Brevet FR2489365A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne un procédé pour contrôler avec précision l'usure des parois ou garnissages réfractaires d'un haut fourneau sous l'effet des hautes tem- pératures et d'autres facteurs ainsi qu'un ensemble de son- des de température utilisé pour la mise en oeuvre du procédé. Le haut fourneau est un réacteur métallurgique à haute température pour agents réducteurs solides tels que le coke et des matières à base d'oxydes de fer, notamment du minerai de fer, ce réacteur comportant des parois réfractai- res entourées par une enveloppe en acier. Il est cependant nécessaire de percer cette enveloppe en acier et d'effectuer un rechargement en matière réfractaire chaque fois que les parois réfractaires sont endommagées par érosion ou écailla- ge en différents points parce que l'intérieur du haut four- neau est maintenu à une température élevée et est constamment soumis à des chocs et frottements par le minerai de fer ou le coke. Par le passé, on a considéré qu'il était impossible de contrôler avec précision l'usure des parois réfractaires et même on a parfois utilisé le processus primitif consistant à employer le rougeoiement de l'enveloppe en acier comme moyen indicateur.On a partout effectué des études pour essayer de contrôler théoriquement l'épaisseur instantanée des parois réfractaires et on a donné ci-après le résultat d 'une de ces études à titre d'exemple. La figure 1 est un schéma dtexplication analy- tique des techniques connues sur lequel on voit un briqueta- ge réfractaire la de conductibilité thermique kl, un brique- tage réfractaire lb de conductibilité thermique k2et une en- veloppe en acier 2. Le point A désigne la surface intérieu- re du briquetage à une température T0 et le point B désigne la fonction entre les deux briquetages la, lb, qui se trou- ve à une température T1. Le point C est un point spécifique du briquetage réfractaire lb ayant une température T2 tan- dis que le point D est la fonction entre le briquetage lb et l'enveloppe en acier 2, qui se trouve à une température T3. Les distances A-à-B, B-à-C et C-i-D sont respectivement dé- 2 2489365 signées par il, 12, 13. On voit clairement à la figure 1 que les briquetages la et lb sont formes de garnissages réfrac- taires différents, classiquement des briques de chamotte pour le premier et des briques de carbone pour le second. Si les conductibilités thermiques k1 et k2 des briquetages la et lb sont fixes et si le flux thermique unidimensionnel au travers de l'épaisseur des briquetages réfractaires la et lb est constant, les équations simultanées suivantes sont alors vérifiées: k _ 2 0T o-T1 T-T Ol = k2 1 e2 T1-T2 T2-T3 k2 = k2 2 3 Puisque k1 et k2 sont connus et puisque TO0 peut être considérée comme le point de fusion du fer (c'est- à-dire 1150 C), les autres valeurs inconnues sont 11, 12, 13; T1, T2 et T3. Lorsqu'une sonde de détection de tempé- rature est insérée à partir de l'extérieur de l'enveloppe en acier/de façon à détecter,.,la température T2 au point C, à la profondeur en question ainsi que la température T3 au point D situé de la surface extérieure du briquetage réfractaire lb, 13, T2 et T3 de même que 12 peuvent être définis parce que 12 + 13 a une valeur fixée lors de la phase de conception des briquetages réfractaires. Les seules valeurs inconnues sont 11 et 12, qu'on peut alors déterminer à partir des équations simultanées précitées. En conséquence il est possible de dé- finir le degré d'usure du briquetage réfractaire la et la tem- pérature à la jonction entre les briquetages réfractaires la et lb. Bien qu'exploitable pour estimer l'épaisseur restante des briquetages réfractaires, le procédé précité présente les différents inconvénients suivants. En effetJ les conductibilités thermiques k1 et k2 sont considérées comme constantes dans-ce qui précède. Ces briquetages sont nécessairement soumis à des températures élevées pendant un long intervalle de temps et notamment le briquetage inté- rieur la aura subi une très forte détérioration avec varia- tion concomittante de sa conductibilité thermique k1. Ces phénomènes importants n'ont pas été pris en considération par le passé. Par ailleurs, T0 est considéré comme fixe à 1150C dans l'étude précitée. Cependant, au cas o certaines matières provenant du minerai de fer ou du coke se fixent sur la surface intérieure du briquetage réfractaire la, T tombe alors en dessous de 11500C. C'est là un autre problè- me sérieux. Lorsque du métal chaud ne s'est pas formé à pro- ximité du corps du haut fourneau, TO peut ne pas atteindre 11500C. Au contraire, TO peut dépasser considérablement la température de 11500C sous l'effet d'un retour de vent. On ne dispose pas dans le domaine connu de moyens permettant de suivre de telles variations de T0. Bien qu'il semble pos- sible d'augmenter le nombre des points de mesure de tempé- rature dans l'épaisseur des parois pour améliorer la pré- cision, cette solution introduit la difficulté de savoir com- ment déterminer ou estimer la température T0 et par consé- quent de contrôler avec précision l'usure des briquetages ré- fractaires aussi longtemps qu'on reste dans la technique con- nue. Compte-tenu de ces constatations et remarques, l'invention a pour objet de fournir un procédé qui permette de contrôler avec précision l'usure de parois réfractaires sans avoir à déterminer des valeurs largement inconnues com- me dans l'art antérieur. Suivant un aspect de l'invention, celle-ci con- cerne un procédé de contrôle d'usure, qui consiste à détecter non seulement des températures sur les parois du haut four- neau mais également des représentations thermiques des phé- nomènes internes de ce haut fourneau sous forme de signaux de déclenchement, et à analyser la corrélation entre signaux 4 2489365 de déclenchement et variations des températures des parois de haut fourneau exprimées en temps de retard déterminant ou estimant ainsi l'état actuel desdites parois à partir du temps de retard en des points respectifs. Selon une autre caractéristique importante de l'invention un ensemble de sondeSde prises ou détection de température dans lequel plusieurs thermocouples du type à gai- ne, ou thermomètre à résistance du type à gaine, sônt juxta- posés à l'intérieur d'une enceinte formant gaine et o les extrémités des zones respectives de détection de températures, réparties en différents points sur la longueur de l'ensemble de sondes, sont reliées à des thermocouples ou autres ana- logues formés du même matériau que les thermocouples cités en premier, ladite enceinte étant remplie d'une charge isolante et les thermocouples ou autres étant maintenus hors de con- tact entre eux. Un tel agencement réduit à un minimum la quan- tité de gaz résiduel dans l'enceinte et provoque une gradua- tion de la transmission de chaleur sur la longueur de l'en- ceinte en vue d'augmenter le degré de précision. En outre les sections des zones respectives de détection de tempéra- ture prennent la même configuration sur la longueur de l'en- semble de sonde, ce qui se traduit par une uniformisation des conditions de mesure de températures. D'autres avantages et caractéristiques de l'in- vention apparaîtront dans la description ci-après donnée à ti- tre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig. 1 est un schéma mettant en évidence les principes selon la technique connue. Fig. 2 est un schéma représentant le principe de la présente invention. - - Fig. 3 est un graphique donnant la relation en- tre le temps de retard et la distance d'espacement d'une pa- roi réfractaire intérieure. Fig. 4 est une vue en perspective, en partie en coupe, représentant un ensemble de sondes de température. 2489365 \ Fig. 5 est une vue en coupe transversale de l'ensemble de sondes de températures de figure 4. Fig. 6 est une vue développée et en coupe de l'ensemble de sondes de température suivant la ligne II-II de la figure 5. Dans un haut fourneau, on introduit du minerai de fer, du coke, etc... par le haut et de l'air chaud par le bas de sorte que des réactions de réduction se déroulent lors- que les deux courants se rejoignent à l'intérieur du haut fourneau. Les conditions de fonctionnement du haut fourneau varient cependant de temps à autre en relation avec la com*- position des matières premières et d'autres facteurs à mesu- re que les réactions progressent à l'intérieur du haut four- neau. Des appareils de mesure sont montés à la partie supé- rieure ou sur un orifice de tuyère du haut fourneau de maniè- re à contrôler l'efficacité d'utilisation des gaz, la tempé- rature des gaz, etc..... Les signaux de sortie de ces appareils mettent en évidence les résultantes des phénomènes complexes se dé- roulant dans le haut fourneau. Mis à part le fait que ces phénomènes internes au haut fourneau sont bien représentés par les résultats enregistrés en tête du haut fourneau, on estime généralement qu'ils ont une grande influence sur les parois réfractaires du haut fourneau. La température est considérée comme le facteur essentiel intervenant dans ces phénomènes. Par exemple, à mesure que les réactions réductrices progres- sent dans le haut fourneau, l'efficacité d'utilisation du gaz et par conséquent la température interne du haut fourneau, augmentent avec accroissement correspondant de la chaleur transmise aux parois réfractaires. Même lorsque le gaz forme à la partie supérieure du haut fourneau un écoulement cen- tral, les réactions sont actives et la quantité de chaleur cédée aux parois réfractaires est grande.Puisque la transmis- sion de chaleur aux parois réfractaires équivaut à une con- duction de chaleur dans son sens le plus étroit, des expé- riences ont confirmé que des variations de la température 6 2489365 interne de parois réfractaires apparaissent plus tôt sur la face intérieure de haut fourneau que sur la face de l'en- veloppe en acier, comme cela est indiqué par les signaux obtenus en tête du haut fourneau. Les signaux résultant de phénomènes internes au haut fourneau qui produisent des va- riations de température dans les parois réfractaires sont dénommés ici "signaux de déclenchement"' et une différence de temps correspondante est dite "temps de retard". Lorsqu'il se produit une variation de température à l'expiration d'un très long intervalle de temps à partir de la génération des signaux de déclenchement, l'endroit o s'est produit une tel- le variation de température est supposé rester protégé par sa partie interne de paroi réfractaire. Pour une telle analyse, on doit effectuer des mesures de température en d'aussi nombreux points qu'il est possible sur les parois réfractaires. Bien qu'il soit extrê- mement souhaitable comme décrit plus loin, d'utiliser dans ce but des sondes de distribution de température, on peut em- ployer, tout en restant dans le cadre de l'invention, tous au- tres types de sondes de température, notamment des sondes mul-- ti-points, classiques et des sondes de température future. Le type de sonde de températureutilisé est sans influence dans le cadre de la présente invention. La répartition des signaux de déclenchement indiquant l'efficacité d'utilisation du gaz ou la répartition des températures du gaz sont très inté- ressants, mais les signaux de déclenchement peuvent donner les caractéristiques d'autres valeurs réelles comme le débit de gaz en tête du haut fourneau et la pression de gaz, ces paramètres intervenant séparément ou en combinaison. De tou- te manière, il est essentiel d'obtenir des représentations thermiques des phénomènes internes se déroulant dans le haut fourneau, d'une manière précise et rapide, à l'aide de tout instrument de mesure. La figure 2 qui représente le principe de l'in- vention est semblable à la figure 1: mais A, B, C et D sont des points de mesure de températures et T1, T2, T3... dési- gnent les températures mesurées aux points correspondants. Le procédé selon l'invention permet d'analyser les résultats des mesures de la manière indiquée ci après au lieu d'utili- ser les valeurs absolues des températures détectées aux points de mesure respectifs. On a indiqué à la partie infé- rieure de la figure 2, un graphique o bs températures sont portées en ordonnées et le temps en abscisses.La courbe T1 représente des variations de températuredétectées au point B au cours du temps, la courbe T2 représente des variations de température détectées au point C, et ainsi de suite. Ces variations de température correspondent à celles (forte aug- mentation) se manifestant au point indiqué à gauche de l'axe des ordonnées, la température maximale correspondant au point de-détection des signaux de déclenchement. Si les températu- res de crète aux points de mesure respectifs sont portées sur des graphiques o le point-origine de l'axe des abscis- ses correspond au temps o a lieu la détection des signaux de déclenchement, chaque température de crête enregistrée aux points de mesure respectifs apparaît alors plus lentement sur le côté 2 de l'enveloppe en acier que sur le côté de la paroi réfractaire. Un tel décalage de temps est dénommé "temps de retard" Les distances 12Y 13e 14 et 15 entre deux points de mesure adjacents sont connues car déterminées lors de l'en- castrement des sondes de températures, et 11 est également u- ne valeur fixée au début du fonctionnement du haut fourneau. Puisque la variation de la température T peut dériver direc- O tement des sondes dans la phase initiale o il n'existe aucu- ne dégradation des parois réfractaires ou garnissage, il est possible d'effectuer un réglage de zéro pour l'application du procédé analytique décrit plus loin, à condition qu'on connaisse au préalable la différence de temps entre l'appari- tion des variations de température et la génération des si- gnaux de déclenchement. La courbe (X) de figure 3 donne les résultats du réglage de zéro, en indiquant le temps de retard effectivement mesuré aux points respectifs. Il y a lieu de noter que le point d'intersection Px de la courbe (X) avec l'axe des abscisses reste au point-origine. Le point A est celui de la surface intérieure le plus proche des parois ré- fractaires et le point F est le plus éloigné de la surface intérieure. L'épaisseur totale des parois réfractaires peut être définie par l'expression théorique suivante (lî) + (12) + (13) + (14) + (la) On va maintenant supposer que l'usure des pa- rois réfractaires progresse du point A vers le point B. Il devient impossible de contrôler la température au point B et également au point A alors que les points restants C à F sont encore disponibles pour des mesures de température. La courbe (Y) donnant le temps de-retard réel a été tracée de la même manière que la courbe (X). La ligne en tirets partant du point C est tracée pour obtenir une intersection possible Py avec l'axe des abscisses. Le point Py correspond au point o le temps de retard est nul et il facilite la prédétermi- nation du point de la surface intérieure le plus proche des parois réfractaires même lorsque les points A et B ne sont plus disponibles pour les mesures. Lorsque l'usure des pa- rois réfractaires progresse encore, on rencontre des diffi- cultés à mesurer la température au point C alors que les au- tres points D, E et F restent disponibles. Il en résulte que la courbe est déplacée vers la droite et vers le bas, comme indiquée en (Z), puisque les distances entre les points D-F et le point de la surface intérieure le plus proche des pa- rois réfractaire, représentées par les temps de retard aux points respectifs, raccourcissent à mesure que l'usure pro- gresse.Il est également possible de prédéterminer le point zéro (c'est-àdire la position de l'endroit du point de la surface intérieure le plus proche des parois réfractaires) en traçant la ligne tiretée. L'analyse ci-dessus est effec- tuée pour contrôler l'usure en procédé continu alors que les- dits temps de retard peuvent être évalués à partir de l'é- quation suivante, qui établit la corrélation entre les si- gnaux de déclenchement et Si et T1: M-n ST1 (n) M-n i S(i) T1 (i + n) (n = O #ajM) o S = signal de déclenchement T = température détectée par les sondes T1 = température détectée au point B de figure.2, i = temps, 0= coefficient de corrélation entre les signaux de dé- clenchement et la température détectée par les sondes. Le calcul des valeurs de crête peut être effec- tué par rapport à 0ST (n), en fonction des résultats de ST1 l'évaluation. On va maintenant donner un exemple typique de calcul de valeur de crête. Si une valeur de crête spéci- fique correspond à n = n0on a alors: min. OST (n)- OST1 (n-l) | 0ST1 (no) - 0ST1 (n-l)| En conséquence t = bt.nO oht représente l'intervalle de temps et le temps.de retard. En correspondance le temps de retard 1 entre T0 et T1 peut être défini de la façon suivante': 4at1 - ÈC o a0 désigne la valeur correspondant au réglage de zéro. De même il est possible d'évaluer4t2, e3' etc... et de préciser les points B-F de la figure 3. On peut ensuite déterminer le point d'usure des parois réfrac- taires en traçant les courbes passant par les points de me- sure respectifs et en définissant par le calcul les points possibles d'intersection des courbes avec l'axe des abscis- ses. Le procédé de contrôle selon l'invention pré- sente les avantages suivants par rapport aux méthodes connues: 2489365 1 3 L'usure des parois réfractaires est contrôlée avec précision sans avoir à supposer T égale à 11500C ou bien à choisir T0 comme un paramètre d'entrée connue dans les méthodes connues. 20) Puisque l'analyse est effectuée sans faire in- tervenir kl, k2... etc. , comme des valeurs fixées, il est possible de prédéterminer le degré d'usure ou de dégradation..DTD: des parois réfractaires. ) Le contrôle de l'ensemble de sondes de tempéra- ture ne dépend pas des valeurs absolues de la température en soi mais le signal de variation est utilisé pour calculer la corrélation entre le signal de déclenchement et le signal de température, de sorte qu'il n'y a pas de réduction de préci- sion. En figure 4, on a représenté en perspective, avec arrachement partiel, de l'ensemble de sondes de température utilisable dans le procédé de contrôle décrit ci-dessus, sans le remplissage isolant. A la figure 5 on voit un exemple d'un ensemble de sondes de température o seulement six thermocou- ples à gaine interviennent et la figure 6 est une vue en cou- pe développée faite suivant la ligne II-Il de la figure 5. Une enceinte formant gaine 1 sert de protection pour l'ensemble de sondes de température.Il va de soi qu'on peut remplacer les thermocouples 2 du type à gaine repré- a sentés sur les dessins par des thermocouples à résistance du type à gaine. Deux fils métalliques 4 et 4' ayant des ef- fets thermoélectriques sont insérés dans chaque thermocouple 2a, ces deux fils formant un contact de mesure 5 (zone de détection de température) à leurs extrémités. Ces zones de détection de température sont placées dans des positions dif- férentes sur la longueur de l'ensemble de sondes. Bien que ces zones aient été représentées comme étant également espa- cées entre elles,elles peuvent être disposées avec des espace- ments différents ou même au hasard.Chaque zone de détection de température 5 est pourvue à son extrémité d'un thermocouple 2b du type à gaine,qui sert d'élément de référence et qui est formé exactement du même matériau que le thermocouple 2a. 1l Des connecteurs 6 de type connu sont utilisés mais il n'est pas obligatoire que les fils métalliques 4 et 4' soient re- liés entre eux. Dans un autre exemple représenté sur la fi- gure 4, le thermocouple complètement supérieur-2a n'est pas relié au thermocouple de référence de sorte que son extré- mité avart peut être encastrée dans la position la plus pro- fonde. Une telle disposition de l'invention peut être rempla- cée par une variante décrite plus loin. Comme on le voit à la figure 6, l'enceinte 1 s'étend vers la droite de sorte que le thermocouple de référence peut être relié au thermo- couple complètement supérieur 2a et que les éléments corres- pondants associés aux autres thermocouples inférieurs 2a s'étendent d'une manière correspondante. Une charge de remplissage 3, formée d'un ma- tériau isolant approprié, et de préférence résistant à la chaleur tel que la magnésie, est mise en place lors de la mise en place de l'ensemble de sondes dans le haut fourneau. L'effet de cette charge est d'améliorer la durée de service des thermocouples 2a et de supprimer la transmission de cha- leur sur la longueur de l'ensemble de sondes, ce qui se tra- duit par un plus haut degré de précision dans la mesure de la répartition de température sur la longueur dudit ensem- ble. Il est recommandé que l'enceinte de cet ensemble de son- des soit assez mince et formée d'un matériau de faible con- ductibilité thermique afin de réduire encore la transmission de chaleur sur la longueur de l'ensemble de sondes. Si cet ensemble de sondes doit résister à la corrosion, il est pré- férable d'utiliser de l'acier inoxydable, de l'Inconel, etc.. Un moyen pour augmenter la densité de la charge et pour ré- duire au minimum la quantité d'air résiduel consiste à dimi- nuer le diamètre de l'enceinte cela assure l'intégralité de l'ensemble de sondes et maintient fixes les positions rela- tives entre les thermocouples 2a. Comme indiqué ci-dessus, dans l'ensemble de sondes de détection de température selon l'invention, les zones de détection de température respectives sont supposées avoir la mêmesection afin d'égaliser les conditions de me- sure et de réduire au minimum la transmission de chaleur sur la longueur de l'ensemble de sondes, ce qui permet d'obtenir des mesures extrêmement sûres de répartition de température dans l'ensemble de sondes. Lorsque l'ensemble de sondes est utilisé comme détecteur pour contrôler l'usure des parois réfractaires, cornue--décrit en détail ci-dessus, il permet une observation continue de la répartition des températures et une prédétermination du moment o les parois réfractaires seront usées. En outre, l'ensemble de sondes de détection de température n'est pas affecté par une réduction de précision sous l'effet d'une convection du gaz ou bien d'une fuite de fluide issu de son environnement et passant par le protecteur endommagé, l'ensemble de sondes contenant une quantité mini- male d'air résiduel. Comme autres avantages importants de l'ensemble de sondes selon l'invention, il faut noter la grande fiabilité - des résultats de mesure et le haut degré de sécurité.Il est évident que l'ensemble de sondes selon l'invention est éga- lement applicable à. la mesure de la répartition de tempéra- tures dans un liquide ou un gaz, en plus de son utilisation avec des matières solides comme les parois réfractaires d'un haut fourneau. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de l'usure des parois réfractaires d'un haut fourneau, caractérisé en ce qu'on dé- termine sous la forme de signaux de déclenchement, des re- présentations thermiiques des phénomènes internes se dérou- lant dans le haut fourneau, en ce qu'on mesure les températu- res en différents points de l'épaisseur des parois du haut fourneau à l'aide de thermosondes noyées dans lesdites parois et en ce qu'on analyse le temps de retard concernant le si- gnal de déclenchement et chaque signal de sortie de thermo- sonde en corrélation avec la distance radiale séparant les points de mesure de température du centre du haut fourneau, de manière à déterminer ainsi la position de l'usure des pa- rois réfractaires. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit temps de retard est défini par l'inter- section du signal de déclenchement et de la température détec- tée aux points de crêtes respectifs. 3. Procédé selon la revendication 1, caracté- pour risé en ce que,71adite analyse on trace une courbe en por- tant le temps de retard en ordonnées et la distance en abscis- ses, de manière à déterminer la position de l'usure des pa- rois réfractaires. 4, Procédé selon la revendication 3, caracté- risé en ce que, pour ladite analyse, on extrapole jusqu'à son point d'intersection avec l'axe des abscisses ladite cour- be donnant le temps de retard en fonction de la distance. 5. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les temps de retard en différents points sont évalués numériquement par l'équation suivante ST1 (n) M-n S(i) T1 (i + n) (n = 0 e M) o S = signal de déclenchement T = température détectée par la thermosonde T1 = température détectée en un point spéci- fique i = temps, et 0= coefficient de corrélation entre S et T1. 6. Thermosonde de détection pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractériséeen ce qu'elle comporte un certain nombre de premiers thermocouples à gaine groupés dans une gaine en- ceinte remplie d'une charge isolante, et que les extrémités respectives des zones respectives de détection des tempéra- tures sont reliées à des seconds thermocouples de même maté- riau que les premiers, les thermocouples étant sans contact entre eux.