Brevet FR2343996A1 — publié le 19771007

La presente invention concerne la détermination de l'usure des garnissages en matériaux réfractaires utilises dans les appareils métallurgiques destinés au traitement des métaux liquides à température élevée. En effet, dans la plupart des métallurgies et en particulier en sidérurgie la temperature des métaux à l'état liquide est si élevée qu'elle exclut l'utilisation de récipients métalliques. Tous les appareils destinés à contenir du métal liquide sont donc constitués d'une armature métallique en acier comportant un garnissage interieur de maçonnerie réalisé avec des matériaux réfractaires. Parmi les produits utilisés on peut selon le domaine d'utilisation citer la dolomie, la magnésie, l'alumine ...etc. Cependant, malgré leur point de fusion élevé, ces matériaux ne sont pas inaltérables et se degradent dans le temps par suite, notamment, de réactions chimiques avec les produits liquides introduits et traités dans le récipient.Cette usure de garnissage est particulièrement importante et imprévisible au niveau de la surface du bain de métal liquide surtout lorsque l'élaboration necessite la formation de laitier.C'est surtout l'existence de cette usure préférentielle qui limite la tenue des garnissages réfractaires et qui pose des problèmes pour déterminer le moment de leur réfection. On conçoit en effet que si dans le cas d'une usure régulière et homogène il est possible de determiner le nombre d'opérations réalisables avant réfection il n'en est plus de même dans le cas d'usures localisées et aléatoires.De ce fait on est obligé de recourir a des estimations basées sur l'expérience, faute de pouvoir faire des examens détaillés et des mesures précises sur le récipient chaud ; il est en effet indispensable de laisser refroidir les appareils métallurgiques pour y entrer afin d'effectuer des mesures d'épaisseur. C'est pourquoi afin d'éviter la percée du réfractaire et la détérioration consécutive de la carcasse métallique dite " cuirasse on est amené à conserver des marges de sécurité qui s'avèrent coûteuses et qui n'excluent pas pour autant les risques dûs à une usure inhabituelle. On comprend donc que, faute de disposer de moyens pour mesurer l'epais- seur du garnissage réfractaire dans un réacteur chaud, on est contraint d'adopter une politique de réfection basée sur la prudence et de ce fait coûteuse en produit réfractaire. Le but de la présente invention est de remédier à cette situation et de fournir les moyens pour mesurer l'épaisseur des réfractaires dans un récipient métallurgique chaud. A cet effet l'objet de l'invention est un procédé de mesure de l'épais- seur du garnissage réfractaire d'un récipient métallurgique consistant - à introduire dans le récipient, en un point géométriquement défini une source de rayonnement gamma, d'intensité connue, - à mesurer en des points géométriquement définis à l'extérieur de la cuirasse, au moyen d'un detecteur a rayonnement, l'intensité du rayonnement ayant traversé la paroi du récipient, - a reproduire les mêmes déterminations au cours des campagnes de fonctionnement, - a comparer les mesures obtenues à des valeurs de références mesurées sur le revêtement réfractaire neuf, - et, connaissant la loi d'absorption du rayonnement, a en déduire pour chaque série de détermination l'épaisseur du réfractaire, donc son degré d'usure. Selon une variante de mise en oeuvre, on atténue l'intensité du rayonnement d'une valeur connue au cours des séries de mesure pour compenser la diminution d'absorption du rayonnement dûe à l'usure du réfractaire. Selon une autre variante on effectue les mesures d'absorption dans un plan où le rayonnement traverse le refractaire selon une direction sensiblement normale à la paroi du récipient. Eventuellement, on effectue plusieurs séries de mesure en déplaçant la source de manière à réaliser plusieurs séries de mesure,dans des plans parallèles où le rayonnement traverse les parois selon une direction sensiblement normale aux dites parois. L'invention comprend egalement un dispositif pour mesurer l'épaisseur des garnissages réfractaires des récipients métallurgiques comprenant une source radioactive, des détecteurs de rayonnement et des moyens pour introduire une source de rayonnement gamma dans un récipient dont les parois sont à température élevée. Selon l'invention, le dispositif comprend les éléments constitutifs suivants : un container de protection dans lequel se trouve la source au repos, des moyens de télécommande pour sortir la source du container et la déplacer dans un conduit d'introduction fixé sur le container, le conduit d'introduction étant, sur au moins la longueur introduite dans le récipient, enfermé dans une enceinte de refroidissement alimentée en fluide réfrigérant. Selon une autre caractéristique de l'invention, un attenuateur de rayonnement en métal lourd est emboîté sur l'extrémité de l'enceinte de refroidissement. Enfin, dans une variante de réalisation, un conduit alimenté en gaz comprimé traverse la longueur de l'enceinte de refroidissement pour déboucher à l'extrémité du conduit d'introduction et le conduit d'introduction comporte à son extrémité proche du container une ouverture pour introduire un atténuateur en métal lourd comportant une cavité centrale et dont le diamètre est légèrement inférieur a celui du conduit d'introduction. L'invention sera d'ailleurs mieux comprise grâce à la description qui suit, donnée a titre d'exemple en regard des planches de dessin annexées sur lesquelles - la figure 1 représente, vue en coupe, un four électrique pour l'elabora- tion d'acier, le dispositif porte-source, et le détecteur de rayonnement. - la figure 2 représente l'application du procédé à la mesure d'épaisseur du garnissage d'un convertisseur. - la figure 3 représente une vue en coupe du dispositif d'introduction de la source dans le four avec un atténuateur externe. - les figures 4 et 5 representent des vues en coupe d'atténuateurs. - la figure 6 est une vue en coupe du dispositif avec atténuateur interne. - la figure 7 est une courbe d'etalonnage obtenue avec une source de Co 60. - la figure 8 représente des courbes d'étalonnage obtenues avec une source d'Ir 192 avec et sans atténuateur. Sur la figure 1, on a représente, vu en coupe, un four électrique 1 utilisé en siderurgie pour produire de l'acier. Un tel four est constitue d'une cuirasse métallique 2 qui sert de support à une maçonnerie en briques réfractaires 3. Ce four comporte un bec de coulée 4 et généralement à l'opposé de ce bec une porte 5 utilisée pour surveiller le bain et effectuer les prélavements de metal et procéder à diverses additions. La cuve du four est fermée par un couvercle 6 amovible comportant trois ouvertures à travers lesquelles sont introduites les électrodes 7 pour l'amenée du courant. Un tel four en cours d'opération contient une masse de métal liquide déterminée, toujours sensiblement la même qui fait que le niveau d'affleurement du métal liquide se situe dans la même région des parois.De plus on forme à la surface du métal, un laitier qui affleure egalement dans une zone qui est pratiquement toujours la même. Il est bien connu des sidérurgistes que, du fait de la réactivité du laitier et du métal, il se développe a leur interface des réactions qui détériorent les parois réfractaires dans la zone où ces produits sont en contact avec les revêtements de réfractaires. Il en résulte une usure préférentielle à ce niveau qui, en fait, conditionne la durée de vie du four entre deux refections. Il est donc particulierement utile de suivre l1évolu- tion du revêtement réfractaire à ce niveau et ce, sans avoir l'obligation de laisser refroidir le four. Selon le procédé du demandeur on introduit dans le four, par la porte 5 une source 8 de rayonnement gamma, et on mesure l'intensité émise par la source au moyen d'un detecteur 9 situé contre la cuirasse. La source est renfermée dans un container de transport 10, pour arrêter le rayonnement gamma, auquel est adaptée une lance il comportant un refroidissement par fluide non représenté sur cette figure. Un dispositif de commande 12 permet de transférer la source de l'intérieur du container 10 vers l'extrémité de la canne d'où elle émet un rayonnement gamma d'intensité égale dans toutes les directions. Ce rayonnement traverse une certaine épaisseur d'air à l'intérieur du four puis le revêtement réfractaire et la cuirasse.Le rayonnement gamma n'étant pas absorbé par l'air et l'épaisseur de la cuirasse étant la même, on conçoit que les variations d'intensité de rayonnement transmis ne sont dûes qu'aux variations d'épaisseur du revêtement refractaire. Si l'on connait la loi d'absorption du rayonnement pour des épaisseurs de réfractaire variables et pour une source d'énergie donnée, il est possible , à partir d'une mesure d'intensité à l'extérieur de la cuirasse, d'en déduire l'épaisseur du revêtement réfractaire. Ceci n'est vrai que si les positions géométriques de la source d'une part, et des points de mesure, d'autre part, sont les mêmes d'une serie de mesures l'autre. En effet, pour obtenir une détermination directe de l'épaisseur, il est nécessaire que la distance source détecteur reste la même. Le positionnement identique de la source dans le four, d'une série de mesures a une autre, peut être réalise aisement par des moyens mécaniques fixes ou prenant appui en des endroits determinés de la cuirasse située du côté de la porte. En effet, deux techniques de mesure sont possibles dans le cas où l'on veut determiner par une série de mesurN,l'epaisseur du réfractaire au niveau de l'affleurement du métal et de part et d'autre de celui-ci. La première technique consiste à positionner la source au centre du four dans un plan déterminé (correspondant par exemple au niveau d'affleurement), et à effectuer des mesures d'intensité radioactive transmise, par un ou plusieurs détecteurs disposes contre la cuirasse dans le même plan, puis a effectuer d'autres series de mesures en déplaçant parallèlement la source et le ou les détecteurs. Dans cette technique, le trajet du rayonnement est toujours normal à la paroi et les variations d'intensité de rayonnement transmis sont reliées directement a celles de.l'épaisseur de refractaire. Dans une seconde technique, on peut laisser la source fixe et déplacer le ou les détecteurs dans d'autres plans que le plan horizontal passant par la source. Dans ce cas, il y a lieu d'apporter une correction prenant en compte l'angle d'incidence du rayonnement par rapport au plan du mur. Il est bien entendu que pour chaque série de mesure intervenant au cours de la vie du four, il est indispensable d'utiliser la même source et les mêmes positionnements respectifs de la source et des points de détection. Par ailleurs, l'emploi de source gamma impose des mesures de sécurité pour éviter l'irradiation du personnel. Dans le cas du procéde objet de l'in vention, on utilise le four et ses parois comme écrans anti-rayonnement. Il esten effet possible de déterminer pour un four de structure donnée l'intensite de la source pour que le rayonnement apres avoir traverse les parois soit sans danger tout en permettant une mesure valable. Toutefois l'épaisseur du garnissage diminuant, il est bien certain qu'en fin de campagne, l'efficacité du réfractaire en tant qu'écran anti-rayonnement diminue et que les équivalents de dose au niveau du plancher dépassent les maxima admissibles.Pour éviter ces risques, on diminue l'activité de la source par exemple au moyen d'écrans atténuateurs qui entourent celle-ci et diminuent son intensité d'une quantité connue, ce qui permet toujours de déterminer la quantité absorbee par le revêtement réfractaire. Il est cependant évident que lorsque l'épaisseur du réfractaire résiduel est suffisante pour atténuer encore efficacement le rayonnement, il n'est pas nécessaire de recourir à l'emploi d'un atténuateur. Sur la figure 2 on a représenté la mise en oeuvre, dans le cas d'un convertisseur constitué d'une cuirasse 13, d'un revêtement réfractaire 14 et comportant une ouverture 15 à sa partie supérieure. Un ensemble de mesure comprenant une canne 16 d'introduction de la source radioactive, un container renfermant la source en position de repos 17 et un ensemble de télécommande 18 sont également représentes sur la figure 2. Le centrage de la canne 16 et son maintien en position est assuré par un dispositif analogue, par exemple, à celui utilisé pour supporter des lances d'injection. Etant donné la grande hauteur des convertisseurs actuels, il est souvent nécessaire d'effectuer plusieurs series de mesure dans les plans différents. A cet effet, la source étant positionnée à l'extrémité inférieure de la canne, on déplace celle-ci sur toute la hauteur du convertisseur.En repérant pour chaque niveau la position de la source, on peut placer le ou les détecteurs 20 dans le plan correspondant et obtenir un profil de l'usure du garnissage sur toute la hauteur du convertisseur. Pour illustrer cette façon de faire on a représenté en A, B, C, trois positions de la source et les dispositions respectives du ou des détecteurs de rayonnement. Il est bien évident que pour chaque niveau de mesure, on déplace le détecteur sur la périphérie de la cuirasse 14 afin d'obtenir une image complète de l'état du garnissage réfractaire. On va maintenant décrire en se référant aux figures 3 et 6 le dispositif d'introduction de la source radioactive dans les appareils comportant un garnissage réfractaire. Un tel dispositif comprend trois éléments principaux un container de protection 21 dans lequel se trouve la source en position de repos, un dispositif de télécommande 22 permettant d'amener la source en position de travail et de la rentrer dans le contaminer, et une canne 23 pour amener la source en position de mesure. On ne décrira pas plus en détail le container et le dispositif de télécommande qui sont connus en eux-mêmes et disponibles dans le commerce. Il est bien évident par contre que le fait de travailler dans des récipients où règne une température élevée ne permet pas d'utiliser les embouts habituellement utilisés. Le demandeur a donc été amene à adapter à la sortie du container une canne 23 constituée d'un corps tubulaire creux 24 fixé sur le container et enfermé sur au moins toute la longueur introduite dans les récipients chauds, une enceinte de refroidissement parcourue par un fluide, de l'eau par exemple. Pour effectuer une mesure, on introduit la canne 23 dans le recipient , on règle avec précision la position de cette dernière et au moyen de la télécommande on fait sortir la source 26 du container et on l'amène dans la position de mesure 27.On voit qu'il s'agit là de manoeuvres très simples, qui n'exigent pas d'adaptations importantes, et qui sont, de ce fait, particu lièrement aisées à mettre en application. Comme on l'a déjà dit plus haut l'épaisseur de réfractaire diminue bien entendu dans les récipients au cours des campagnes et son épaisseur peut finalement être trop faible pour former un écran qui attenue le rayonnement gamma de façon suffisante. Dans ce cas , il est possible de disposer au bout de la canne, sur l'enceinte de refroidissement, un dispositif d'attenuation du rayonnement qui ramène celui-ci à une intensité parfaitement compatible avec l'affaiblissement de l'épaisseur du réfractaire. La realisation d'un tel atténuateur ne présente aucun problème et tout homme de l'art sait choisir la nature du materiau et son épaisseur pour obtenir un taux d'attenuation déterminé. Sur les figures 4 et Si on a représenté deux types d'atténuateurs 28 et 29 susceptibles d'être adaptés sur l'extrémité de l'enceinte de refroidissement. Le modèle 28 est destine aux cannes de mesure travaillant horizontalement (figure 1), pour lesquelles il est nécessaire d'atténuer le rayonnement de la source y compris à son extremité puisqu'il est nécessaire de faire également des mesures dans ce secteur du plan. Le modèle 29 est destiné aux cannes de mesura travaillant verticalement. Dans cette position on voit que l'on n'est pas obligé d'atténuer le rayonnement vers le bas puisque l'usure du fond est peu importante et que l'on ne procede pas à des mesures dans cette zone. Le modele 29 ne comporte donc que des parois épaisses et un fond plus mince. Un tel montage de 1 'atténuateur présente cependant quelques inconvénients notamment lorsque l'on travaille dans de grands fours. Par ailleurs sa taille doit être importante pour pouvoir coiffer l'extrémité de l'enceinte de refroi pissement. Le demandeur a donc réalise un autre modèle d'ensemble de mesure repré senté sur la figure 6 et comportant un attenuateur intérieur. Sur cette figure on retrouve les éléments déjà décrits tels que le container 21, la canne 23 avec son corps tubulaire creux 24 et son enceinte de refroidissement 25. Cependant le corps tubulaire 24 comporte en outre, une ouverture 30 prolongée par une ouverture correspondante 31 ménagée dans la pièce support 32 du corps tubulaire 24. Une tubulure 33 est raccordée à une source de fluide non repré sentée, par exemple, un gaz comprime. Un obturateur 34 permet de fermer l'ouverture 31. Dans ce dispositif on utilise un atténuateur de même forme que ceux des figures 4 et 5, mais dont le diamétre , inférieur à celui du corps tubulaire 24, lui permet de se déplacer dans celui-ci, Lorsque l'on souhaite effectuer des mesures avec l'atténuateur, la source étant dans le container, on introduit l'atténuateur par les ouvertures 30 et 31 dans le corps tubulaire 24 et, au moyen du dispositif de télécommande, on débouche la sortie de la source hors du container.On comprend aisément que la source s'engage dans la partie creuse de l'atténuateur et pousse celui-ci devant elle jusqu'à la position de la mesure. Ensuite, pour ramener l'atténuateur ,on injecte par la tubulure 33 du fluide sous pression qui repousse l'atténuateur pour l'amener en regard des ouvertures. Afin d'arrêter l'atténuateur en regard de l'ouverture on peut prévoir des butées- 35 à l'intérieur du corps tubulaire. Ce mode de réalisation permet de réaliser des atténuateurs de petites dimensions et de leur assurer un bon refroidissement. Afin de montrer les possibilités de cette technique de mesure, on donnera maintenant deux figures 7 et 8 représentant l'absorption du rayonnement des sources par une paroi du réfractaire. Dans le cas de la figure 7 on a utilisé une source de Cobalt 60 d'une activité de 41 mCi et un réfractaire désigné par la dénomination commerciale Anker T 15 ayant une densite de 3,03. On a porte en abscisse l'epais- seur de refractaire et en ordonnée le logarithme de nombre de coups par seconde, enregistres par les détecteurs. On remarque que l'on obtient une relation parfaitement linéaire qui permet aisément d'apprecier des variations d'épaisseur de réfractaire de l'ordre du centimètre. Sur la figure 8 on a procédé à la meme expérience mais avec une source d'iridium 192 ayant une activite de 6,44 Ci. Le réfractaire était également de l'Anker T 15. On obtient aussi une relation linéaire permettant une évaluation précise des variations d'épaisseur (Courbe a). Par ailleurs, des essais ont été effectués avec la même source équipée d'un atténuateur en plomb. On remarque sur la courbe b que l'on obtient une droite parallèle qui montre bien que les mesures faites dans ces conditions conservent toute leur signification. Il est à noter que dans ce cas on a utilisé un atténuateur en plomb mais que tout métal lourd peut egalement être utilisé. Il apparait donc clairement de la description que le procédé et le dispositif mis au point par le demandeur permettent de mesurer l'épaisseur d'un refractaire dans des appareils métallurgiques et, ce qui est extrêmement important du point de vue pratique, dans les appareils dont les parois sont encore à température élevée. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour mesurer l'épaisseur du garnissage réfractaire d'un récipient métallurgique caractérisé en ce que l'on introduit dans le récipient en un point géométriquement défini une source de rayonnement gamma d'intensité connue, que l'on mesure en des points géométriques, définis à I'extérieur de la cuirasse,-au moyen d'un détecteur, l'intensité du rayonnement ayant traversé la paroi du four, que l'on compare les valeurs obtenues à des valeurs de références mesurées sur le four avec revêtement neuf, les différences étant en relation directe avec les variations d'épaisseur de réfractaire, et en ce que l'on en déduit pour chaque série de mesure l'épaisseur du garnissage refractaire restant. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les mesures de l'intensité du rayonnement émergeant sont réalisées dans un plan où le rayonnement traverse le refractaire selon une direction sensiblement normale à la paroi. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on effectue plusieurs series de mesures dans des plans'parallèles en déplaçant d'une même distance la source et le détecteur correspondant. 4 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on atténue d'une valeur connue l'intensité du rayonnement de la source pour tenir compte de la diminution d'épaisseur du garnissage. 5 - Dispositif pour mesurer l'épaisseur des garnissages réfractaires des récipients métallurgiques, comprenant une source radioactive et des détecteurs de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour introduire une source de rayonnement gamma dans un récipient dont les parois sont à température élevée. 6 - Dispositif selon la revendication 5 comprenant un container de protection dans lequel se trouve la source au repos, des moyens de télécommande pour sortir la source du container et la deplacer dans un conduit d'introduction fixé sur le container, caractérisé en ce que le conduit d'introduction est, sur au moins la longueur introduite dans le récipient, enfermé dans une enceinte de refroidissement alimentée en fluide réfrigérant. 7 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'un atténuateur de rayonnement en métal lourd est emboité sur l'extrémité de l'enceinte de refroidissement. 8 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un conduit alimenté en gaz comprimé traverse la longueur de l'enceinte de refroidissement pour déboucher à l'extrémité du conduit d'introduction, et en ce que le conduit d'introduction comporte à son extrémité proche du container une ouverture pour introduire un atténuateur en métal lourd, comportant une cavité centrale, et dont le diamètre est également inferieur à celui du conduit d'introduction.