Four à arc électrique - Définition
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Introduction
Un four à arc est un type de four électrique utilisé en métallurgie. Il utilise l'énergie thermique de l'arc électrique établi entre une (ou plusieurs) électrode(s) de carbone et le métal pour obtenir une température suffisant à sa fusion.
De petite (environ une tonne) ou grande capacité (jusqu'à 400 t), il est principalement utilisé pour la production d'acier liquide (environ 35% de la production mondiale) et aussi pour le recyclage des métaux (par exemple pour récupérer le zinc de poussières et déchets métallurgiques) (procédé appelé Electric Arc Furnace Dust (EAFD) par les anglosaxons).
Des fours à arc miniatures sont utilisés dans certains laboratoires de recherche. Certains fours sont utilisés pour des réactions entre solides ou entre phases gazeuses.
On le retrouve dans d'autres secteurs, comme celui de la dentisterie, avec des capacités de quelques dizaines de grammes.
Histoire
Premiers développements
Les premiers fours à arc électrique ont été mis au point par Paul Héroult, en France, près de Grenoble, qui dépose son premier brevet en 1887. Non loin de là, à Venthon, Paul Girod développe le four à arc pour étudier la métallurgie du vanadium et d'autres ferroalliages dès 1898. Dans la vallée de la Romanche, Keller démarre l'électrochimie à partir de 1902.
Le four électrique de Héroult va rapidement s'imposer comme outil incontournable de la fabrication de ferrochrome, en supplantant rapidement le cubilot. Son avantage décisif apparait lorsque Héroult, en remplaçant le carbone du matériau réfractaire du creuset par de la chromite, parvient à obtenir un ferrochrome d'une teneur en carbone inférieure à 5%. La fabrication au four à arc rencontre un très grand succès, divisant le cours du ferrochrome par presque trois, et permet le développement des aciers inoxydables.
En 1907, des fours sont construits dans une usine aux États-Unis pour une utilisation industrielle. Ils produisaient initialement un « acier électrique » essentiellement destiné à fabriquer des aciers de machine-outil et destinés à fabriquer des ressorts en acier.
Au XIXe siècle, plusieurs personnes ont utilisé un arc électrique pour fondre le fer.
Sir Humphry Davy a effectué une démonstration expérimentale en 1810.
Pinchon a tenté de construire un four électrothermique en 1853 ; et en 1878-79, Sir William Siemens a déposé un brevet pour un type de four à arc.
Le « Stessano electric furnace » est un four à arc tournant (pour mélanger le bain en fusion).
Le Girod furnace est proche du four de Héroult.
Essor moderne de l'aciérie électrique
Les fours à arcs ont été utilisés lors de la Seconde Guerre mondiale pour la production d'alliages d’acier, mais ce n’est qu’ensuite que la fabrication de l'acier électrique s'est vraiment développé, encouragée par le faible coût d'investissement (environ 140 à 200 dollars par t de capacité installée annuelle, comparativement à 1000 dollars par t pour une aciérie classique). De tels fours ont donc été utilisés dans l’Europe ravagée par la guerre où la ferraille de récupération était abondante, faisant naître un type d'aciérie capable de rivaliser avec les grands sidérurgistes des États-Unis, tels Bethlehem Steel & US Steel.
Quand Nucor - maintenant l'un des plus grands producteurs d'acier des États-Unis - a décidé d'entrer sur le marché des produits longs, en 1969, il a construit un four à arc, bientôt suivi par d'autres fabricants.
Actuellement, la filière de production traditionnelle "haut-fourneau - convertisseur à oxygène" s'est de plus en plus cantonnée au marché des "produits plats" - tôle d'acier et plaques d'acier où la pureté chimique des alliages est essentielle. Cependant, en 1987, Nucor a décidé de s'implanter dans le marché des produits plats, toujours en utilisant des fours à arc.
Autres utilisations industrielles
Les fours électriques restent bien sûr très utilisés dans la fabrication de ferroalliages comme le ferrochrome, le ferromanganèse, le ferrosilicium,...
Ont l'utilise également pour l'obtention de métaux purs:
- manganèse en remplacement du haut fourneau. Actuellement, 70 % de la production de manganèse est issu de la filière électrique.
- plomb où le process électrique représentait 71% de la production en 1992, le reste étant issu de haut-fourneaux
Enfin, le carbure de calcium (carburant de la lampe à acétylène) est également produit dans des fours à arc.
