Technologies des fours à arcs

Au milieu du XIXem siècle, en 1851, la production mondiale de fer est de 60.000 t/an. Il s’agit alors bien de fer, obtenu à l’état pâteux car à l’époque on ne sait pas encore atteindre les hautes températures nécessaires à la fusion de l’acier. La seconde moitié de ce XIXem siècle va se révéler décisive pour la sidérurgie, avec quatre grandes inventions d’une immense portée pour le développement de cette industrie et, par là même, de l’économie mondiale. Ces inventions s’échelonnent sur plusieurs décennies [1]:
– 1856 : Bessemer en Grande-Bretagne obtient pour la première fois de l’acier liquide en insufflant de l’air à travers un bain de fonte.
– 1865 : Martin en France et simultanément Siemens en Allemagne produit de l’acier liquide en refondant des ferrailles dans un four à sole, avec une flamme de gaz de gazogène dont la haute température nécessaire est atteinte grâce au préchauffage de l’air de combustion.
– 1878 : Thomas en Grande-Bretagne réussit à affiner les fontes à haute teneur en phosphore en utilisant un revêtement en dolomie à la place du revêtement en silice du procédé Bessemer, et en ajoutant de la chaux.
– 1900 : Héroult en France réalise pour la première fois la production d’acier dans un four électrique à arc

Avant la seconde guerre mondiale, le four électrique par la lenteur même de l’opération, était réservé à l’élaboration d’aciers spéciaux. Les progrès réalisés pendant la guerre, en taille et puissance des unités, permirent dès 1950, au four électrique de rivaliser avec le four Martin pour l’élaboration d’aciers au carbone à partir de ferrailles, avec la construction d’aciéries de 500.000 à 1 000.000 t/an. Parallèlement, le four électrique de plus petite taille se développait dans les miniaciéries (mini-mills) américaines, puis italiennes, et surtout après que l’apparition de la coulée continue ait permis d’abandonner la coulée en petits lingots, dispendieuse et cause de défauts.

À partir du début des années 60, une série d’améliorations allaient faire du four électrique un outil hautement performant [1,2] :
➤ Utilisation maximale de la puissance active des transformateurs (facteur de puissance ≈ 0,7) améliorant le rendement thermique et la productivité.
➤ Apparition en 1970 des fours UHP (Ultra High Power) avec des puissances spécifiques de 500 kVA/t [3].
➤ Innovation par Daido Steel des parois métalliques refroidies à l’eau à la place du réfractaire, permettant d’augmenter fortement la puissance spécifique.
➤ Conjointement, emploi de lances à oxygène, de brûleurs fuel-oxygène, d’injections de poudre, d’électrodes de qualité améliorée, utilisation de trous de coulée excentrés… permettant d’augmenter les performances et de diminuer la consommation d’électricité.

Par contre, les technologies de préchauffage des ferrailles par les fumées du four n’ont pas fait l’unanimité, et l’acuité des problèmes de captage et de dépoussiérage des fumées s’est fortement accrue avec l’augmentation des performances des fours (et des exigences d’environnement). Les performances élevées du four électrique à arc (passé de 4 coulées par jour avant guerre à plus de 25 coulées par jour en 1990), pour un investissement relativement modeste, et les disponibilités en ferrailles expliquent la place prépondérante prise par cet outil dans la sidérurgie moderne en 1989 : 27 % dans le monde, 32 % hors URSS, pays de l’Europe de l’Est et Chine. Il est intéressant de constater que le four électrique moderne n’est pas tellement différent dans ses principes de celui inventé au début du siècle par Héroult. Des essais de four électrique à enfournement continu de ferrailles et coulée continue ou semi- continue de l’acier liquide ont été réalisés à la fin des années 60 et dans les années 70 par l’IRSID (Institut de Recherche de la Sidérurgie Française) et le NRIM au Japon [4] mais n’ont pas été suivis, à l’époque, d’application industrielle.

Arc électrique

Définition

L’arc électrique est la manifestation du passage du courant entre deux électrodes dans un milieu ionisé (air ou gaz particulier), il est caractérisé par une tension basse et un fort courant. Un arc électrique peut être obtenu entre deux électrodes de charbons soumises à une différence de potentiel convenable. Lorsque l’arc jaillit entre les électrodes, la différence de potentiel entre celle ci devient faible : L’ionisation intense de l’espace interélectrodes a rendu cette espace brutalement très conducteurs alors qu’il était isolant (ou presque) avant l’amorçage. On s’explique ainsi que :

1- Un arc doit être préalablement amorcé pour amener à l’incandescence un point de la cathode ; le mode d’amorçage le plus simple consiste à mettre en contacte les électrodes. Ce contacte, toujours imparfait, presque une résistance « R » appréciable et, si le courant qui la traverse a une intensité « I » suffisante (produit RI 2 assez grand), les surfaces en contact sont portées et l’incandescence. Cela explique qu’un arc ne puisse subsister avec une cathode froid ; par exemple, avec une cathode dans l’huile, surtout si celle ci est en cuivre (bonne conductivité thermique), le maintient de l’arc est plus difficile.
2- La décharge par arc exige un minimum de tension et un maximum de courant. Le minimum de tension est compris entre 10 et 20 V suivant le gaz et la distance entre les électrodes à courant égale, quand on écarte les électrodes, la tension de l’arc s’accroît.

Conditions de fonctionnement d’un four à arc

Composition du four à arc

Le four à arc est un système électrothermique utilisant l’énergie fournie par un arc électrique pour chauffer une charge. Il existe plusieurs types de fours à arcs, le type le plus utilisé est le four dit de Héroult (ou encore four à arc sur charge), du nom de l’inventeur de ce procédé à la fin du XIXem siècle. Dans ce type de four, l’arc s’établit entre les électrodes (raccordées au réseau de puissance) et la charge à chauffer. Le four à arc se compose d’une cuve garnie réfractaire et l’énergie nécessaire est fournie par des arcs électriques jaillissant entre des électrodes en graphites et la charge .

Les principaux éléments constitutifs du four électrique sont :

– L’alimentation électrique.
– L’enceinte du four proprement dite capable de contenir d’abord des ferrailles fondre, de densité relativement faible (donc nécessité d’un grand volume disponible), puis l’acier liquide porte à des températures de 1600 à 1700°C (donc nécessité d’un revêtement intérieur du cuve à l’aide de réfractaires), notamment au fond de cuve (sol réfractaire).
– Les installations annexes, telle que le système d’aspiration et traitement des fumés et les systèmes d’additions

Pour une tension donnée, le seul moyen efficace de faire varier la puissance de l’arc est donc d’agir sur sa longueur.

Point de vue électrique

Au point de vue électrique, une marche du four dans les meilleures conditions, nous les rappellerons brièvement [10,11]. L’exploitant doit conduire les opérations de façon à obtenir un produit convenable dans le minimum de temps sans provoquer une usure excessive des réfractaires ou des électrodes. Il faut pour cela pouvoir régler le débit de chaleur dans une zone étendue, en général ce débit devra décroître pendant tout le cycle d’une opération. Du fait de l’impédance des circuits et pour une tension secondaire « Us » constante, le déplacement de l’électrode permet bien de régler l’intensité du courant, et par suite, la puissance mais dans des limites peu étendues et insuffisantes. D’où nécessité de changer la tension en cours d’opération. A une tension donnée et à une valeur de self donnée correspond une puissance maximum qu’il est possible de dissiper dans l’arc qui augmente avec la tension et en raison inverse de la valeur de la self. Lorsque la puissance optimale est atteinte pour une tension donnée (cos = 0,8 environ) le seul moyen d’augmenter le débit de chaleur c’est de faire croître la tension secondaire. En principe, on devra toujours chercher, au point de vue électrique, à marcher au maximum de tension possible et avec le minimum de self. Il y aura intérêt également à diminuer l’intensité maximale avec la tension. On a intérêt à ne recourir à la bobine de self que momentanément pour réduire la valeur des appels de courant lorsque ces derniers sont plus particulièrement à craindre au début de la fusion par exemple, où des chutes de blocs de ferrailles sur les électrodes risquent de provoquer des déclenchements par court-circuit, à coups de courant que la rapidité des réglages automatiques ne peuvent que difficilement éviter.

Table des matières

Introduction générale
I. Généralités
II. Problématique et domaine d’étude de la thèse
Chapitre I : Technologies des fours à arcs
I. Introduction
II. Arc électrique
II.1.Définition
II.2.Propriétés
III. Conditions de fonctionnement d’un four à arc
III.1. Composition du four à arc
III.2. Point de vue électrique
III.3. Point de vue thermique
III.3.1. Chargement
III.3.2. Fusion
III.3.3. Affinage
IV. Classification des fours à arc
IV.1. Four à arc d’après leur nature d’arc
IV.1.1. Four à arc libre
IV.1.2. Four à arc sur résistance
IV.1.3. Four à arc sur charge
IV.2. Four à arc d’après leur nature d’alimentation
IV.2.1. Four alimenté en courant alternatif
IV.2.1.1. Description technologique
IV.2.1.2 Description de la partie électrique
IV.2.2. Four alimenté en courant continu
IV.2.2.1. Description de la partie électrique
V. Principe de la régulation
VI. Raccordement et marche du four
VII. Avantages et inconvénients du four à arc
VII.1. Avantages
VII.2. Inconvénients
VIII. Evolution des données économiques
IX. Conclusion
Chapitre II : Perturbations induites par les fours à arcs
I. Introduction
II. Caractéristiques des perturbations électriques
III. Fréquence « Déviations »
IV. Amplitude
IV.1 Creux de tension et coupures brèves
IV.1.1.Origine des creux de tension
IV.2.2.Conséquences des creux de tension
IV.2. Flicker ou papillotement de l’éclairage
IV.2.1.Origine du ficker
IV.2.2.Conséquences du ficker
V. Forme d’onde
V.1. Transitoires
V.2. Phénomènes transitoires internes aux alimentations des fours à arc
V.2.1. Surtensions
V.3. Harmoniques
V.3.1.Origine des harmoniques
V.3.2.Conséquences des harmoniques
VI. Application sur le four « Expérimentation »
VII. Déséquilibre « Non Symétrie »
VII.1 .Origine de la non symétrie
VII.2 .Conséquences de la non symétrie
VIII. Conclusion
Chapitre III : Modélisation et étude du four à arc
I. Introduction
II. Description du model du four
II.1. Traitement des données
II.2. Courbes caractéristiques du four « Etude énergique »
II.3. Ajustement des paramètres caractéristiques du four
II.4. Distribution de l’impédance
II.5. Commentaires
III. Approximation & Modélisation
III.1. Analyse et commentaires des résultats
IV. Contribution du modèle proposé dans l’amélioration de la qualité d’énergie électrique
IV.1 Erreur dans le modèle de simulation
IV.2. Régulation sans le modèle proposé « modèle réel »
IV.3. Régulation avec le modèle proposé
V. Discussion
VI. Conclusion
Chapitre IV : Amélioration du fonctionnement des fours à arc
I. Introduction
II. Solutions pour améliorer la qualité d’énergie électrique
II.1. Techniques de compensation du flicker
II.1.2.Réactances linéaires ou saturables pour fours à courant alternatif
II.1. 3.Compensateur statique de puissance réactive
II.2. Techniques de réduction des harmoniques
II.2. 1.Augmentation de la puissance de court-circuit du réseau
II.2. 2.Filtrage des harmoniques
II.3. Réduction du déséquilibre de la tension
III. Le four à arc à courant continue
III.1. Description du Modèle
III.2. Le redresseur héxaphasé
III.3. Redresseur Dodécaphasé
IV. Différentes structures du four à arc
IV.1. Analyse des résultats
V. Etude les différentes étapes du fonctionnement
V.1. Commentaire & Discussion
VI. Comparaison entre le four à courant continue et à courant alternatif
VII. Conclusion
Conclusion générale

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