Brevet FR2381298A1 — publié le 19780915

La présente invention concerne des perfectionnements aux dispositifs de repérage de la température dans des fours industriels, notamment dans les fours sEtallurgiques à rayonnement, tel que le four électrique à arcs. Dans les domaines industriels les plus divers, et notamment dans le domaine de l'élaboration des métaux, la recherche d'un meilleur contrôle de la marche des fours demeure un objectif constant des utilisateurs. Dans le cas des fours électriques à arcs par exemple, où les conditions opératoires sont particulièrement sévères, l'intérêt d'un tel contrôle a pris une importance d'autant plus grande avec l'emploi des fortes puissances qui sollicitent d'avantage le garnissage réfractaire, surtout en cas de réglages défectueux Touterégulation de ce type nécessitant la connaissance aussi fine que possible de paramètres représentatifs de l'état interne du four, il a été mis au point des dispositifs que l'on place dans le four et qui détectent, où ils se trouvent, les variations de flux thermique.Ces dispositifs sont constitués d'une sonde calorimétrique montée sur des organes assurant sa manutention. La sonde est généralement composée d'une chemise tubulaire refroidie, équipée à son extrêmité d'un embout, bon conducteur de la chaleur, par exemple en graphite et qui est exposé en permanence au rayonnement du four. Cette extrêmité constitue donc une surface thermosensible qui suit les évolutions de l'état thermique du four et dont on mesure les variations de température au moyen d'un thermocouple placé dans l'embout. Le plus souvent, on agence de tels dispositifs dans une ouverture traversant de part en part la paroi du four, l'embout affleure alors la face interne du garnissage réfractaire et la chemise tubulaire dépasse à l'extérieur de la paroi pour permettre l'alimentation en eau de refroidissement ainsi que la manutention générale de la sonde.De tels dispositifs sont bien entendu situés au-dessus du bain de métal présent dans le four. Mais on ne peut toutefois les placer trop haut si l'on veut que les mesures effectuées reflètent fidèlement l'état thermique interne. Or il est bien connu que dans ces fours, et particulièrement dans les fours à arcs utilisés pour la fusion et l'affinage des métaux, le milieu est loin d'être calme : on constate notamment l'existence de nombreuses projections de laitier et de métal ainsi que la formation d'une atmosphère chargée en vapeurs métalliques et en poussières.De ce fait on remarque sur la face interieure de la paroi la formation locale de croûtes plus ou moins consistantes qui peuvent bien entendu également obstruer l'orifice de mesure ou adhérer sur la surface thermosensible de l'embout. I1 est bien évident que toute mesure fournie dans ces conditions n'a plus aucune signification, mais peut par contre déclancher à tort des opérations prévues dans une telle situation. On comprend donc qu'il est essentiel pour envisager un contrôle efficace de maintenir constamment en état de marche les dispositifs de détection. On connaît des perfectionnements consistant à équiper de tels dispositifs de moyens assurant un mouvement alternatif de translation de la sonde de façon que, lors d'une avance, l'embout thermosensible fasse saillie à la surface interne du garnissage de manière à réaliser un décrassage de l'orifice de mesure (BF 2 189 730). D'autres perfectionnements prévoient par exemple des organes escamotables dans le corps de sonde (BF. 2.176.249) ou des manchons amovibles entourant la sonde (demande de brevet français nO 75/01378)et susceptibles d'être animés d'un mouvement de va et vient de manière à faire saillie temporairement par rapport à la surface sensible de l'embout affleurant à la face interne du garnissage et à déboucher ainsi l'orifice de mesure. D'autres encore permettent, outre le débouchage de l'orifice de mesure, le nettoyage de l'embout lui-même (demande de brevet français na 75/01378). Ce résultat est obtenu par centrifugation des dépôts sur la surface thermosensible au moyen d'une mise en rotation de l'embout autour de son axe. Avec des résultats similaires en vue, la présente invention a pour objet un dispositif de repérage de la température dans les fours industriels, en particulier dans les fours métallurgiques et notamment dans les fours à rayonnement, comprenant une sonde calorimétrique de forme tubulaire présentant une extrémité thermosensible destinée a être exposée à l'intérieur du four pour détecter les variations de flux thermique, des moyens de manutention pour l'installation de la sonde sur le four, et des moyens assurant un mouvement alternatif de translation de la sonde, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens permettant, au cours d'un mouvement d'avancée vers l'intérieur du four, une percussion de la sonde ; ces moyens étant constitués par une partie percutée fixe par rapport au four et une partie percutante mobile, solidaire de la sonde. Selon une mise en oeuvre particulière, la sonde étant destinée à être agencée dans une ouverture traversant de part en part la paroi du four, présente une longueur sensiblement supérieure à celle de ladite ouverture de manière à avoir un prolongement extérieur au four, ce prolongement comportant la partie percutante précitée. Conformément à une disposition avantageuse, la partie percutée et la partie percutante présentent une forme annulaire et sont disposées autour de la sonde. Selon une variante préférée, les moyens de manutention assurent le support ainsi que des déplacements longitudinaux de la sonde pour permettre le réglage de sa position dans le four, ou son extraction complète, ou plus particulièrement, lorsque la sonde est implantée dans la paroi, un recul progressif en fonction du degré d'usure du garnissage réfractaire de manière à conserver en permanence son extrêmité sensible dans le plan de la surface interne du garnissage. Dans un mode de réalisation, les moyens de manutention sont constitués par un chariot porteur mobile sur un châssis fixe par rapport au four, et de préférence, fixé sur la paroi du four. Conformément à une disposition de l'invention, les moyens assurant un mouvement alternatif de la sonde comprennent un vérin relié à un distributeur de fluide de commande sous pression. Selon une variante, le vérin est à double effet. Selon une autre variante, le vérin est à simple effet de manière à assurer le mouvement d'avancée de la sonde, le mouvement de retour étant obtenu au moyen d'un ressort de rappel. Conformément à un mode de réalisation préféré, les moyens assurant les mouvements alternatifs de translation de la sonde sont fixés aux moyens de manutention. Comme on le comprend, l'invention consiste donc à adapter aux dispositifs connus un ensemble mécanique qui transmet à la sonde de mesure un mouvement de percussion ayant pour effet de décoller la croûte de projection adhérant sur la surface de l'embout. Cet ensemble mécanique se compose d'un système, également connu, assurant à la sonde un mouvement de va-et-vient, d'une partie percutante, ou "marteau" venant frapper, au cours d'un mouvement d'avancée de la sonde, une partie percutée ou "enclume". Le marteau est fixé sur la sonde et peut présenter des formes très variées. Il est bien clair que, pour des raisons de meilleures répartition de l'énergie de choc, on choisira de préférence un couple marteauenclume de forme annulaire et entourant la sonde. Si, comme c'est généralement le cas, les moyens de manutention de la sonde sont constitués par un équipage mobile, l'enclume sera de préférence solidaire de ce dernier. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages ressortiront mieux au vu de la description qui suit donnée à titre d'exemple et en référence aux planches de dessins annexées, sur lesquelles - la figure 1 représente un mode de réalisation de l'invention selon lequel les moyens de manutention de la sonde de mesure sont constitués par une structure fixe, solidaire du four, - la figure 2 représente un autre mode de réalisation dont les moyens de manutention sont cette fois constitués par un équipage mobile permettant des déplacements longitudinaux de la sonde. Comme on le voit sur les deux figures, la sonde calorimétrique I est montée dans une ouverture 2 traversant de part en part la paroi latérale 3 d'un four à arcs 4 constituée d'une cuirasse métallique extérieure 5 enveloppant un garnissage interne fait de briques réfractaires 6. Ainsi qu'il a déjà été dit, l'ouverture 2 est ménagée à une hauteur supérieure au niveau du bain de métal en fusion 7 dans le four et présente un diamètre sensiblement plus grand que celui de la sonde I pour ne pas gêner les mouvements de la sonde comme cela va être décrit par la suite. La sonde en elle-même ne constitue pas l'objet de l'invention ; elle est, ou peut être, de type connu et à cet égard ne justifie pas ici d'une description détaillée, laquelle par ailleurs pourra être trouvée par exemple dans le brevet français nO 2.174.654. On rappelle toutefois qu'elle se compose de deux tubes concentriques formant une chemise tubulaire 8 séparée intérieurement en deux espaces annulaires par une cloison cylindrique. Ces deux espaces communiquent entre eux à l'extrêmité chaude de la sonde, permettant ainsi une circulation interne d'eau de refroidissement, dont les conduites d'alimentation 9 (espace interne) et d'évacuation 10 (espace péripherique) sont piquées sur le prolongement extérieur de la sonde. Le nez de la sonde est de forme conique et un embout en graphite 11 s'y emboite.L'ensemble comporte un conduit central où se loge un thermocouple schématisé en 12. La soudure du thermocouple prend place dans l'embout à quelques millimètres de la face externe 13 de ce dernier, exposée au rayonnement du four et disposée dans le plan de la surface interne 14 du garnissage réfractaire. Le thermocouple est connecté à un enregistreur de température schématisé en 34. En se reportant maintenant à la figure 1, on voit que la sonde est maintenue par un porte-sonde 15 qui assure son support et son centrage dans l'ouvertu- re 2. Le porte-sonde 15 est composé d'un châssis 16 fixe à la cuirasse 5 du four par l'intermaidiaire d'une plaque de base 17 et comportant un bras 18 muni d'une ouverture dans laquelle peut librement coulisser la sonde 1. Le châssis 16 supporte egalement, par les brides 20, les moyens 21 permettant un mouvement de va-et-vient, ou conformément à une expression précédemment employée, un mouvement alternatif de translation de la sonde. Dans l'exemple considéré, ces moyens sont constitués essentiellement d'un vérin à double effet dont le piston 22 agit sur la sonde par l'intermédiaire d'une tige 23 traversant l'enveloppe 24 de façon étanche et comportant un disque 25 fixé sur I'extrêmité du prolongement extérieur de la sonde. Comme on le voit, la sonde comporte sur son prolongement extérieur un marteau percuteur 26, conformé en collet annulaire, et dispose entre le bras 18 et la plaque de base 17. Cette dernière comporte à son tour une butée annulaire, ou enclume 27, disposée autour de l'orifice de l'ouverture 2 et en regard du marteau 26.Lorsqu'une opération de nettoyage de l'embout est décidée, un distributeur d'air sous pression (non représenté) alimente le vérin par la conduite 32, le piston 22 se déplace alors rapidement en direction du four 4 et communique son mouvement à la sonde 1. Au cours de ce mouvement d'avancée, la percussion est obtenue par la rencontre brutale du marteau 26 et de l'enclume 27. La quantité de mouvement accumulée par la croûte adhérant sur l'embout 11 est alors libérée sous forme d'impulsion capable par ses effets de décoller la croûte; Le distributeur d'air alimente alors le vérin par la conduite 33 et l'ensemble reprend sa position initiale. Bien entendu, plusieurs cycles de va-et-vient successifs peuvent être envisagés pour parfaire le nettoyage de l'embout, si nécessaire.D'autre part il est bien clair que la percussion aura lieu selon le processus décrit ci-dessus, à condition que, la sonde étant en position de repos comme le montre la figure, la distance séparant le marteau de l'enclume soit inférieure à la course du piston. Dans le cas contraire en effet, la percussion serait obtenue par le piston lui-meme venant frapper en bout de course, l'enveloppe 24 du vérin. Si le résultat recherché, à savoir le décollement des croûtes sur l'embout peut, selon toute vraissemblance, être également obtenu de cette façon, il est clair qu'un vérin du type de celui employe n'est généralement guère préparé à assumer une telle fonction, et pour des raisons évidentes de tenue mécanique, ce mode de percussion devrait généralement être évité. Comme on le voit, la position de repos de la sonde est telle que la surface sensible 13 de l'embout 11 affleure à la surface interne 14 du garnissage. Toutefois, si on le désire, il est possible de modifier un tel emplacement. A cet effet, il a été prévu une butée d'arrêt 28 réglable en profondeur dans le vérin au moyen d'une tige filetée 29 pouvant se visser manuellement dans une ouverture 30 de l'enveloppe à l'aide d'une poignée molettée 31. En outre, le demandeur préconise que l'agencement des différents éléments du dispositif, et notamment l'emplacement du marteau 26 autour de la sonde, soit tel que au moment de la percussion, l'embout 11 fasse saillie à la surface intérieure 14 du garnissage réfractaire. De cette façon la croûte décollée de la surface 13 tombe dans le bain métallique 7 et ne risque pas de se déposer dans l'ouverture 2 comme cela serait à craindre si l'embout était à l'intérieur de l'ouverture au moment de la percussion. De plus, au cours de son mouvement d'avancée, la sonde permet de décrasser l'orifice de mesure par l'intermédiaire de l'embout Il servant alors de déboucheur. La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif selon ltinvention qui diffère du precédent par la réalisation du système assurant le mouvement de va et vient et par des moyens de manutention de la sonde plus perfectionnés. Sur la figure 2, les éléments du dispositif identiques à ceux de la figure 1 possèdent les mêmes références. Sur cette figure on voit que les moyens de manutention 15 de la sonde sont constitués par un équipage mobile pouvant se déplacer selon une direction perpendiculaire à la paroi du four. Comme on peut s'en rendre compte, ces moyens assurent deux fonctions distinctes - un rôle de support de l'ensemble constitué par la sonde 1 et ses moyens 35 (décrits par la suite) lui assurant le mouvement de va-et-vient ; cette fonction de support étant remplie par le chariot porteur 36. - un rôle de translation de ltensemble précité, par déplacement longitudinal du chariot porteur 36, équipée de roues 37, sur un chemin de roulement constitué par le châssis 16 solidaire du four. Dans l'exemple considéré, ce déplacement est obtenu par un système classique composé d'une chaîne d'entraînement 38 montée en boucle fermée sur deux plateaux dentés 39 et 39' dont l'un est relié à un servo-moteur 40. Comme on le comprend, cette variante présente l'avantage, par rapport à la forme de réalisation précédente, de pouvoir extraire facilement la sonde du four lorsqu'on le désire, ou de permettre un réglage de sa position dans l'ouverture 2, selon la technique habituelle, par un recul progressif en fonction du degré d'usure du garnissage réfractaire 6 de manière à conserver en permanence l'extrêmité sensible 13 dans le plan de la surface interne 14 du garnissage. Comme on le voit, les moyens 35, assurant un mouvement de va-et-vient à la sonde, sont composés d'un vérin 41 à simple effet associé à un ressort de rappel 42 disposé autour de l'extrêmité de la sonde et prenant appui contre le bras 43 dans lequel est prévu une ouverture pour le passage de la sonde. Le vérin 41 est du type "à soufflet", en matériau souple tel que du chlorobutyle. Ce vérin est relié à l'extrêmité de la sonde par le disque 25, lequel porte le marteau percuteur 44 de forme annulaire. La percussion est obtenue, lors d'un mouvement d'avancée de la sonde sous la poussée du vérin, au moyen du marteau 44 venant frapper une butée 45 de forme correspondante usinée dans le bras 43. On comprend donc que la présente réalisation de l'invention se distingue essentiellement de celle décrite précédemment, en référence à la figure 1, par le fait que la partie percutée (ou butée) 45 est maintenant solidaire du portesonde 36. Cette disposition présente l'avantage de pouvoir conserver les positions relatives des organes de percussion indépendamment des déplacements longitudinaux du chariot porte sonde 36. Dans l'exemple considéré on a voulu représenter un dispositif selon l'invention équipé d'un système de commande automatique de la percussion. Ce système est constitué d'une unité pneumatique composée d'un distributeur d'air sous pression 46 commandé par une électrovanne à deux voies 47 et alimentant le vérin 41, et d'une unité électronique composée d'une minuterie 48, d'un bistable 49 et d'un relai 50, montés en série et agissant sur l'électrovanne 47. Le système de commande fonctionne de la manière qui va être exposée maintenant. En position de repos, l'électrovanne 47 bloque le distributeur 46 et relie le vérin 41 à l'atmosphere. La minuterie 48 et le bistable 49 sont préala blement réglés sur un cycle propre déterminé, par exemple 24 secondes pour la minuterie et 1 seconde pour le bistable. La minuterie agit toutes les 20 secondes sur le bistable pendant une période continue de 4 secondes. Durant ladite période, le bistable excite le relai 50 selon sa propre fréquence, soit un cycle par seconde, qui se décompose en une phase d'excitation d'une demiseconde suivie d'une phase de repos de même durée. Durant la phase d'excistation, l'électrovanne sollicitée par le relai dirige l'air sous pression dans le vérin par la conduite 51 et la percussion doit avoir lieu après un temps au plus égal à une demi seconde.Au cours de la phase de repos, la conduite 51 étant alors reliée à l'atmosphère, le ressort de rappel 42 assure le retour de la sonde en position initiale. Ce mouvement cyclique se répétant durant 4 secondes, le nombre de percussions obtenues dans ce laps de temps est donc de quatre. Bien entendu il ne s'agit là que d'un mode opératoire particulier et le nombre de percussions ainsi que leurs fréquences peuvent être modifiés à volonté. Il est clair que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits. Notamment le marteau et l'enclume associée peuvent présenter de nombreux équivalents ou variantes de réalisation sans pour autant sortir du cadre défini par la présente invention. Les moyens assurant les mouvements alternatifs de translation de la sonde (mouvements dits de "va-et-vient") font partie de l'étant de technique à la fois en eux mêmes et dans leur application aux dispositifs de repérage de la température concernée par la présente invention. Ils peuvent présenter de nombreuses variantes de réalisation toutes aussi bien appropriées à l'objet de l'invention. Par exemple un vérin annulaire, tel que décrit dans la demande de brevet français nO 75/01.378, entourant le prolongement extérieur de la sonde, peut parfaitement convenir. D'autre part il doit être bien compris que les deux formas de réalisation desdits moyens qui ont été retenues dans la présente demande ne sont nullement des caractéristiques nécessaires des deux variantes d'exécution du dispositif auxquelles elles ont été respectivement appliquées. Autrement-dit, le vérin à double effet tel qu'utilisé dans le dispositif illustré sur la figure 1 peut fort bien se substituer à son équivalent mis en oeuvre dans la réalisation particulière représentée sur la figure 2 et inversement. On peut remarquer à cet égard que le choix d'un vérin "à soufflet" associé à un ressort de rappel peut se justifier par rapport au vérin "double-effet", pour des raisons étrangères à l'objet de l'invention : raisons économiques, simplicité technologique, absence d'organes coulissants ou faible encombrement. Ce dernier aspect, compte tenu des déplacements longitudinaux de l'ensemble, peut présenter dans certains cas un avantage appréciable, notamment si, la sonde étant implantée, comme c'est habituellement le cas, dans la paroi latérale du four, les possibilités de débattement autour de ce dernier sont limitées. Enfin il est à noter que le domaine d'application de l'invention ne se limite pas aux fours à rayonnement mais peut s'étendre à tout autre type de four industriel dans lequel les dispositifs du genre concerné par l'invention sont susceptibles de pouvoir être utilisés et où les conditions de fonctionnement sont telles que les mesures thermiques peuvent être faussées par des dépôts indésirables de matière sur l'extrêmité sensible du dispositif. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de repérage de la température dans un four industriel, comprenant une sonde calorimétrique présentant une extrêmité thermosensible destinée à être exposée à l'intérieur du four, des moyens de manutention pour l'installation de la sonde sur le four, et des moyens assurant un mouvement alternatif de translation de la sonde, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens permettant, au cours d'un mouvement d'avancée vers l'intérieur du four, une percussion de la sonde ; ces moyens étant constitués par une partie percutée fixe et une partie percutante mobile, solidaire de la sonde. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la sonde, étant destinée à être agencée dans une ouverture traversant de part en part la paroi du four, présente une longueur sensiblement supérieure à celle de ladite ouverture de manière à avoir un prolongement extérieur au four et en ce que ledit prolongement comporte la partie percutante. 3 - Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la partie percutée et la partie percutante présentent une forme annulaire et entourent la sonde. 4 - Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que la partie percutée est solidaire des moyens de manutention de la sonde. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de manutention assurent le support et des déplacements longitudinaux de la sonde pour permettre le réglage de sa position dans le four. 6 - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyens de manutention sont constitués par un chariot porteur mobile, selon une direction perpendiculaire à la paroi du four, sur un châssis fixé à ladite paroi. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens assurant le mouvement alternatif de la sonde comprennent un vérin relié à un distributeur de fluide sous pression. 8 - Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que le vérin agit sur l'extrêmité du prolongement extérieur de la sonde. 9 - Dispositif selon les revendication 7 ou 8 caractérisé en ce que le vérin est à double effet. 10 - Dispositif selon les revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que le vérin est à simple effet, du type "à soufflet" de manière à assurer le mouvement d'avancée de la sonde, et en ce que le retour de la sonde est obtenu au moyen d'un ressort de rappel. 11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens assurant le mouvement alternatif de la sonde sont fixés aux moyens de manutention.