Brevet FR2320528A1 — publié le 19770304

La présente invention se rapporte à des perfec- tionnements apportés à des sondes destinées à être utilisées pour contrôler des propriétés physico-çhimiques, telles que la température et des propriétés chimiques de gaz, dans des envi ronnements hostiles tels que ceux que l'on trouve dans les hauts fourneaux. L'invention ne se limite pas à cette application, mais la suite de la description se référera à cette application parti culière,- pour des -raisons de commodité. Lorsqu'on fait marcher un haut fourneau, il est désirable de connattre l'allure de-la température travers le lit;-de~fusion à peu près en-son milieu dans le fourneau. On dispose de différents types des sondes thermiques pouvant entre insé rées dans le lit de fusion à travers la paroi du fourneau, pour effectuer des mesures de température sur la-mo de la, matière, mais elles sont extrêmement coûteuses et nécessitent un entretien important.En outre, de telles-sondes ne peuvent contrôler en continu l'allure de la température, car il faut les retirer peu après leur insertion. " - - :? x Dans une tentative pour remédier au court - élevé, on a -'proposé une sonde semblable que î:"9n insère dans le fourneau et qué l'on en retire par une-ouverture pourvue d'une soupape formée dans la paroi du fourneau au-dessus du lit de fusion, au moyen d'un mécanisme hydraulique ou analogue. Bien qu'elles ne donnent pas autant de renseignements que les mesures effectuées à l'inté rieur de la matière, les mesures de température effectuées de cette façon sont néanmoins utiles.Cependant, les dispositifs de ce genre sont encore relativement coûteux et ils exigent encore un entretien contraignant. Les deux dispositifs antérieurs cités ci-dessus né- cessitent de réaliser des structures de support importantes laté ralement par rapport au fourneau. De telles structures augmentent l'investissement financier représenté par le dispositif et sont en général peu commodes. L'invention a principalement pour-objet une autre solution industriellement acceptable, moins conteuse que le pre mier agencement décrit ci-dessus, et demandant-moins d'entretien que le second agencement décrit. L'invention concerne une sonde perfectionnée destinée à contrôler des propriétés physiques etXou chimiques, comme la température et la composition chimique, d'une matière dans un environnement hostile, comprenant un organe allongé supportant une pluralité de dispositifs détecteurs et/ou collecteurs répartis sur-sa longueur, des moyens pour fixer l'une des extrémités dudit organe à un récipient de ladite matière, lesdits moyens de fixation et ledit organe allongé étant réalisés et agencés de façon que, en cours d'utilisation, l'organe allongé prenne une disposition correspondant sensiblement à au moins la moitié de la configuration du profil de la matière dans le récipient, de sorte que l'organe se trouve à peu près à la même distance de la surface de la matière sur sa longueur. Pour des récipients ayant de grandes dimensions, par exemple plus de 8 m en largeur, les extrémités opposées de l'organe allongé sont agencées pour être fixées audit récipient, ledit organe allongé et lesdits éléments de fixation étant tels que ledit organe allongé prenne, en cours d'utilåsation, une disposition correspondant sensiblement au profil de la matière dans le récipient. Selon un mode d'exécution préféré de l'invention dans son application à un haut fourneau, dans lequel le profil de la matière est sensiblement en V aplati, la sonde comprend deux organes de support creux, tels que des tubes, pivotant l'un par rapport à l'autre à une extrémité et agencés pour être montés à leurs extrémités libres dans des structures de support fixées dans les parois du haut fourneau dans des positions diamétrale- ment opposées, et des moyens s'étendant entre lesdites extrémités montées pivotantes et entrant en contact avec elles pour empêcher le mouvement de pivotement au-delà de ladite configuration en V. Dans la position de fonctionnement, les deux tubes sont maintenus suivant une configuration en V aplati juste au-dessus de la surface du bain de fusion du haut fourneau . L'un au moins des tubes de support loge des tubes de guidage de thermocouples ou analogues s'étendant à partir d'une pluralité de positions réparties sur la longueur du tube, où ils traversent sa paroi à l'extrémité libre du tube de suppcrt, jusqu'à l'extrémité extérieure du tube. Cet agencement facilite le remplacement commode des thermocouples lorsqu'ils sont hors d'usage. En outre, on peut utiliser les tubes de guidage pour extraire des gaz a des fins d'analyse, de sorte que la sonde peut jouer à la fois le rôle de sonde thermique etsou de dispositif de prélèvement d'échantillons de gaz. Les tubes de support creux sont, de préférence, reliés entre eux par un agencement d'éléments de liaison ou de renforcement permettant de maintenir les tubes suivant une configuration alignée pour le montage sur le fourneau et empêchant les tubes de pivoter au-delà de la configuration en V désirée lorsqu'on les libère pour qu'ils prennent leur position de fonctionnement. Les figures du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en élévation latérale de l'agencement de sonde thermique monté dans un haut fourneau. La figure 2 est une vue en élévation agrandie partiellement fragmentaire d'un type d'articulation entre les tubes de sonde dans l'état monté représenté sur la figure 1. La figure 3 est une élévation analogue à la figure 2, mais représentant l'articulation dans l'état qu'elle prend au cours de l'installation de la sonde. Les figures 4 et 5 sont des vues en bout des deux tubes a l'extrémité "articulée". La figure 6 est un schéma synoptique montrant la sonde avec les instruments d'enregistrement, d'affichage et-d'alarme qui lui sont associés. La figure 7 représente une variante d'articulation entre les deux tubes de la sonde. En se référant d'abord à la figure 1, la sonde thermique comprend deux tubes d'acier inoxydable 1 et 2 reliés à leurs extrémités intérieures par une articulation de pivotement 3 (figure 2). Chacun des tubes 1, 2 supporte une pluralité de dispositifs du type thermocouple protegés 4 aux positions indiquées. Comme le montre avec davantage de détails la figure 2, chaque thermocouple 4 est logé dans son propre tube de guidage 5 qui passe par et est fixé dans une ouverture de la paroi des tubes 1 ou 2. Les autres extrémités des tubes de guidage 5 sortent par un réseau de trous formés dans une plaque terminale (non représentée) fermant les extrémités extérieures des tubes 1 et 2. Cet agencement facilite l'assemblage et le remplacement rapide et commode des thermocouples 4 à partir des extrémités extérieures des tubes I et 2. L'articulation 3 entre les tubes 1 et 2 comprend une patte 6 (figures 2, 4 et 5) fixée centralement à une plaque terminale fermant le tube 1 et deux pattes 7 et 8 séparées fixées à une plaque terminale fermant le tube 2. Les pattes 6, 7 et 8 comportent des ouvertures alignées qui reçoivent un pivot 9. Un écran thermique 21 est soudé à l'extrémité du tube 2 et s'étend au-delà de l'extrémité du tube 2 pour protéger l'articulation 3 contre le contact direct des gaz chauds ou des flammes. Les deux tubes 1 et 2 sont également reliés entre eux par une liaison à joint glissant 10 comprenant trois plaques allongées 11, 12 et 13 soudées aux tubes 1 et 2, comme le montrent les figures 3 et 4, et comportant deux maillons 14 réunis par des chevilles 15 passant par des fentes pratiquées dans les plaques 11, 12 et 13. Cet ensemble de liaison 10 permet de maintenus les tubes de sonde 1 et 2 en ligne droite, comme le montre la figure 3, à des fins démontage, et il limite le pivotement de l'articulation 3 à la mesure requise. Le blocage des tubes dans la position de fonctionnement représentée sur la figure 1 est en outre facilité par la présence d'extrémités coudées sur les plaques 11, 12 et 13, qui entrent en contact avec les autres tubes, 1 et 2, lorsqu'ils sont parvenus à la disposition angulaire désirée. L'extrémité libre de chacun des tubes 1, 2 comporte des organes d'arrêt ou butées 15a qui lui sont fixés, et ceux-ci coopèrent avec des structures en caisson 16 qui sont insérées dans le revêtement de briques du fourneau par des trous percés dans la paroi extérieure du fourneau Les butées 15a situées à chaque extrémité extérieure s'emboîtent avec des butées 19 situées sur la structure en caisson 16, lorsque l'on fait descendre les tubes 1 et 2 dans la disposition angulaire désirée. Les tubes 1 et2 sont renforcés par des plaques 17 disposées comme le montrent les figures 1 et 4, et chaque tube comporte une structure en caisson d'impact 18 (figure 4) le long de la section de chaque tube 1, 2, qui subit l'action des matières qui tombent et entrent dans le fourneau par la cloche (le cône) de chargement 20. La structure 18 se remplit de matières et réduit le degré d'usure dt à l'opération de chargement. Un thermocouple supplémentaire 23 passe par le tube 2 de fermeture de plaque terminale et il est situé au voisinage de la partie supérieure de l'articulation 3 pour détecter le fait que l'ensemble de liaison est soumis à des températures, trop élevées, de plus de 5000C. Une ouverture 24 d'injection de vapeur est formée dans chacune des plaques terminales fermant les extrémités intérieures des tubes 1 et 2. Des tuyaux à vapeur (non représentés) sont reliés aux ouvertures et traversent les plaques terminales dans les extrémités extérieures des tubes 1 et 2, pour assurer la liaison avec une conduite d'amenée de vapeur qui sera décrite plus loin. De la vapeur de refroidissement est injectée par les tuyaux dans les tubes 1 et 2 et elle parvient, par les ouvertures 24, à l'articulation 3. Le thermocouple est relié à un ensemble de commande qui sera décrit plus loin et provoque automatiquement l'injection de vapeur-lorsqu'une température prédéterminée est dépassée.En variante, on peut effectuer l'injection de vapeur manuellement et le thermocouple est, dans ce cas, relié à un circuit d'alarme, de sorte que l'opérateur est averti du dépassement de la température prédéterminée. On monte la sonde thermique sur le haut- fourneau de la façon suivante. On perce des trous dans la paroi extérieure du fourneau et l'on retire les briques du revêtement dans cette région pour faciliter le montage des structures en caisson 16. On ménage des ouvertures appropriées dans le tablier de protection A. On fait passer une corde de treuil à travers le fourneau et on la relie à un treuil à gauche du fourneau sur la figure 1. Une structure de support appropriée (non représentée) est formée sur la structure de fourneau existante pour supporter la sonde pendant son insertion dans le fourneau. La corde de treuil est fixée à l'une des extrémités de la sonde, et l'on tire la sonde à travers laye fourneau tout en la maintenant sous tension longitudinale pour empêcher le pivotement de l'articulation 3 à partir de la position représentée sur la figure 3. Lorsque la sonde atteint l'autre structure en caisson 16, on relâche la tension et l'on fait descendre la sonde dans la position de fonctionnement représentée sur la figure 1. En cours d'utilisation, la sonde prend une configuration ressemblant étroitement au profil de la matière contenue dans le fourneau, de sorte que la sonde est sensiblement parallèle à la matière sur toute sa longueur. Ainsi, chacun des thermocouples 4 contrôle effectivement la température du courant de gaz juste au-dessus de la matière du lit de fusion pendant le fonctionnement du fourneau (haut fourneau). On peut relier les thermocouples 4 à n'importe quel dispositif d'enregistrement approprié pour obtenir un enregistrement permanent de l'allure de la température ou une représentation visuelle sur un tube à rayons cathodiques. Ces deux variantes, ainsi que le montage schématique de l'ensemble d'injection de vapeur, sont représentées sur la figure 6. Dans les agencements représentés sur la figure 6, les thermocouples 4 et 23 sont reliés par des cibles 30 a ames multiples à un enregistreur 32 à points multiples ou à un ensemble de calculatrice 34 comportant un dispositif d'affichage à tube à rayons cathodiques 36. L'enregistreur 32 peut être un "Speedomax H" de Leeds et Northrup comportant une minuterie 38 à moteur synchrone Eagle et un bouton-poussoir 40 qui lui est relié par l'intermédiaire de relais (non représentés). La minuterie 38 peut être réglée pour produire une impression du profil de la température à des intervalles prédéterminés, ou bien l'on peut obtenir une impression instantanée du profil au moyen du boutonpoussoir 40. Le thermocouple 23 est relié à un circuit de déclenchement d'alarme 44. Le circuit de déclenchement est également relié a- une soupape électromagnétique 46 qui ouvre et ferme, au moyen d'air comprimé C, une soupape 48 de commande de vapeur dans la conduite 50 d'amenée de vapeur. Ainsi, lorsque le circuit 40 est déclenché par la détection par le thermocouple 23 de températures excessives, de la vapeur est envoyée par une conduite 50 et passe par les trous 24 pour refroidir l'articulation 3. Dans l'agencement représenté, il s'est avéré qu'un débit d'injection de vapeur de l'ordre de 20 kg/mn est adéquat et n'a pas d'effets fâcheux sur le fonctionnement du haut fourneau, Cependant, pour le fonctionnement normal du haut fourneau, les températures sont telles que la vapeur n'est pas exigée. En raison des températures extrêmes et de l'atmosphère réactive, les thermocouples doivent parfois être remplacés, mais cela est facile à faire comme on l'a décrit plus haut. Lorsque les tubes se rompent en fin de compte, on place une nouvelle sonde dans le haut fourneau comme on l'a décrit plus haut. On laisse l'ancienne sonde dans le haut fourneau, et elle finit par disparaitre par fusion. On a installé une sonde correspondant à la description décrite ci-dessus dans le haut fourneau n05 de Port Kembla (Australie), et elle s'est montrée défaillante au bout de sept mois de fonctionnement. On a installé une autre sonde dans le haut fourneau n03 de Port Kembla, et on l'a perdue en Mai 1975. On a installé une autre sonde dans le haut fourneau n04 de Port Kembla en Mai 1975, et elle fonctionne encore. Par suite, il semble que les sondes selon l'invention ont une durée de vie comprise entre six et dix huit mois, selon la sévérité des conditions de fonctionnement du haut fourneau. Comme cette sonde est un outil destiné à aider les opérateurs du haut fourneau à réduire la sévérité de ses conditions de fonctionnement, durée de vie augmentera. avec l'amélioration du fonctionnement du haut fourneau. On prévoit que, lorsque le fonctionnement du haut fourneau se sera considérablement amélicré grace à cette sonde, la durée de vie de la sonde pourra passer à deux ans ou plus. Ainsi, compte tenu du coat inférieur de la sonde par rapport à celles de l'art antérieur, il semble qu'elle constitue une solution industrielle acceptable, en particulier à la lumière de la supériorité de son fonctionnement, par rapport aux sondes immergées dans la masse en fusion décrites précédemment. On peut aussi utiliser la sonde décrite ci-dessus pour prélever des échantillons de gaz et, dans ce but, on relie les tubes de guidage des thermocouples à un dispositif de prélèvement d'échantillons de gaz ou échantillonneur, pour analyser à l'extérieur les constituants du gaz. On peut le faire en continu, avec purge périodique par la vapeur d'eau, ou selon les nécessités. On peut mettre les résultats sous forme de graphiques manuellement ou automatiquement pour obtenir les profils de distribution des constituants gazeux des hauts fourneaux comme CO (oxyde de carbone), C02 (gaz carbonique), H2 (hydrogène) et CH4 (méthane). La variante d'articulation représentée sur la figure 7 fonctionne de façon analogue au premier mode d'exécution,et des références numériques semblables désignent des éléments semblables. Dans ce mode d'exécution, l'agencement de liaison est remplacé par deux sections semi-circulaires 60 et 61 soudées ensemble et assemblées à l'angle désiré au moyen d'un gousset (ou éclisse de liaison) 62 et une plaque supérieure 64 soudée aux sections 60, 61. La section 60 est soudée fixement au tube 2 de sorte que, lorsque le tube est à l'inclinaison désirée, la section 61 constitue une butée et empêche la poursuite du mouvement de pivotement. On peut obtenir les avantages du procédé et du dispositif selon l'invention dans l'utilisation de petits hauts fourneaux (de moins de 8 m de- diamètre sans haute pression au sommet) au moyen d'une sonde comprenant un tube unique de structure et de longueur analogues à l'un des tubes décrits précédemment. Dans de tels fourneaux, on peut supprimer l'articulation centrale, du fait que les longueurs de tube en question sont suffisamment solides pour supporter l'impact des quantités de lit en fusion assez faibles introduites dans le fourneau. On a essayé avec succès une demi-sonde de ce type dans le haut fourneau-n02 de Port Kembla pendant environ dix huit mois. On notera que l'on peut utiliser plusieurs demi-sondes de ce type. Par exemple, on peut disposer deux sondes de façon analogue au mode d'exécution ci-dessus, ou bien l'on peut placer dans le fourneau quatre sondes séparées par des intervalles de 900. Bien entendu, on notera que, pour des fourneaux plus grands, l'un des tubes peut ne pas comporter de thermocouples et peut être là simplement pour supporter l'autre tube dans l'orientation requise. Cependant, l'information supplémentaire est utile et, par conséquent, il vaut mieux l'enregistrer que ne pas le faire. Cependant, l'invention s'applique également lorsqu'un seul tube collecte l'information désirée. La description ci-dessus se réfère à l'utilisation de vapeur d'eau comme refroidisseur et purge, mais il va de soi que l'on peut utiliser pour ces buts d'autres matières gazeuses appropriées. REVEND I CAT IONS 1.- Sonde perfectionnée destinée à contrôler des propriétés physiques et/ou chimiques, comme la température et la composition chimique, d'une matière dans un environnement hostile, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe allongé supportant une pluralité de dispositifs détecteurs et/ou. collecteurs répartis sur sa longueur, des moyens pour fixer l'une des extrémités dudit organe à un récipient de ladite matière, lesdits moyens de fixation et ledit organe allongé étant réalisés et agencés de façon que, en cours d'utilisation, l'organe allongé prenne une disposition correspondant sensiblement à au moins une moitié de la configuration du profil de la matière dans le récipient, de sorte que l'organe se trouve à peu près à la même distance de la surface de la matière sur sa longueur. 2.- Sonde perfectionnée destinée à contrôler des propriétés physiques et/ou chimiques, comme la température et la composition chimique, d'une matière dans un environnement hostile, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe allongé supportant une pluralité de dispositifs détecteurs et/ou collecteurs répartis sur sa longueur, des moyens pour fixer les extrémités opposées dudit organe à un récipient de ladite matière, lesdits moyens de fixation et ledit organe allongé étant réalisés et agencés de façon telle que, en cours d'utilisation, l'organe allongé prenne une disposition correspondant sensiblement à au moins une moitié de la configuration du profil de la matière dans le récipient , de sorte que l'organe se trouve à peu près à la même distance de la surface de la matière sur sa longueur.. 3.- Sonde selon la revendication 2, destinée à être utilisée dans un haut fourneau, dans laquelle le profil de la matière est sensiblement en V aplati, caractérisée en ce qu'elle comprend deux organes de support creux montés pivotant l'un par rapport à l'autre à l'une des extrémités et agencés pour être montés à leurs extrémités libres dans des structures de support fixées dans les parois du haut fourneau dans des positions diamétralement opposées, et des moyens s'étendant entre lesdites extrémités de pivotement et entrant en contact avec elles pour empêcher le pivotement au-delà d'un angle auquel le tube prend une disposition générale correspondant à ladite structure en V aplati. 4.- Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'un au moins des organes de support est un tube qui loge des tubes de guidage de thermocouples ou analogues s'étendant à partir d'une pluralité de positions réparties sur la longueur du tube, où ils traversent sa paroi à l'extrémité libre du tube de support, jusqu'à l'extrémité extérieure du tube. 5.- Sonde selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les moyens s'étendant entre les extrémités pivotantes consistent en un organe de liaison comportant des chevilles de liaison passant par des trous en forme de fentes pratiqués dans des moyens fixés rigidement auxdits tubes, ledit organe de liaison et lesdites fentes étant de longueurs telles que les tubes peuvent être maintenus en ligne droite aux fins de montage sur le récipient, tout en empêchant le mouvement de pivotement au-delà de la configuration en V désirée. 6.- Sonde selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les moyens s'étendant entre les extrémités de pi -votement comprennent un organe de renforcement présentant une configuration en V aplati correspondant de façon générale audit profil, l'une des sections de la configuration en V étant fixée rigidement à l'un desdits tubes et l'autre section recouvrant l'autre tube, de sorte que les tubes peuvent être maintenus en ligne droite à des fins de montage sur le récipient, tout en empêchant le mouvement de pivotement au-delà de la configuration en V désirée. 7.- Sonde selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un bouclier thermique partant d'un tube pour recouvrir la liaison de pivotement par le dessous. 8.- Sonde selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des conduites d'amenée de vapeur débouchant dans les tubes et débouchant sur des trous aux extrémités du tube, placées de façon à diriger la vapeur dans l'articulation de pivotement, et un autre thermocouple exposé à la chaleur au niveau de l'articulation de pivotement pour détecter si la température à cette position est excessive. 9.- Ensemble destiné à contrler les propriétés physiques et/ou chimiques de~matières dans un environnement hostile, caractérise en ce qu'il comprend une première sonde allongée pénétrant dans un récipient de ladite matière et comportant de premiers moyens pour détecter la propriété et/ou recueillir de la matière en provenance du récipient, ces premiers moyens étant répartis sur la longueur de la sonde, de seconds moyens reliés à l'extrémité extérieure de la sonde pour coupler les premiers moyens à l'appareil pour afficher l'information relative aux propriétés détectées par les premiers moyens, de sorte que le profil instantané desdites propriétés de la matière 'sur la longueur de la sonde est affiché. 10.- Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que la sonde est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8.