Un four à arc électrique utilisé pour la fabrication de l'acier est constitué d'unréfractaire-récipient doublé, généralement refroidi par eau dans les plus grandes tailles, recouvert d'un toit rétractable, et à travers lequel un ou plusieursgraphiteélectrodesentrer dans le four. Le four est principalement divisé en trois sections :
la coque, qui se compose des parois latérales et du « bol » inférieur en acier ;
le foyer, constitué du réfractaire qui tapisse la cuve inférieure ;
le toit, qui peut être revêtu de réfractaire ou refroidi par eau, et peut être façonné comme une section d'unsphère, ou en tant quetronc de tronc(section conique). Le toit supporte également le delta réfractaire en son centre, à travers lequel passe un ou plusieursgraphiteles électrodes entrent.
Le foyer peut être de forme hémisphérique ou, dans un four à fond tournant excentré (voir ci-dessous), il a la forme d'un demi-œuf. Dans les ateliers de fusion modernes, le four est souvent surélevé par rapport au rez-de-chaussée, de sorte quelouchesLes cuves à scories et les cuves à laitier peuvent être facilement fabriquées sous chaque extrémité du four. Le support d'électrodes et le système électrique, ainsi que la plate-forme basculante sur laquelle repose le four, sont séparés de la structure du four. Deux configurations sont possibles : les supports d'électrodes et le toit s'inclinent avec le four, ou sont fixés à la plate-forme surélevée.
Un typiquecourant alternatifle four est alimenté par unalimentation électrique triphaséeet possède donc trois électrodes. Les électrodes sont de section ronde et généralement en segments avec des raccords filetés, de sorte que lorsque les électrodes s'usent, de nouveaux segments peuvent être ajoutés. L'arc se forme entre le matériau chargé et l'électrode, la charge est chauffée à la fois par le courant traversant la charge et par l'énergie radiante dégagée par l'arc. La température de l'arc électrique atteint environ 3000 degrés (5000 degrés F), ce qui fait que les sections inférieures des électrodes brillent de manière incandescente lorsqu'elles sont en fonctionnement. Les électrodes sont automatiquement soulevées et abaissées par un système de positionnement, qui peut utiliser soit l'électricitétreuilpalans ouvérins hydrauliquesLe système de régulation maintient un courant et une puissance d'entrée à peu près constants pendant la fusion de la charge, même si la ferraille peut se déplacer sous les électrodes pendant sa fusion. Les bras du mât qui maintiennent les électrodes peuvent supporter des charges lourdesjeux de barres(qui peut être creux refroidi par eaucuivretuyaux transportant le courant vers les pinces d'électrodes) ou être des « bras chauds », où l'ensemble du bras transporte le courant, augmentant ainsi l'efficacité. Les bras chauds peuvent être fabriqués en acier cuivré oualuminium. Étant donné que les électrodes montent et descendent automatiquement pour réguler l'arc et sont soulevées pour permettre le retrait du toit du four, de grandes cuves refroidies par eaucâblesconnecter les tubes/bras du bus avec letransformateurSitué à côté du four. Pour protéger le transformateur de la chaleur, il est installé dans une voûte et est lui-même refroidi par l'intermédiaire d'un échange de chaleur avec les systèmes de refroidissement à eau de l'usine, car les conditions électriques de fabrication de l'acier dans un four à arc sont extrêmement stressantes pour le transformateur.
Le four est construit sur une plate-forme basculante afin que l'acier liquide puisse être versé dans un autre récipient pour le transport. L'opération d'inclinaison du four pour verser l'acier fondu est appelée « coulée ». À l'origine, tous les fours de fabrication de l'acier avaient un bec de coulée fermé par un réfractaire qui se lavait lorsque le four était incliné, mais souvent les fours modernes ont un trou de coulée inférieur excentré (EBT) pour réduire l'inclusion deazoteetscoriesdans l'acier liquide. Ces fours ont un trou de coulée qui traverse verticalement le foyer et la virole, et qui est décentré dans le "nez" étroit du foyer en forme d'œuf. Il est rempli de sable réfractaire, tel queolivine, lorsqu'il est fermé. Les installations modernes peuvent avoir deux coques avec un seul jeu d'électrodes qui peuvent être transférées entre les deux ; une coque préchauffe la ferraille tandis que l'autre est utilisée pour la fusion. D'autres fours à courant continu ont une disposition similaire, mais ont des électrodes pour chaque coque et un jeu d'électronique.
Les fours à courant alternatif présentent généralement un motif de points chauds et froids autour du périmètre du foyer, les points froids étant situés entre les électrodes. Les fours modernes montent des brûleurs à oxygène-combustible dans la paroi latérale et les utilisent pour fournir de l'énergie chimique aux points froids, ce qui rend le chauffage de l'acier plus uniforme. Une énergie chimique supplémentaire est fournie en injectant de l'oxygène et du carbone dans le four ; historiquement, cela se faisait au moyen de lances (fournaises creuses).acier douxtubes) dans la porte à scories, cela se fait désormais principalement par le biais d'unités d'injection murales qui combinent les brûleurs à oxygène-combustible et les systèmes d'injection d'oxygène ou de carbone en une seule unité.
Un four sidérurgique moderne de taille moyenne aurait unetransformateurévalué à environ 60 000 voltampères (60 MVA), avec une tension secondaire comprise entre 400 et 900 volts et un courant secondaire supérieur à 44 000 ampères. Dans un atelier moderne, un tel four devrait produire une quantité de 80 tonnes métriques d'acier liquide en environ 50 minutes, du chargement de ferraille froide jusqu'à l'ouverture du four. En comparaison,fours à oxygène basiquesLe four peut avoir une capacité de 150 à 300 tonnes par lot, ou « chaleur », et peut produire de la chaleur en 30 à 40 minutes. Il existe d'énormes variations dans les détails de conception et de fonctionnement du four, en fonction du produit final et des conditions locales, ainsi que des recherches en cours pour améliorer l'efficacité du four. Le plus grand four à ferraille uniquement (en termes de poids de coulée et de puissance nominale du transformateur) est un four à courant continu exploité par Tokyo Steel au Japon, avec un poids de coulée de 420 tonnes métriques et alimenté par huit transformateurs de 32 MVA pour une puissance totale de 256 MVA.
Pour produire une tonne d'acier dans un four à arc électrique, il faut environ 400kilowattheurespartonne courteou environ 440 kWh partonne métrique; la quantité minimale théorique d'énergie nécessaire pour faire fondre une tonne de ferraille est de 300 kWh (point de fusion 1520 degrés / 2768 degrés F). Par conséquent, un four électrique de 300- tonnes et 300 MVA nécessitera environ 132 MWh d'énergie pour faire fondre l'acier et un « temps de mise sous tension » (le temps pendant lequel l'acier est fondu avec un arc) d'environ 37 minutes. La fabrication de l'acier à l'arc électrique n'est économique que là où l'électricité est abondante et où le réseau électrique est bien développé. Dans de nombreux endroits, les usines fonctionnent pendant les heures creuses lorsque les services publics ont une capacité de production d'électricité excédentaire et que le prix de l'électricité est moins élevé.
