Brevet FR2240437A1 — publié le 19750307

La présente invention a pour objet la mesure du dêbit d'une veime de métal liquide à haute température circulant dans un chenal de coulée, ou plus généralement, dans une canalisation de section quelconque. Divers procédés industriels nécessitent la cormaissance du débit d'une veine de métal liquide alimentant les matériels destinés à metire en oeuvre ces procédées. C'est en particulier, le cas de l'affinage en continu des métaux. Par exemple, dans la convertion en continu de la fonte en scier, la connaissance du débit de la veine de fonte liqide alimentant le convertisseur continu, est indispensable pour régler les débits d'oxygène, chaux, ete, et pour l'automatisation du procédé. Lorsqu'il s'agit de la mesure d'un dêbit liquide à la température ordinaire, il existe un procédé basé sur la loi de Faraday, représenté schématiquement par la figure I. Soit un tuyau I en matière isolante et amagnétique, dont la section est remplie entièrement par le liquide qui y eircuqui y circule à une vitesse v, ce tuyau est placé dans un champ magnétique, dont l'induction est B. En deux points diamétra, lement opposés 2 et 3, sont disposées deux électrodes, la droite 2-3 est perpendiculaire au champ magnétique et au sens du déplacement du liquide. Le conducteur liquide 2-3 est le siège d'un courant induit, si l est la distance entre les deux électrodes, la différence de potentiel entre celles-ci e est : = Bvl, d'où w = . El Connaissant la vitesse et la section de la veine liquide, on en déduit le débit en volume du tuyau. La méthode de mesure du débit d'une veine de métal liquide à haute température, circulant dans une canalisation quelconque est la transposition du procédéci-dessus par l'emploi d'une technologie appropriée. Dans ce cas, le métal liquide circule dans un chenal de coulée, établi en matériaux réfractaires. Du fait de l'érosion par le métal liquide, le garnissage réfractaire s'use, la section duction du chenal s'agrandit et se déforme, d'autre part, cette section n'est généralementpas complètement remplie. De ce fait il est nécessaire de connaitre à toutt moment, la vitesse de la veine liquide, et la valeur de la section de cette veine, d'où deux mesures à faire simultanément En conséquence, chacune de ces mesures, nécessite l'usage d'un capteur approprie aux conditions particulieres exposees ci-dessus. La figure 2 montre la coupe transversale d'un chenal de coulée 4, dont la veine de métal liquide 5 est soumise à un champ magnétique d'induction B produit par deux bobines dans un circait magnétique 8 dont les poles 9 et 10 comportent une circulation d'eau de reforidissement, non représentée sur la figure 2. Le chenal 4 est en une mstière réfractaire choisie pour sa non-conductibilité électrique à chaud et sa bonne résistance à l'érosion par la veine de métal. Ce chanal 4 est entièrement clos et reconvert d'une couche d'un produit isolant résistant à la chaleur II. tement La sole du chenal comporte deux électrodes en cartone 2 et 3, dont l'éc est 1. les extrémités à l'air libre de ces électrdes sont refroidies par une ventilation, non rprésentée sur la figure. Sous l'influence de l'érosion le chenal s'agrandit et prend une forma telle que celle indiquée approximativement par le trait mixte. Les électrodes en carbone subiront la même usure que le revètement réfractaire, mais leur écartement restera invariable. Dans ces conditions la différence de potentiel é qui naitre entre les 2 électrodes sera proportionnelle à la vitesse v de métal si le champ B reste constant : e e=Blv et v= D1 Le circuit magnétique 8 comporte un joint I2-I3 permettint son démonites pour faciliter l'entretien ou le rensuvellement du chenal après usure. La figure 3 montre une coupe longitudinale et deux coupes transversales du même chenal que preécédemment 4 contenant la veine de métal liquide 5 et recouvert par une couche isolante II. Le chenal a une section uniforme sur tte Sa longueur, il est muni de deux électrodes de carbone 14 et 15, disposées l'une en amont de l'autre, à une distance L, qui restera constante que soit l'usure du garnissage réfractaire et des électrodes, laquelle usure prendra la forme approxlimatire indiquée par le trait mixte Les coupes transversales de la figure 3 montent que ces électrodes enveloppent la veine liquide sur trois coté D'autre part, pour une réalisation facile de ces électrodes, celles-ci peuvent être en plusieurs morceaux de carbone. Le conducteur électrique comprenant l'électrode 14, la partie de @de 1 L de la veine de métal et l'électrode I3, sera intercalé dans un pont de Wneatanoes; pour en mesurer la résistance. Cette resistance aura pour valeur la somme des trois résistances : - la résistance de l'électrode I4 soit t - la résistance R de la veine liquide, dont / on veut effectuer la mesurer - la résistance de l'électrode I5 à laquelle on peut donner la valeur Re égale à la résistance de l'électrode 14, puisque ces électrodes sont de même nature, ont les mêmes dimensions et sont soumises aux mêmes sollicitations' et températures. U Une ventilation non représentée sur la figure, assure le refroidissement des extrémités libres des électrodes. les électrodes I4 et IF sont a la température du metal liquide a leur extrémité en contqact avec ce métal, et à une température beaucoup plus faible à l'autre extrémiteé qui est dans l'air. De ce fait, il est pratiquement impossible de connaitre la résistance Re des, d'où un motif f'erreur, que l'on élimine, comme indiqué par la figure 4, en plaça devant lélectrode 15, une troisième électrode 16, identique aux précédentes, l'intervalle entre les deux électrodes I5 et I6 est choîst aussi faible que possible et empli par un réfractaire isolant L'ensemble est relié au pont de Wheatstone c-me indiqué par la figure 4. Entre les électrodes I4 et 15 se trouve la veine liquide le longueur L, entre les électrodes I5 et I6 une courte partie de veine liquide de longueur #L. Du point de vue électreique l'ensemble se présente comme indiqué par la figure 5. Ra et Rb résistances fixee du pont de Whentstone, Re résistance non mesurable de chacune des trois électrodes, R résistance, à mesurer, de la veine liquide de longueur L, RI résistance réglable du porit, Lorsque après réglage de la résistance RI le galvanométre I7 est à zéro, Ra RI + Re + R#L RI + Re R#L on a : = = + Rb R + Re R + Re R + Re R#L Le rapport est maximum pour Re = O. Si, par exemple#L = 2mm, R + Re R#L 2 et L = ICOO mm, le rapport R#L =2 R I000 Mais en fait, Re ne sera jamais mil et on aura dans cet exemple : R#L R + Re IOOO erreur que I'on peut négliger, de sorte que l'on p Ra RI + Re R = Rb RI + Rb Re - Ra Re ~ Rb RI = - Rb R + Re Ra Si on choisit Ra = Rb, on aura : R = RI, et I'on aura éliminé l'influence de Re. De plus le galvanomètre étant à zéro, la valeur de la résistance RI sèna la mesure de R, résistance de la veine de métal liquide de lon- gueur L, à une erreur près, inférieure à 2 pour IOOO, si l'on peut adopter les distances entre électrodes mentionnées plus haut, à titre d'exemple. Si p est la résistivité du métal liquide, L 9a distance entre les électrodes 14 et 15, S la section de Ia veine de métal, R la résistance de cette veine, R = #L/S et S Cette mesure permet de déterminer la section de la veine de métal liquide quefle que soit la forme de cette section Mais dams ce but il faut connaitre la résistivité du métal, que l'appareil ci-dessus permet de mesurer. Lors de la mise en servioce d'un tel dispositif, on part d'une installation Comportant un chenal fait à neuf, bien calibré, et que l'on alimente perdant un court instant avec un bassin à niveau constant. Le débit peut être considéré comme constant pendant une faible durée, on mesure la résistance de la. veine liquide. Après interruption du passage du métal, et en se repèrant sur les traces laissées par le métal sur les parois du chenal, on mesure la section de la veine liquide. Ces éléments permettent de connaitre la résistivité du métal liquide Di les deux mesures de v et de S sont effec simultamément, le débit en volume Q de métal liquide sera Q = Sv = # x Rx Bl La densité du métal liquide peut être mesurée par des moyens classques, soit D cette densité, le débit en poids sera : L e Qp = D x # x R Bl L, B, l sont des constantes. L = K constante du dispositif, e Qp = K D # e et R étant les mesures effectuées à l'aide des capteurs décrits plus haut. Si la température du métal liquide augmente, sa résistivté augmente, mais sa densité diminue. Les variations du produit D # en résultant, seront faibles et peuvent entre négligées, d dans la pratique industrielle et en marcjhe continue les variations de température sont faibles. La mesure du débit de métal par le procédé décritt ci-dessus, conduit 1 mesurer deux grandeurs électriques. Le traitement de ux grandeurs par des moyens électroniques, par ailleurs connus, permet de faire apparaitre le débit mesuré, sur un appareil indicateur ou un enregistreur et de fournir l'élément de base dune automatisation. D'autre part, cette méthode de mesure peut s'appliquer à d'autres métaux que la fonte, ainsi qu'à toute industrie, ou appareillage,où l'on utilise une circulation d'un métal à l'état liquide à haute température, dont il y a intéret à connaitre le débit. L. -Procédé de mesure du débit de métal liquide à baite tempé canalisation ou d'un chenal de coulée, essentiellement caractérisé de la vitesse et de la section de la veine de métal liquide dans ce chenal. La mesure de la vitesse de la veine de métal liquide est basés sur une application connue de la loi de Faraday relative à l'induction magnétique. Selon crette loi, la force électromotrice e induite dans un conducteur de longueur l, se dé-placant à L vitesse v dans un chemp magrétique de densité E e est : e = Bvl, d'où v = . B 1 Dans son application connue aux liquides à la température ordinaire, ce dispositif est caractérisé par l'usage d'électrodes, en cortact avec le liquide, dont la matière ne présente d'autre particularité, que d'être conductrice de l'électricité et de ne pas entrer en réaction avec le liquide ou son support. 2. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, selon la revendication I, dans lequel il est fait usage d'électrodes en cartone noyées dans la sole du chenal et disposées d'une facon telle que leur espacement resste constant, quelle que soit l'usure de ces électrodes et du garniseage réfractaire du chenal, assurant ainsi la constance de la longueur dm conimcteur liquide seunis à l'ie@@@@@ duction magnétique, et siège de la force électromotnice à la mesure de la vitesse de la veine liquide. 3. - Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la reventication I, dans lequel la mesure de ls section de la veine liquide est basée sur la mesure de la résistance électrique R d'une longueur dér@@ie L de la dite weine, ce dispositif étant caractérisé par l'utilisation de deux électrodes en carbone, placées, l'une en amont de l'autre, noyées dans la garmii ssage réfractaire deu chenal, disposées d'une façon telle que ces électrodes soient en cortact ave@ la veine liquide sur toute sa largeur et que la distance entre ces électrodes reste constante. Ces deux comditions étant réalisées quesoit l'usure des électrodes et du garnissagte réfractaire du chenal, et quelle que soit la déformatiom de la section S de la weine liquide, résultant de cette usure. La résistivité du métal liquide étant on a : R= L/S d'où S= L/R : La mesure est effectuée avec un pont de whestsone. 4. - Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon revendicetions I et 3, caractérisé par l'adjonction d'une troisiène électrode, pour élimirer les perturbations dues aux variations de résistance des électrodes sonmise à des températures non uniformes sur toute leur longueur, que l'on ne pest évaluer 5. - Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon revendications I, 3 et 4, pevmettant la mesure de la résistivité du métal liquide. 6. - Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon revendications I à 5 comprenant les précamtions suivantes pour protéger les organes capteurs d'un échauffement préjudiciable : - le chenal réfractaire est couvert, - il est isolé thermiquement sur toutes ses parois, - les poles du circuit magnétique comportent une circulation d'eau, - la partie extérieure des électrodes est refroidie par @@@ eirculation d'air.