Dans la sidérurgie, la phase de fusion d’un four à arc électrique est la période où l’apport énergétique est le plus concentré. Elle joue un rôle déterminant dans l’efficacité de la fusion, la consommation d’énergie et la performance globale du four. Les caractéristiques du transfert thermique à cette étape sont étroitement liées à l’état de la charge, à la couverture de l’arc et à la température du réfractaire.
1. Étape initiale : Arc recouvert de ferraille
Lors du chargement de ferraille d’acier dans le four, les électrodes forment un arc au-dessus de la charge solide et près de la voûte du four, dégageant une chaleur intense. Si la ferraille est correctement disposée et répartie, les électrodes pénètrent rapidement dans la charge et recouvrent l’arc.
À ce stade, la charge absorbe directement l’énergie rayonnante de l’arc, avec un échange thermique minimal avec le revêtement du four. Cela permet au four de fonctionner à une tension et une puissance d’arc maximales, tandis que les brûleurs auxiliaires fonctionnent à pleine capacité pour accélérer le chauffage et la fusion.
2. Étapes intermédiaire et finale : exposition à l’arc et implication du revêtement
Lors de la fusion de la ferraille, l’arc est exposé au bain de fusion, et le revêtement du four participe à l’échange thermique. Les zones à basse température du bain de fusion sont principalement chauffées par le rayonnement du revêtement.
L’angle entre la paroi du four et le bain étant légèrement supérieur à 90° et la voûte du four étant presque parallèle à la surface du bain, la voûte joue un rôle prépondérant dans le chauffage du bain.
La distribution de puissance de l’arc peut être exprimée comme suit :
P_arc = P_utile + P_perte + P_stockage
P_utile – Énergie chauffant le laitier et l’acier en fusion, y compris le rayonnement direct de l’arc et le rayonnement réfléchi par le revêtement ;
P_perte – Chaleur perdue à travers la doublure et d’autres voies ;
P_stockage – Énergie absorbée par le revêtement, augmentant sa température.
3. Influence des changements de température sur le transfert de chaleur
Au début de la fusion, la grande différence de température entre le bain fondu et le revêtement permet un transfert de chaleur radiante significatif. Cependant, à mesure que la température du bain augmente :
P_utile diminue ;
Augmentation de P_perte et P_stockage ;
La consommation d’énergie augmente, tout comme la température du revêtement. Lorsque la température du revêtement approche de la limite réfractaire, des dommages surviennent, notamment au niveau de la voûte du four.
4. Stratégies d’économie d’énergie et de protection des revêtements
Pour réduire les pertes de chaleur, diminuer la consommation d’énergie et prolonger la durée de vie du revêtement et du toit du four, la puissance de l’arc doit être progressivement réduite à mesure que la température du bain fondu augmente.
Dans la fabrication de l’acier, des points faibles dans le revêtement apparaissent souvent lorsque environ 70 % de la ferraille est fondue, ce qui entraîne des conditions de « brûlure » causées par les facteurs de transfert de chaleur ci-dessus.
