ainsi, lors d-i démarrage, on ferme d'abord
l'interrupteur 22 en veillant à ce que l'interrupteur 21
est dans sa position ouverte et que les électrodes 4 et 5
sont immergées par leurs extrémités libres dans la charge à
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fondre ou au moins en contact avec celle-ci, tout en étant
dans leur position ri~pprochée.
Une fois qu une certaine quantité 24 de la
matière solide 23 est fondue, on écarte graduellement les
électrodes 4 et 5 l'une de l'autre et on ferme
l interrupteur 21 de manière à court-circuiter la bobine
d~auto-induction 20.
Au fur et à mesure de la progression de la
fusion, on augmente l'écartement des électrodes et ceci en
prenant soin que la densité du courant entre les électrodes
treversant la partie fondue 24 reste suffisamment
importante pour créer l'échauffement nécessaire à la fusion
progressive de la matière solide voisinante 23.
Au moment où toute la matière solide est
fondue, on rapproche avantageusement à nouveau les
électrodes 4 et 5 l'une de l'autre, de préférence à une
distance 5nff;ri L grande en-dessous du niveau de cette
matière fondue, et, si n~r~rsAire, on ouvre l'interrupteur
21 pour éviter des courants électriques trop élevés dans le
circuit. Ceci a comme conséquence une concentration
relativement importante d'énergie en un volume réduit au
sein de la matière fondue créant une augmentation locale de
la température dans cette dernière. Il en résulte ainsi,
par suite de sourants de convection produits, un brassage
important de cette mati~re fondue permettant d obtenir une
masse sensiblement homogène de haute qualité.
Ci-après sont donnés des exemples concrets
permettant d~illustrer l'application du procédé suivant
l~invention dans le four, tel que décrit ci-dessus et
montré aux dessins annexés.
r 1-~.
On a introduit dans le four une charge de 1500
kg qui présentait la composition suivante : 33 ~ d'oxyde de
zirconium, 50 ~ d'oxyde d'aluminium, 14 ~ d'oxyde de
silicium et 3 ~ de sel alcalin formé de bicarbonate de
80dium, tandis que 8a granulom~trie moyenne variait de 0,5
mm à 15 cm ldiamètre).
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219?0,6~8,. j..,
Dans un premier temps, on a amené les
extrémités libres 13 des deux électrodes 4 et 5, qui, pour
ce cas particulier, étaient en graphite, l'une près l autre
au niveau de la masse solide introduite préalablement dans
- 5 le creuset 1 et on a recvuveLL partiellement les extrémités
libres 13 de ces dernières avec une partie de la charge, de
manière à ce qu'elles soient i gCcs.
Ensuite, on a fermé l'interrupteur 22 en
veillant à ce que l interrupteur 21 soit dans sa position
ouverte et un arc électrique s'est formé entre les
electrodes 4 et 5.
L'énergie aux électrodes était de l ordre de
300kW. Après environ 5 minutes, on a obtenu une quantité
de la charge fondue 24 autour des extrémités 13 des
électrodes 4 et 5 suffissante pour permettre de court-
circuiter la bobine ~uto-induction 20 et on a, par
conséquent, fermé l'interrupteur 21 en écartant en même
temps graduellement les électrodes l une de l'autre.
Cette masse liquide 24 étant conductrice
d'électricité, le courant électrique se propageait donc
entre ces électrodes 4 et 5 à travers la partie fondue 24
de la charge. La durée totale de la fusion était de l'ordre
de 45 minutes, tandis que la température était aux environs
de 2250~C.
La chaleur ainsi produite était suffisante pour
peLi..LLLIe de faire fondre graduellement la charge pendant
que l on continuait à augmenter la distance entre les
électrodes et ceci jusqu'à ce que la charge complète soit
fondue.
D'autres types de charges ont été traités dans
ce four d une fa~con analogue.
Il s'agissait notamment d'une charge de 50 ~ de
fer et 50 ~ de cobalt, d~une charge de 95 ~ d'oxyde
- d'aluminium et de 5 ~ de sel alcalin d'une charge de 50
de cobalt et de 50 ~ de nickel d'une charge de bronze,
d'une charge de laiton, etc....
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g
J~'.1~ '
Un autre exemple important concerne la fusion
de gro'Lsils, tel que du verre de récupération.
Dans ce cas on a p.e. fait usage d'électrodes
en molybdène ou en graphite.
Ces gro~sils ont été mis en fusion dans le four
tel que décrit ci-dessus et montre aux figures annexées,
ensemble avec des déchets d'incinération contenant
éventuellement des métaux lourds. Il s'agissait plus
particuliarement de déchets subsistant à l'état solide dans
des incinérateurs de détritus.
Par suite de cette fusion, on a obtenu un
produit vitreux dans lequel étaient incorporés lesdits
métaux lourds et gui pouvait servir comme matière de base
pour la fabrication de billes suivant des techniques
connues en soi, dans le but d inerter des métaux lourds.
Avantageusement, cette fusion a été réalisée en
continu en maintenant le creuset 1 dans une position
inclinée d'une maniere telle que la masse vitreuse fondue
pouvait s'écouler par débordement à travers le trou de
coulée 18 au fur et à mesure de la progression de la fusion
pendant qu'en même temps on ajoutait la charge à fondre
dans le creuset par l'ouverture 3 dans la voûte du four.
Ce procédé continu a également été appliqué sur
tout autre type de charge à fondre.
Le procédé suivant l'invention, tel que décrit
ci-dessus, et le four électrique pour la mise en oeuvre de
ce procédé présentent l'avantage qu'aucune précaution
particulière ne doive être prise lors du démarrage ou de
l~arrat du four.
Ainsi, il est par exemple possible de laisser
solidifier une partie de la charge non conductrice dans le
four pour autant que l'on veille à ce que les électrodes 4
et 5 soient amenées dans leur position écartée au-dessus du
bain avant cette solidification pour p~ -LLLe le
démarrage, tel que décrit ci-dessus. Si la charge est
conductrice d'électricité cette précaution ne doit pas être
prise.
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21g2068
Par ail--~rs, on peut régler les conditions de
travail du four de manière à maintenir le long de& parois
du creuset une certaine couche de produit électrofondu 25
constituant donc une protection permanente des parois
~ 5 intérieures du creuset 1.
Le four peut travailler aussi bien en courant
continu qu en courant monophasé qu~en courant triphasé.
Enfin, avantageusement, le montage des
électrodes 4 et 5 par rapport au creuset 1 est tel qu~il
soit possible de régler leur angle d'incidence a par
rapport au niveau de la charge à fondre. De cette façon, on
veille à ce que les electrodes puissent également subir un
certain basculement sur la colonne 8 du support 6 avec une
amplitude relativement importante, surtout grâce au fait
que le point de basculement est éloigné de la paroi du
four.
Il est bien entendu que l'invention n e6t pas
limitée à la forme de réalisation particulière décrite ci-
dessus et que bien de variantes peuvent être envisagées
sans sortir du cadre de la présente invention.
C est ainsi que l'on peut faire usage de tout
type d'electrode utilisée dans les fours electriques connus
comprenant un système ~ électrodes immergées et que la
construction du support 6 pour les electrodes peut atre de
conceptions très diverses.
Pour ce qui concerne la charge à fondre, non
seulement sa composition peut être très variable, mais
également sa granulométrie. Il peut notamment s~agir aussi
bien de poudre que de blocs présentant des diamètres de
plusieurs dizaines de centimètres.
