Transformateurs pour fours à arc expliqués : comment les spécifier pour les charges de fusion d’acier par four à arc électrique (EAF) et à courant continu (DC)

L’an dernier au printemps, une équipe d’ingénierie spécialisée dans les ateliers de fusion d’Asie du Sud-Est nous a envoyé la plaque signalétique d’un transformateur de four à arc : 60 MVA, tension primaire de 33 kV, tension secondaire de 650 V, impédance de 8 % et tableau de prises comportant 23 positions. Leur question était simple : pouvions-nous construire la même machine pour un deuxième atelier de fusion ? En fin de compte, la plaque signalétique s’est révélée être la page la moins utile du dossier. Ce qui distingue un transformateur pour four à arc de tout appareil figurant dans un catalogue de distribution n’apparaît pas du tout sur cette plaque. Il s’agit du régime de fonctionnement qui lui est associé.

La production sidérurgique emprunte de plus en plus la voie électrique, et ce rythme se reflète dans les chiffres. Selon la publication de worldsteel intitulée World Steel in Figures 2025 , la production mondiale d’acier brut issue des fours électriques atteignait 29,1 % en 2024 . La répartition régionale revêt une importance capitale pour les acheteurs : au Moyen-Orient, la voie électrique représente déjà 95.4%d’acier brut, l’Égypte et l’Arabie saoudite affichent 100 %, tandis que les États-Unis atteignent 71,8 %. Chacune de ces tonnes est fondue dans un transformateur pour four à arc électrique avant de devenir du métal. Le Page du secteur de la sidérurgie de l’AIE suit le même changement du point de vue énergétique.

 

Pourquoi un transformateur de four à arc n’est pas un gros transformateur de distribution

Un transformateur de distribution est conçu pour supporter une charge et survivre à un défaut. Un transformateur de four est conçu pour fonctionner en permanence au sein d’un tel défaut. L’arc constitue un court-circuit contrôlé : il s’éteint et se rallume des dizaines de fois par fusion, la colonne de ferraille s’effondre et provoque un court-circuit entre les électrodes, et le perçage axial entraîne un courant que seul un défaut ferait circuler dans un transformateur de distribution. Dans un atelier de fusion, cet événement n’est pas une anomalie. C’est la condition normale de fonctionnement, et elle se produit des milliers de fois par campagne.

Le profil thermique est tout aussi différent. Une fusion dure de 35 à 60 minutes, et la puissance varie entre environ 20 % et le prélèvement maximal en quelques secondes, si bien que la température maximale au niveau des enroulements suit cette variation. La norme CEI 60076-7, guide de charge pour les transformateurs de puissance immergés dans l’huile, traite ce régime comme un cas de charge spécifique, distinct du service normal.

Paramètre	Distribution / transformateur de puissance standard	Transformateur pour four à arc
Tension secondaire	Tension de conception fixe, prises ±2 × 2,5 %	Fenêtre large, environ 300–1 100 V sur 15–25 positions
Courant secondaire	Typiquement inférieur à 3 kA	20–100 kA au niveau de la barre omnibus
Court-circuit secondaire	Événement de conception, démontré une fois	Fonctionnement normal, des milliers de fois par campagne
Impédance en pourcentage	4–6%	6–12 %, fixés par les limites de courant de défaut et de stabilité de l’arc
Commutateur de réglage sous charge	Hors circuit ou transformateur à prises sous charge (TPSC) à faible sollicitation	TPSC à forte sollicitation, des dizaines de milliers d’opérations
Réfrigération	Refroidissement naturel par huile (ONAN) ou forcé par air (ONAF)	Refroidissement forcé par air (OFAF) ou par eau (OFWF), souvent avec des pompes à huile redondantes

 

 

Les chiffres qui déterminent réellement la spécification

Cinq valeurs font le travail réel : la puissance apparente nominale (MVA) et la tension primaire, la plage de tension secondaire, le courant secondaire, l’impédance (ou la réactance totale du circuit) et l’échauffement admissible avec sa classe de refroidissement.

Le tableau des prises provient du fournisseur du four, non du fournisseur du transformateur, et il code la courbe de fusion. Le perçage interne se fait à basse tension et à fort courant, car les électrodes sont enfouies dans la ferraille et l’arc est effectivement court. À mesure que l’arc se stabilise, l’opérateur augmente progressivement la longueur de l’arc et la tension secondaire pour obtenir une meilleure efficacité thermique. Un pas de 5 V sur une tension secondaire de 600 V semble négligeable — moins de 1 % de la tension — mais il représente plusieurs centaines d’ampères de courant secondaire au niveau de la barre omnibus, et le transformateur doit délivrer chaque point de cette courbe à la puissance apparente nominale spécifiée.

L’impédance est le paramètre pour lequel les devis divergent le plus. Une unité de four est généralement spécifiée avec une impédance comprise entre 6 % et 12 %, supérieure à celle d’un transformateur de distribution, car les défauts secondaires sont fréquents et l’enroulement est le premier élément chargé de les limiter. Toutefois, l’impédance en pourcentage ne représente que la part du transformateur dans le circuit. Le concepteur de four travaille avec la réactance totale du circuit — transformateur, barres omnibus, câble souple, bras d’électrode et électrode — car cette réactance totale détermine la stabilité de l’arc et le facteur de puissance du four. Modifier la longueur des barres omnibus après avoir commandé le transformateur revient à modifier le point de fonctionnement du four.

 

La tenue en court-circuit constitue le véritable critère directeur de la conception

Voici le calcul qui détermine la masse minimale requise pour la machine. Avec une impédance de 8 %, un court-circuit franc au secondaire entraîne environ 12,5 fois le courant nominal secondaire . Sur une unité de 40 kA, cela correspond à 500 kA au niveau des barres omnibus. Les forces électromagnétiques varient avec le carré du courant ; ainsi, le même défaut engendre des forces de l’ordre de 150 fois la charge mécanique nominale à l’enroulement, à ses entretoises et à ses connexions.

Un transformateur de distribution est généralement soumis à un essai afin de vérifier qu’il résiste à un court-circuit une fois. Un transformateur de four doit, quant à lui, résister à un tel événement dans le cadre de son fonctionnement normal ; la conception mécanique devient donc primordiale : pression de serrage uniforme sur l’empilement des enroulements, entretoises précontraintes, cuivre écroui à froid, connexions de prises renforcées et châssis de noyau ne se déplaçant pas sous l’effort axial d’un défaut asymétrique. La norme IEC 60076-5 fixe les exigences relatives à la tenue au court-circuit, tandis que la norme IEEE C57.12.90 définit la procédure d’essai. Lorsqu’un fournisseur ne peut présenter ni la base de conception ni les résultats des essais, la valeur d’impédance, prise isolément, ne vous renseigne que très peu sur la durée de vie attendue de l’appareil.

Lors de nos propres examens de conception, le document qui déclenche des travaux de reprise est rarement la figure d’impédance. Il s’agit plutôt du dessin des connexions secondaires — 40 kA ou plus à travers une barre bus stratifiée ou un câble refroidi à l’eau, et l’espacement des supports défini sur ce dessin est ce qui empêche les forces d’agir sur les bornes des enroulements lors d’un coup de foudre.

 

Refroidissement et fonctionnement du changeur de prises dans un atelier de fusion

Le refroidissement est spécifié pour l’heure la plus critique, et non pour la moyenne. Le mode de refroidissement OFAF, avec pompes à huile redondantes et indicateurs de débit d’huile, constitue une pratique courante sur les transformateurs de four ; les puissances plus élevées passent au mode OFWF. La température de l’huile en partie supérieure retarde de plusieurs minutes celle de l’arc, raison pour laquelle les spécifications relatives aux fours prévoient généralement l’installation de sondes à fibres optiques détectant les points chauds dans les enroulements.

Le commutateur de prises vit dans un monde différent des pratiques du secteur de l’énergie. Un opérateur peut déplacer la prise cinq à quinze fois au cours d’une seule coulée, et un atelier de fusion fonctionnant en deux postes réalise huit à douze coulées par jour — ce qui représente 10 000 à 30 000 opérations par an, une fréquence tout à fait courante. Les unités de four sont donc spécifiées avec des commutateurs de dérivation à forte sollicitation, généralement de type sous vide, et le plan de maintenance est dicté par le compteur d’opérations, non par le calendrier. La norme IEC 60214-1 régit la conception et les essais de ces équipements.

Les mécanismes d’usure des commutateurs de prises sont les mêmes que ceux exposés dans notre guide sur les commutateurs de prises sous charge (OLTC) et hors charge , à une différence près : dans un atelier de fusion, l’horloge tourne environ dix fois plus vite, et un commutateur de dérivation jamais inspecté constitue une indisponibilité programmée en attente d’une date.

 

 

Harmoniques, scintillement et ce que le transformateur ne peut pas corriger

L’arc est une charge non linéaire et continuellement variable. Il injecte des harmoniques aux ordres deux, trois, cinq et sept, ainsi que des interharmoniques, et il module la tension du jeu de barres à des fréquences perçues par l’œil comme des scintillements. La conception du transformateur apporte une amélioration marginale — un enroulement triangle piège les harmoniques triplées et une marge de densité d’induction magnétique permet de maîtriser les pertes et le bruit supplémentaires — mais aucune spécification de transformateur n’élimine les scintillements. Cette tâche incombe à un SVC ou à un STATCOM raccordé au jeu de barres du four, ainsi qu’à une étude de qualité de l’énergie réalisée avant la commande du transformateur, et non après sa mise en service.

Les fours à arc à courant continu déplacent le problème au lieu de l’éliminer. L’arc est alimenté par un redresseur à thyristors via un transformateur immergé dans l'huile construit comme transformateur redresseur, de sorte que le spectre harmonique devient le motif caractéristique à 6 impulsions ou à 12 impulsions, autour duquel le filtre est conçu. Le transformateur est alors spécifié en fonction d’un spectre défini de courants harmoniques, plutôt que selon une enveloppe de scintillement.

 

Ce que nous vérifions avant qu’un transformateur pour four ne quitte l’usine

Ryan Electric fabrique des transformateurs depuis 2007 dans une usine de 120 000 m² équipée de plus de 180 ensembles d’équipements de production et d’essai, et détient 37 brevets ; depuis 2023, nous sommes partenaires d’une coentreprise avec Eaton. Les unités de classe four sont conçues transformateur immergé dans l'huile des modèles réalisés selon le tableau de prises fourni par le client, et non selon une puissance nominale issue d’un catalogue — c’est aussi pourquoi nos ingénieurs demandent l’ensemble des documents du fournisseur du four avant d’établir un devis.

La séquence d’essai va plus loin que la liste habituelle : mesure du rapport de transformation à chaque position de prise, résistance d’enroulement par phase, résistance d’isolement et indice de polarisation, essai de tenue en tension appliquée et induite, mesure des décharges partielles, mesure de l’impédance à chaque prise (et non uniquement à la prise nominale), ainsi que des analyses d’huile pour la tension de claquage, l’humidité et les gaz dissous. Lorsque la spécification l’exige, l’élévation de température est démontrée à la prise régulatrice, avec relevé des températures du noyau et des enroulements, et non seulement de l’élévation de température de l’huile en partie supérieure. Pour les projets destinés aux États-Unis et au Canada, la certification UL et CSA est réalisée par un inspecteur tiers, et non par notre propre service qualité ; les essais en laboratoire sont effectués sous accréditation CNAS.

Le problème le plus courant que nous constatons dans les demandes relatives aux fours est en fait l’absence de toute indication de puissance. Il s’agit d’un tableau de prises qui ne correspond pas au système de commande des électrodes, et ce défaut reste invisible jusqu’à la mise en service à chaud — c’est-à-dire lorsque le four est à l’arrêt et que le calendrier est déjà très serré.

 

Spécifier un transformateur pour four à arc : la liste de contrôle pour la demande de devis

Incluez ces éléments dans votre demande afin que la comparaison technique soit équitable :

• Tension primaire, fréquence du réseau (50 ou 60 Hz) et puissance apparente (MVA) à chaque position de prise

• Tableau de prises fourni par le fabricant du four : tension et courant à chaque position

• Diamètre des électrodes, plage de tension d’arc et disposition du circuit secondaire

• Valeur cible d’impédance, ou réactance totale du circuit à laquelle le concepteur du four se réfère

• Courant de court-circuit maximal prévisible au niveau du disjoncteur du four

• Température ambiante et altitude du poste de fusion — 45 °C à 50 °C est courant dans la région du Golfe et dans certaines parties de l’Asie du Sud-Est

• Classe de refroidissement (ONAN, OFAF ou OFWF) et nécessité ou non de pompes à huile redondantes

• Type de changeur de prises et nombre d’opérations attendu par an

• Puissance cyclique : courant efficace par cycle thermique et nombre de cycles thermiques par jour

• Essais requis : essai de chauffe, essai de décharges partielles, preuve de tenue en court-circuit, essai de séquence de commutation des prises

• Plans d’interface : isolateurs HT ou boîtier de câbles, orientation du boîtier de barres BT, position de la boîte de raccordement, sens d’entrée des câbles

• Base de conformité : série IEC 60076 ou norme IEEE C57, ainsi que toute certification requise par le marché de destination

Une note d’achat pèse plus lourd que les autres. Un transformateur de four est un équipement sur mesure ; il se situe donc sur le chemin critique, aux côtés de la cuve du four et du système de commande des électrodes. Verrouiller tôt la table des prises ne coûte rien ; en revanche, accélérer la fabrication d’un enroulement une fois la date de mise en service de l’atelier de fusion fixée entraîne des délais de livraison du transformateur qui se transforment en retards de mise en service, et définir la portée de la protection à partir d’une spécification de protection est moins coûteux que de le faire une fois la boîte de raccordement construite.

Envoyez-nous le tableau des prises du fournisseur du four, le diamètre de l’électrode et les conditions ambiantes, et nos ingénieurs vous feront parvenir une transformateur pour four à arc recommandation — impédance, plage de prises, classe de refroidissement et valeur des pertes à chaque extrémité de la plage — ainsi que les positions de prise pour lesquelles l’élévation de température et l’impédance sont garanties. Cet échange prend au plus une semaine et coûte nettement moins cher qu’un four à l’arrêt.

À propos de l'auteur : Cet article a été rédigé par l’équipe d’ingénierie de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), un fabricant de transformateurs fondé en 2007 et partenaire de joint-venture d’Eaton depuis 2023. Nos ingénieurs soutiennent des projets conformes aux normes UL, CSA et IEEE en Amérique du Nord, en Asie du Sud-Est, au Moyen-Orient et en Afrique, et notre laboratoire d’essais fonctionne sous accréditation CNAS. Pour la sélection d’un transformateur de four, l’examen d’un tableau des prises ou une demande de devis, contactez notre bureau d’ingénierie.