Bibliographie & annexes
Présentation
NOTE DE L'ÉDITEUR
Les normes NF EN 60519-1 de septembre 2015 et NF EN 60519-8 de janvier 2006 citées dans cet article seront remplacées par les normes NF EN IEC 60519-1 et -8 (C79-631 et -638) : Sécurité dans les installations destinées au traitement
électrothermique et électromagnétique
- Partie 1: Exigences générales
- Partie 8 : Exigences particulières pour fours de refusion sous laitier électroconducteur (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2006 (Juillet 2020).
RÉSUMÉ
Cet article est consacré au four électrique de fusion, il en décrit l’histoire, le principe, la description technologique et son alimentation électrique. Essentiellement outil de production d’acier liquide, le four à arc est constitué d’une cuve en acier et d’électrodes en graphite qui transfèrent l’énergie électrique de l’alimentation à la charge contenue dans le four. La conception de l’aciérie doit permettre au four à arc d’atteindre sa production maximale, sans perte de temps dans les opérations annexes, et ceci avec un minimum de main d’œuvre.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Patricia AYED : Docteur-Ingénieur-ATS/FFA (Association Technique de la Sidérurgie/Fédération Française de l’Acier)
-
Claude OUVRADOU : Directeur général Creusot-Métal - Président de la commission ATS des Aciéries électriques
-
Jacques ASTIER : Ancien Directeur à l’Institut de recherche de la sidérurgie française (IRSID) Ingénieur-conseil
INTRODUCTION
Le four à arc est essentiellement un outil de production d’acier liquide à partir de ferrailles, celles-ci pouvant être remplacées partiellement par de la fonte ou des minerais préréduits ([28]Réduction à l’état solide et § 7.8 et § 7.9).
Il se compose d’une cuve d’acier garnie de réfractaires et l’énergie nécessaire est fournie par des arcs électriques jaillissant entre des électrodes en graphite et la charge.
L’affinage de l’acier fondu est réalisé par réaction du métal liquide avec un laitier à base de chaux. Le garnissage du four est donc basique 3.2.
L’opération de fusion est souvent accompagnée, ou suivie, d’une opération de décarburation et de déphosphoration réalisée par addition de minerai de fer ou insufflation d’oxygène dans le bain.
La décarburation doit amener le bain à la teneur en carbone désirée et, grâce au dégagement d’oxyde de carbone produit, elle facilite l’élimination des gaz dissous.
La déphosphoration est obtenue par oxydation du phosphore et combinaison du P2O5 obtenu avec la chaux du laitier.
Après élimination totale ou partielle (par débordement au-dessus du seuil de la porte) du laitier suroxydé et phosphoreux obtenu, le métal peut être soit coulé en poche pour affinage, soit préaffiné au four avec des désoxydants puissants, comme le silicium ou l’aluminium, sous un laitier basique riche en chaux (marche dite « à deux laitiers »). Des éléments d’alliage peuvent également être ajoutés. Le réglage précis de la température du métal à la coulée du four en poche est un des points clefs pour la fabrication d’acier de qualité. Selon les nuances d’acier et les opérations prévues en poche, les températures visées au four, avant coulée, peuvent varier de 1 550 à 1 750 ˚C (cf. articles spécialisés de la rubrique Ensembles sidérurgique de ce traité).
Marche acide : le four à arc peut cependant être utilisé avec un garnissage acide lorsque, compte tenu des matières premières utilisées et des spécifications demandées, la déphosphoration et la désulfuration du métal ne sont pas nécessaires. Cette technique est utilisée dans certaines fonderies de fonte et d’acier et le four à arc est alors uniquement un instrument de fusion.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1988 par Claude BARBAZANGES, Marc AMBLARD
- Version archivée 2 de juil. 1995 par Patricia AVED, Claude BARBAZANGES, François LEMIÈRE
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Description technologique du four à arc2. Principe du four à arc
Remarque : Les débits de gaz sont exprimés en mètres cubes mesurés dans les conditions normales de température et de pression (0 ˚C et 1,013 · 105 Pa).
2.1 Four alimenté en courant alternatif
Le four électrique de fusion type Héroult ou four à arc libres est triphasé. Il est constitué essentiellement d’une cuve garnie de réfractaires, basculante pour la coulée et le décrassage, et destinée à recevoir la charge métallique qui est fondue au moyen de trois électrodes verticales en graphite (voir figure 17 repère A).
Les propriétés de l’arc électrique sont traitées dans la référence [29]Arc électrique. Retenons simplement que :
-
contrairement à ce qui se passe pour une résistance linéaire solide ou liquide, la tension d’arc E a diminue quand le courant I augmente ; un arc pur aurait une caractéristique hyperbolique (figure 2, courbes I et II) et serait essentiellement instable ;
-
en fait, le système possède toujours une impédance linéaire (résistance et inductance propres de l’installation) dont la caractéristique est représentée par la droite III ; la caractéristique pratique aura donc l’allure de la courbe IV et le fonctionnement sera instable sur la partie gauche de la courbe et stable sur la partie droite ;
-
pour une tension donnée, le seul moyen efficace de faire varier la puissance de l’arc est donc d’agir sur sa longueur.
Du point de vue électrique, ce four peut être représenté par le schéma de la figure 3.
La tension secondaire à vide est fixée par la position du commutateur de prises placé au primaire du transformateur du four ...
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Principe du four à arc
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - The Electric Arc Furnace - . International Iron and Steel Institute 3rd report (1990).
-
(2) - AYLEN (J.) - Electric Arc Steelmaking - . IISI Report. Steel Times (mai 1991).
-
(3) - NODA (T.), coll - Development of DC Arc Furnace - . Daïdo Steel (1990).
-
(4) - MICHARD (J.A.) - Quel avenir pour les outils de la sidérurgie - . Cahiers Français de l’Électricité, no 9 (1991).
-
(5) - ASTIER (J.), Van den BROEK (J.) - Les Fours à Arc - . Cahiers Français de l’Électricité, no 4 (1991).
-
(6) - BOUSSARD (P.), SMIESZKOL (J.), DWORATZEK (C.) (Vallourec Saint-Saulve), PAUL (G.), PFISTER (P.) (BSE Kehl) - Pratique industrielle à Vallourec Saint-Saulve des bras conducteurs en aluminium - . ATS Journées Sidérurgiques 92, Paris (déc. 1992).
- ...
Les données générales rassemblées ici se subdivisent entre :
-
les frais d’investissement ;
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les coûts des opérations en aciérie électrique.
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Frais d’investissement
Le tableau 1 donne, à titre de comparaison les frais d’investissement en euros par tonne annuelle d’acier brut correspondant :
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à une usine intégrée ;
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à une aciérie électrique fondée sur la refusion de ferrailles ;
-
à une aciérie électrique fondée sur l’utilisation de minerais préréduits à partir de gaz naturel.
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Coûts des opérations en aciérie électrique
Ces coûts constituent, hors amortissement, frais financiers et frais généraux ou commerciaux, les frais des opérations en aciérie électrique, c’est-à-dire les cash costs ; comme on l’a vu dans l’article (paragraphe 7.7 et figure 36), les matières premières constituent la plus grande partie de ces coûts. Dans le détail, il est difficile d’indiquer des valeurs plus précises pour chacun des postes car les prix unitaires varient beaucoup d’un endroit à un autre ; on ne peut donner que des ordres de grandeur qui sont, hors matières premières, entre 35 et 55 € ou dollars des États-Unis par tonne...
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