Brevet FR2506329A1 — publié le 19821126

PROCEDE DE DETERMINATION PAR VOIE OPTIQUE DU PROFIL DES CHARGES DANS LE GUEULARD D'UN HAUT FOURNEAU La présente invention concerne la détermination par voie optique du profil des charges dans le gueulard d'un haut fourneau. On sait que la marche d'un haut fourneau sidérurgique est conditionnée en particulier par la répartition gazeuse à l'intérieur de sa charge. On sait aussi que cette répartition dépend, de façon prépondérante, du mode de chargement des matieres qui, dans les hauts fourneaux modernes équipés à cet égard d'accessoires appropriés, constitue un moyen pour la régler. L'expérience montre cependant qu'il est difficile de prévoir avec précision, même avec l'aide de modèles ou de maquettes, le comportement et la répartition des matières à l'enfournement. Pour cela, il apparat donc essentiel de pouvoir déterminer "in situ" le profil des charges au gueulard. Des tentatives ont déjà été faites pour résoudre ce problème. On connalt, par exemple, des dispositifs à sonde mécanique ou des systèmes par triangulation à l'aide de rayonnement gamma (y) ou d'un faisceau de lumière visible qui balaye la surface de la charge en la matérialisant sous la forme d'une trace lumineuse. Les sondes mécaniques, que l'on fait descendre verticalement jusqu'au contact de la charge, ne permettent d'obtenir que des mesures ponctuelles dans le temps et dans l'espace. Par ailleurs, les méthodes par rayonnement y posent notamment des difficultés d'implantation liées à l'utilisation de sources radioactives. Les méthodes optiques apparaissent en principe plus satisfaisantes puisqu'elles sont inoffensives et qu'elles permettent un fonctionnement en continu. De plus, elles mettent invariablement en oeuvre un émetteur comprenant la source lumineuse, par exemple un laser, associée à un équipage mobile réfléchissant, et un récepteur (caméra, réseau photodiodes, etc...), c'est-à-dire un matériel généralement fiable et robuste, peu encombrant et qui peut être aisément installé à l'extérieur du gueulard, ce qui en facilite l'entretien. Toutefois, ces méthodes ne paraissent pas s'être développées jusqu'à présent comme on aurait pu s'y attendre. I1 semble que l'une des raisons au moins tienne à la présence dans le gueulard d'une colonne centrale de gaz ascendant chargé en poussières et qui, d'une part, forme un écran absorbant l'énergie lumineuse incidente, et, d'autre part, crée des angles morts d' observation. De plus, cette colonne présente un diamètre qui fluctue au cours du temps, en fonction des variations d'allure de marche du haut fourneau. Ainsi, il arrive un moment où le grossissement est tel que le faisceau incident ne parvient plus à traverser la colonne. Les inventeurs ont pu constater que l'augmentation de la puissance de la source lumineuse ne permet pas de traverser d'avantage la colonne, laquelle est alors suffisamment dense pour tout absorber qu'elle que soit 1 intensité lumineuse incidente, de sorte que l'on observe simplement un agrandissement de la tache de diffusion dans la colonne. En toute rigueur, tous les photons ne sont pas absorbés dans cette dernière, mais la faible proportion qui traverse est diffusée aléatoirement de sorte que l'on ne parvient pas à obtenir une trace lumineuse exploitable à la sortie. En toute hypothèse, il faut donc considérer qu'au cours du temps, le faisceau lumineux incident ne traverse qutoccasionnellement l'écran formé par la colonne gazeuse centrale. Le but de la présente invention est précisément d'indiquer la position azimutale optimale du lieu d'observation tenant compte des phénomènes précités et qui permettent de se placer dans les meilleures conditions d'exploitation de la trace lumineuse définissant le profil de la surface des charges. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination, par voie optique, du profil de la surface des charges dans le gueulard d'un haut fourneau, selon lequel, à l'aide d'une source lumineuse émettrice, on balaye la surface des charges par un faisceau lumineux décrivant un plan de manière à matérialiser, sous la forme d'une trace lumineuse, la coupe de la surface par ce plan de balayage, on observe ladite trace depuis une position située en dehors du plan de balayage et, à partir des données définissant le plan de balayage, la position du lieu d'observation et la direction d'observation par rapport à ce plan, on détermine la position réelle des points constituant la trace lumineuse, procédé caractérisé en ce que, dans le but de satisfaire à des conditions d'observation satisfaisantes de la trace lumineuse, en égard à la présence au-dessus de la surface des charges d'une colonne centrale de gaz chargé en poussières, on observe la trace lumineuse depuis une position azimutale a par rapport au diamètre contenu dans le plan passant par la source lumineuse émettrice répondant à la double inégalité r 0, De préférence, on se place à une position azimutale a comprise selon Arc cos ré or 4 % I' De préférence encore, on se place à &alpha; = #. 2 L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages appa- rateront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en référence à la planche de dessins annexée sur laquelle - la figure 1 est une vue d'ensemble en coupe axiale d'un gueulard de haut fourneau équipé d'un système de détermination par voie optique du profil de la surface des charges, - la figure 2 est une représentation schématique en plan de la surface des charges montrant les divers lieux d'observations, conformément à l'invention. On a représenté sur la figure 1 un gueulard de forme légèrement tronconique et dont la cuirasse métallique 1 est garnie intérieurement d'un épais revêtement réfractaire 2. Ce dernier s'arrête à quelques mètres de l'extrémité supérieure du gueulard, On règle le chargement des matières 3 de manière que le niveau de la surface 4 de celles-ci reste dans les limites de. la couche réfractaire 2. On a schématiquement représenté en 5 la colonne de gaz ascendant chargé en poussières qui se forme au-dessus de la surface des charges dans la partie centrale du gueulard repérée par l'axe 6. Comme on le voit, l'équipement permettant la détermination du profil de la surface 4 comprend un émetteur de lumière 7 associé à un dispositif mobile réfléchissant, tel un miroir tournant 8, et un récepteur 9 associé à une unité 10 pour le traitement du signal reçu et dont la sortie est reliée à un écran cathodique 11 permettant la restitution des résultats du traitez L'émetteur 7 peut avantageusement être un laser, par exemple un laser d'une puissance de 100 mW. Le récepteur 9 peut être de tout type approprié, tel une caméra vidéo ou une lunette à matrice de photodiodes dont l'optique présente un angle de visée capable d'intercepter le diamètre. L'émetteur et le récepteur sont disposés derrière deux hublots, respectivement 12 et 13, éventuellement prévus à cet effet au voisinage de l'extrémité supérieure du gueulard. Dans l'exemple considéré, les deux hublots sont décalés d'un angle de E 2 sur le pourtour du gueulard, de sorte que l'axe optique 14 du récepteur (confondu sur la figure 1 avec l'axe 6 du haut fourneau) fait un angle droit avec le diamètre contenu dans le plan vertical passant par le système émetteur. Le principe de la mesure peut être résumé de la façon suivante Le rayon lumineux émis par le laser 7 vient, après réflexion sur le miroir 8, éclairer la surface 4 sous forme d'un point lumineux A dont le rayon diffusé est recueilli par la caméra vidéo 9. Après un traitement mathématique du signal reçu dans un calculateur rapide 10, et qui tient compte notamment des directions du rayon diffusé et du rayon incident, l'écran de visualisation 19 restitue les résultats des calculs. On peut adjoindre à l'équipement un écran de contrôle 11 qui restitue l'image de la surface des charges, perçue par la caméra 9. Lorsque le miroir tourne autour de son axe, symbolisé en 15, le rayon incident décrit un plan de balayage selon le diamètre du gueulard et se matérialise sur la surface 4 en une trace lumineuse représentative du profil de la surface dans ce plan. Généralement, on recherche le maximum d'informations sur la configuration de la surface 4. A cet effet, on prévoit une mobilité du miroir 8 autour d'un second axe, perpendiculaire à l'axe 15 afin de former une pluralité de plans de balayage interceptant toute la surface des charges selon une famille de cordes définie par un point fixe à l'aplomb de l'émetteur et un point courant, parcourant la circonférence du gueulard. Dans la réalité, la colonne gazeuse centrale 5 qui est représentée en permanence dans le gueulard, est de nature à former à égard des rayons incidents qui la rencontrent un écran absorbant. Dans le meilleur des cas, l'intensité de la trace lumineuse à la sortie de la colonne se trouve affaiblie, mais demeure observable. Nais, il arrive, comme on l'a déjà expliqué, qu'en raison des pulsations auxquelles est soumise la colonne au cours du temps, les rayons incidents ne parviennent pas à la traverser et ceci, quelle que soit l'importance de l'intensité lumineuse d'émission. Une partie importante de la trace peut donc 'disparaître occasionnellement et seule la portion "permanente", c'est-à-dire la portion comprise entre l'émetteur et la colonne, reste alors exploitable, ce qui réduit bien entendu la qualité de l'information reçue. Conformément à l'invention, il est défini un lieu d'observation (position azimutale relative du récepteur) qui, compte tenu des indications précédentes, constitue la meilleure position répondant aux exigences contradictoires que sont le souci de recueillir le maximum d'informations, lorsque la colonne est perméable au faisceau, tout en s'assurant d'une information minimale exploitable en toute circonstance. Cette position est clairement montrée sur la figure 2. Auparavant, il doit être souligné, comme on l'aura sans doute déjà compris, que, pour des raisons de symétrie, la solution générale la meilleure est celle qui est applicable au cas de la trace diamétrale, représentée en 16 sur la figure. Par ailleurs, on a indiqué sous la lettre "R", le rayon intérieur du gueulard au niveau de la surface 4 de la charge et sous la lettre "r", le rayon moyen de la colonne centrale gazeuse 5. Pour fixer les idées, dans le cas d'un gueulard habituel pour lequel R vaut par exemple 7 m environ, le rayon moyen de la colonne est de l'ordre de 2 m avec une dispersion d'environ 1 m due aux fluctuations au cours du temps. La position ponctuelle optimale du lieu d'observation est celle du point d sur la figure, lequel se trouve sur le diamètre perpendiculaire à celui passant par l'émetteur E. Cette position a donc une coordonnée azimutale ad par rapport à l'émetteur de 90 . En effet, c'est de cette position qu'il est possible d'observer simultanément pratiquement l'intégralité des deux portions de la trace 16, à savoir respectivement la portion "permanente" 17 à gauche de la colonne (entre l'émetteur et la colonne) et la portion "occasionnelle" 18, à droite de la colonne. Bien entendu, on conserve une qualité d'observation sensiblement constante si on se déplace de part et d'autre du point d, mais, dans les limites de l'arc ce dont les points extrêmes sont définis à partir des deux pians tangents à la colonne centrale 5 et perpendiculaires à la trace diamétrale 16. Le lieu e permet une observation totale de la portion permanente 17 en minimisant la perte d'information sur la portion occasionnelle 18 et réciproquement pour le lieu d'observation c. L'arc ce correspond à une position azimutale du récepteur comprise entre les valeurs respectives r - Arc cos r R - Arc cos R et Are cos R. A l'opposé, l'arc af constitue un lieu interdit. On précise que le point b est défini par le plan tangent à la colonne centrale 5 et passant par l'émetteur E, le point a étant le point diamétralement opposé à l'émetteur. Cet arc constitue un lieu d'observation interdit selon l'invention, car on peut en principe observer toute la portion 18 de la trace, mais dont la présence n' est qu'occasionnelle. Par ailleurs, la colonne 5 masque dans ce cas la portion permanente 17 qui représente l'information minimale qui doit pouvoir être recueillie en toute circonstance. En dehors de l'arc ce qui constitue le lieu optimal et de l'arc qui, lui, constitue le lieu interdit, on dispose de sites d'observation de qualité intermédiaire et qui peuvent se classer en deux catégories, d'intérêt croissant. 10) L'arc lg d'abord, qui, sans être vraiment interdit, est néanmoins déconseillé car, s'il répond à la condition de l'exploitation minimale en permettant l'observation de la portion permanente 17, il empêche néanmoins l'observation de la portion occasionnelle 18, lorsque celle-ci apparaît. On précise que le point f est défini par le plan tangent à la colonne centrale et passant par le point a diamétralement opposé à l'émetteur E qui, sur la figure, se confond avec le point g. 2 ) Les arcs bc et ef, qui peuvent être considérés comme des lieux d'observation de qualité équivalente, quoique légèrement meilleure pour l'arc ef. L'arc ef, comme l'arc P5 précédemment considéré, permet d'observer intégralement la portion permanente 17 de la trace lumineuse. Il permet en plus l'exploitation éventuelle de la portion 18, au moins partiellement et dont l'accessibilité augmente lorsqu'on parcourt l'arc de f vers e. Pour des raisons de symétrie, ces indications valent également pour l'arc bc, à la différence cependant que dans ce cas, la portion intégralement accessible, à savoir la portion 18, n'est observable qu'occasionnellement. On peut donc résumer la situation à l'aide du tableau ci-dessous Lieu d'Observation Arc &alpha; Application (L.O.) numérique L. O. interdit ab Jî, ##, #-2 Arc sin r/R# 180 a 4 1460 L. 0. toléré n JO,2 Arc sin r# 00 a # 340 L. 0. préféré bf ##-2 Arc sin r/R, 34 # &alpha; # 146 2 Arc sin L. O. privilégié ce Arc cos r/R, 730 , a 4 1070 Arc cos 11 L. 0. optimal d 2 a = 900 L'avant-dernière colonne du tableau indique, en fonction du rayon r de la colonne centrale 5 et du rayon R du gueulard, les domaines de variations de la position azimutale a, respectivement pour chaque lieu d'observation inventorié selon les lignes du tableau. La dernière ligne du tableau donne, à titre indicatif, les valeurs numériques (en degrés) de la position azimutale a dans le cas d'un rayon r moyen de 2 m et de R de 7 m. Il est à remarquer que l'expression de l'azimut a (colonne 3 du tableau fait intervenir le rayon r instantané de la colonne centrale qui varie au cours du temps entre une valeur minimale et une valeur maximale de part et d'autre de la valeur moyenne rm. Il en résulte que les lieux d'observation, tels que définis ci-dessus conformément à l'invention, se situent dans des domaines bornés dont les bornes présentent, en toute rigueur, des positions variables autour de celles correspondant à rm. En pratique, on peut tenir compte de ces phénomènes de plusieurs façons possibles, parmi lesquelles l'utilisateur pourra choisir en fonction de ses propres souhaits ou nécessités. La première possibilité consiste simplement à ne considérer que le rayon moyen r de la colonne, ce qui implique en contrepartie, que l'on accepte une certaine diminution de la qualité d'observation pour les lieux situés au voisinage des bornes, dans des limites dépendant de l'écart à la valeur moyenne rm. La seconde possibilité consiste à minorer le domaine des lieux d'oser vation en ne considérant que la valeur maximale r max susceptible d'être prise par la colonne centrale, moyennant quoi on definit les lieux d'observation de façon plus restrictive, mais qui permet à coup sûr une exploitation satisfaisante de la trace lumineuse. La troisième solution consiste à asservir la position d'observation à la valeur instantanée prise par le rayon de la colonne. Concrètement, cette solution peut être mise en oeuvre à l'aide d'un récepteur monté sur un équipage mobile motorisé pouvant se mouvoir angulai remet sur le pourtour du gueulard, et dont les déplacements sont commandés à partir d'un capteur sensible aux fluctuations dimensionnelles de la colon ne. Toutefois, cette solution semble nécessiter la présence sur le gueulard d'un hublot d'observation de forme relativement allongée selon la circonférence, difficilement envisageable en pratique sur les hauts fourneaux actue D'un autre côte, le choix définitif du lieu d'observation parmi les domaines définis par la présente invention peut être guidé par d'autres considérations qui s'ajoutent à celles relatives à la présence de la colonne centrale de gaz 5.A cet égard, il doit être souligné que la position du lieu d'observation influe sur la qualité de la mesure en raison même de la technique de triangulation optique mise en oeuvre. Cette influence reflète la conjonction de deux effets jouant dans des sens opposés Plus le lieu d'observation est proche du plan de balayage, moins la la mesure est précise, car celle-ci fait intervenir dans les calculs la valeur du sinus de l'angle que fait la direction d'observation avec le plan de balayage. A la limite, si le lieu d'observation se trouve dans le plan du balayage, il est nécessaire de prendre en compte dans les calculs un paramètre supplémentaire, à savoir la direction du faisceau lumineux incident, ce qui est dé nature à compliquer les calculs et à ralentir la sortie des résultats. D'un autre côté, plus on s'éloigne du plan de balayage, plus on s'écarte des conditions de réflexion totale, et l'intensité du rayon diffusé en direction du lieu d'observation s'affaiblit en fonction de cet éloignement. Afin d'illustrer ce qui vient d'être dit, on se reporte à la figure 2. Le point d correspond donc au lieu d'observation le meilleur en ce qui concerne la précision de la mesure pour la détermination de la trace diamétrale 16, et par voie de conséquence, pour l'ensemble des traces selon les différentes cordes. Mais, ce même point d, étant le plus éloigne du plan de balayage diamétral, répond à des conditions de réflexion de la trace lumineuse, les moins favorables. A l'inverse, le point g (de même que le point a) est un lieu d'observation privilégié à l'égard de l'intensité lumineuse reçue, puisqu'il se situe dans le plan de réflexion totale mais, en contrepartie, il entraîne la plus grande imprécision au niveau de la mesure optique. D'après les considérations précédentes, il apparaît que les lieux d'observation définis par les arcs bc et ef représentent une bonne solution de compromis entre les exigences antagonistes de précision de la mesure et de réflexion de la surface, tout en assurant une exploitation satisfaisante de la surface des charges en égard à la colonne centrale de gaz 5. REVENDICATIONS 10) Procédé de détermination, par voie optique, du profil de la surface des charges dans le gueulard d'un haut fourneau, selon lequel, à l'aide d'une source lumineuse émettrice, on balaye la surface des charges par un faisceau lumineux décrivant un plan de manière à matérialiser, sous la forme d'une trace lumineuse, la coupe de la surface par ce plan de balayage, on observe ladite trace depuis une position située en dehors du plan de balayage et, à partir des données définissant le plan de balayage, la position du lieu d'observation et la direction d'observation par rapport à ce plan, on détermine la position réelle des points constituant la trace lumineuse, procédé caractérisé en ce que, dans le but de satisfaire à des conditions d'observation satisfaisantes de la trace lumineuse, compte tenu de la présence, au-dessus de la surface des charges, d'une colonne centrale de gaz chargé en poussières, on observe la trace lumineuse depuis une position azimutale a par rapport au diamètre contenu dans le plan passant par la source lumineuse émettrice répondant à la double inégalité r O > 2 Arc sin R où R définit le rayon du gueulard et r définit le rayon de la colonne centrale de gaz. 2") Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on observe la trace lumineuse depuis une position azimutale a répondant à la double inégalité 2 Arc sin R # &alpha; # #-2 Arc sin r 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on observe la trace lumineuse depuis une position azimutale a Arc cos r 4 &alpha; II -Arc cos R. R \ 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on observe la trace lumineuse depuis une position azimutale a égale à 2 50) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grandeur r représente la valeur moyenne du rayon de la colonne gazeuse centrale. 60) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1à 4, carac térisé en ce que la grandeur r représente la valeur maximale du rayon de la colonne gazeuse centrale. 70) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la grandeur r représente la valeur instantanée du rayon de la colonne gazeuse centrale et en ce que on asservit la position azimutale du lieu d'observation à ladite valeur instantanée.