Brevet FR2501235A1 — publié le 19820910

DISPOSITIF D'EMISSION LUMINEUSE POUR LA DETERMINATION DU PROFIL DES CHARGES DANS UN HAUT FOURNEAU L'invention concerne la détermination en continu du profil des charges dans un haut fourneau sidérurgique. On sait que la marche d'un haut fourneau sidérurgique est liée, notam- ment, à la répartition gazeuse existant à I'intérieur de sa charge. On sait également que cette répartition gazeuse dépend essentiellement du mode de chargement des matières dans le haut fourneau ; c'est pourquoi on tente de régler le mode de chargement des matières en fonction de la répartition gazeuse que l'on souhaite obtenir dans la charge. Mais, l'expe- rience montre qu'il est difficile de prévoir avec précision, meme avec l'aide de modèles ou de maquettes, le comportement des matières à î'enfour- nement, le profil et l'épaisseur locale des couches successives et la vitesse de descente des charges.C'est pourquoi il est important de pouvoir déterminer "in situ" le profil des charges dans le gueulard du haut fourneau Parmi les dispositifs expérimentés jusqu a présent pour déterminer le profil des charges dans le gueulard d'un haut fourneau, on peut citer les dispositifs à sonde mécanique que l'on fait descendre verticalement dans le gueulard jusqu'à la surface de la charge ; ces dispositifs présentent l'inconvénient de ne permettre que des mesures point par point, et donc de n'obtenir les informations qu'au bout d'un moment assez long. I1 existe également des systèmes par triangulation à l'aide de rayonnements y ; mais ces méthodes posent les problèmes liés à l'utilisation de sources radioactives. Depuis peu, on cherche à utiliser des méthodes par voie optique utilisant un faisceau lumineux qui éclaire la surface de la charge en la balayant Ces méthodes optiques présentent l'avantage de permettre un examen nondestructif en continu. Le demandeur a récemment mis au point un procédé de détermination en continu par voie optique du profil des charges dans un haut fourneau qui est décrit dans la demande de brevet français nO 79/02.830 du 31 janvier 197 Ce procédé consiste à - balayer la surface des charges par un faisceau lumineux de manière à matérialiser sous forme d'une trace lumineuse l'intersection de la surface par le plan de balayage, - observer cette trace lumineuse à partir d'une position déterminée non si tuée dans le plan de coupe du faisceau lumineux incident, - et, à partir de données définissant le plan de balayage, la position du lieu d'observation ainsi que la direction d'observation, déterminer la position réelle des points constituant la trace lumineuse. Pour mettre en oeuvre un tel procédé, il est nécessaire d'utiliser - un émetteur de rayons lumineux se propageant selon un plan de balayage dont l'intersection avec la surface des charges matérialise cette dernière sous forme d'une trace lumineuse et discontinue obtenue point par point, - un récepteur optique fixe observant cette trace selon une direction faisant un angle non nul avec le plen de balayage et délivrant un signal représentatif de l'image reçue, - un système de traitement du signal permettant de déterminer les coordonnées spatiales des points constituant a trace lumineuse, - et des moyens de visualisation restituant, à partir desdites coordonnées spatiales, le profil réel de la surface des charges dans le plan de balayage. Le but de la presente invention est justement de fournir un émetteur de rayons lumineux particulièrement bien adapté à la mise en oeuvre du procédé rappelé ci-dessus et qui a, de plus, l'avantage de permettre une rotation du plan de balayage. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'émission lumineuse pour la détermination par voie optique du profil des charges dans un haut fourneau. Ce dispositif est constitué par un caisson de forme générale cylindrique, susceptible de pénétrer partiellement dans le gueulard du haut fourneau, qui comporte une partie fixe et une partie mobile autour de l'axe du caisson, - la partie fixe étant constituée par l'enveloppe externe dudit caisson dont l'extrémité destinée à pénétrer dans le gueulard du haut fourneau est en un matériau transparent, - la partie mobile autour de l'axe du caisson étant constituée par un ensemble d'émission lumineuse qui comporte une source lumineuse dont l'axe d'émission est decalé et parallèle à l'axe du caisson, un miroir fixe incliné à 45" par rapport à l'axe d'émission et un miroir tournant oscillant autour d'un axe, la source lumineuse, le miroir fixe et lsaxe d'oscillation du miroir tournant étant solidaires les uns des autres dans leur rotation autour de l'axe du caisson. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif de l'invention, à l'extrémité destinee à pénétrer dans le gueulard du haut fourneau, un évidement tronconique est ménagé dans l'enveloppe externe du caisson et un hublot en matériau transparent est fixé de façon étanche dans le fond de cet évidement. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif comporte des moyens pour nettoyer le hublot par soufflage d'un gaz ou amenée d'eau sur ledit hublot et/ou soufflage d'un gaz dans l'évidement tronconique. Selon l'invention, les moyens pour faire tourner la partie mobile autour de l'axe du caisson peuvent être constitués par exemple par un couple roue-vis sans fin monté sur la structure de solidarisation de la source lumineuse et des miroirs. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte des moyens pour mesurer l'angle de déflexion du miroir tournant et des moyens pour mesurer la position de l'axe du caisson par rapport à la verticale et pour mesurer l'angle de rotation de la partie mobile par rapport à sa position de départ. Les moyens pour mesurer l'angle de déflexion du miroir tournant peuvent être constitués par exemple par un potentiomètre placé sur l'axe d'oscillation du miroir. Les moyens pour mesurer la position du caisson et la position de la partie mobile peuvent être constitués par exemple par deux inclinomètres montés sur la structure de solidarisation de la source lumineuse et des miroirs. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens pour faire circuler un fluide refroidissant dans la paroi latérale du caisson sont constitués par trois viroles coaxiales au caisson définissant deux espaces annulaires qui communiquent entre eux à l'une de leurs extrémités, et communiquent à leur autre extrémité, l'un avec un conduit d'amenée du fluide refroidissant et l'autre avec un conduit de sortie du fluide refroidissant. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte des moyens de fixation étanche du caisson dans la paroi du gueulard du haut fourneau constitués, par exemple, par une jupe de raccordement placée sur la paroi latérale du caisson, munie d'un presse-étoupe et d'un joint d'étanchéité gonflable. Selon une variante de l'invention, le dispositif comporte des moyens pour retirer le caisson du gueulard du haut fourneau. Ces moyens peuvent être, par exemple, constitués par des roulettes susceptibles de se déplacer entre deux rails ménagés dans la paroi latérale du caisson, lesdites roulettes étant susceptibles d'être reliées à un vérin. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif considéré, la source lumineuse est un émetteur laser. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite en se référant à la figure jointe qui représente, en coupe longitudinale, un mode de réalisation du dispositif d'émission lumineuse considéré. Sur la figure, on a représenté en 1 la paroi latérale du caisson et, en 2, l'extrémité du caisson destinée à pénétrer dans le gueulard du haut fourneau. L'ensemble d'émission lumineuse est constitué de la source lumineuse 3 (qui, dans l'exemple représenté, est un émetteur laser), d'un miroir fixe 4 et d'un miroir tournant 5. La source 3 et les miroirs 4 et 5 sont solidaires les uns des autres par l'intermédiaire de l'entretoise 6 qui est percée d'un canal 7 pour laisser passer le faisceau lumineux. L'entretoise 6 (donc l'ensemble lumineux) peut tourner autour de l'axe 8 du caisson grâce aux paliers de roulement 9. La source 3 est fixée à l'entretoise 6 par deux tirants 10. Le support 11 du miroir fixe 4 est fixé par l'intermédiaire de la pièce 12 et de vis 13 à une couronne annulaire 14. Cette couronne 14 est reliée à l'entretoise 6 par des tirants 15. Un moteur 16 fait osciller le miroir tournant 5 entre deux positions extrêmes par l'intermédiaire d'un pignon d'entrainement 17. La paroi latérale I et deux viroles 18 et 19 coaxiales au caisson délimitent deux espaces annulaires 20 et 21. Les deux espaces 20 et 21 communiquent entre eux à l'extrémité du caisson destinée à pénétrer dans le gueulard du haut fourneau. L'espace 21 communique à son autre extrémité avec un conduit 22 d'amenée de fluide refroidissant, et l'espace 20 communique à son autre extrémité avec un conduit 23 de sortie d'un fluide refroidissant. A l'extrémité 2 du caisson destinée à pénétrer dans le gueulard du haut fourneau, un évidement tronconique 24 est ménagé dans la paroi et un hublot 25 est fixé dans le fond de l'évidement 24 à l'aide de vis 26 l'étanchéité est maintenue grâce aux joints 27. Des tubes 28 sont répartis régulièrement dans l'espace annulaire 21 pour permettre le nettoyage du hublot 25 par soufflage d'un gaz ou amenee d'eau. A cet effet, certains des tubes 28 sont reliés, à leur extrémité 29, à une source de gaz ou d'eau (non représentée sur la figure) et, à leur autre extrémité, à des conduits 30 placés dans des alésages ménagés dans la paroi du caisson débouchant dans des fentes et inclinées vers le hublot 25. Les autres tubes 28 sont reliés à l'une de leur extrémité à une source de gaz (non représentée sur la figure), et à leur autre extrémité à des conduits 32 débouchant dans des fentes 33 amenant le gaz dans l'évidement tronconique 24. Un couple roue-vis sans fin 34 placé sur l'entretoise 6 permet de faire tourner l'ensemble d'émission lumineuse autour de l'axe S du caisson ce couple roue-vis sans fin est manoeuvré à l'aide d'une manivelle 35. Bien entendu, le mouvement du couple roue-vis sans fin pourrait aussi bien être engendré par un moteur. Deux inclinomètres 36 fixés sur l'entretoise 6 permettent, d'une part, de repérer la position de l'axe du caisson par rapport à la verticale, d'autre part, de repérer l'angle de rotation de la partie mobile du caisson par rapport à sa position initiale. Ces inclinomètres 36 sont du type de ceux qui comportent un pendule relié à un galvanomètre et permettent d'obtenir un signal électrique correspondant à un angle donné. A l'endroit où le caisson doit être fixé dans la paroi du gueulard du haut fourneau, une jupe 37 de raccordement est fixée sur la paroi latérale 1 du caisson ; pour maintenir l'étanchéité, cette jupe 37 est munie d'un presse-étoupe et d'un joint d'échantéité gonflable 38 du type "Joinflair" par exemple. L'enveloppe externe du caisson est en deux parties A et B, maintenues ensemble à l'aide d'une bride 39. On peut retirer quand celà est nécessaire la partie mobile de la partie fixe au moyen des tirants 40. On peut également démonter le dispositif à miroirs à l'aide des tirants 15 et démonter la source lumineuse 3 à l'aide des tirants 10, après avoir préalablement retiré la partie B de l'enveloppe du caisson. La source lumineuse 3 peut être refroidie par circulation d'air com- primé ; cet air comprimé entre en 41 et sort en 42. Les moyens permettant de retirer le caisson du gueulard du haut fourneau tels que ceux mentionnés précédemment n'ont pas été représentés sur la figure. Lorsqu'on retire le caisson, on supprime le joint d'étanchéité 35 lors du déplacement du caisson, l'étanchéité est assurée par le presseétoupe de la jupe de raccordement 34. Une vanne assure la fermeture de l'orifice du gueulard quand le caisson est complètement retiré. Le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est le suivant. On place et fixe le caisson dans la paroi du gueulard du haut fourneau dans une position donnée par rapport à la verticale. Un récepteur optique fixe est placé dans le gueulard à un endroit détermine. La source 3 émet un faisceau lumineux qui est renvoyé par le miroir fixe 4 sur le miroir tournant 5 qui le renvoie dans le gueulard par le hublot 25. A l'aide du moteur 16, on fait osciller point par point le miroir tournant 5 entre deux positions extrêmes. Les deux positions extrêmes du miroir tournant correspondent à la possibilité de passage du faisceau lumineux par le hublot , angle entre ces deux positions est en général d'environ 45". On determine ainsi un plan de balayage que l'on repère grâce aux inclinomètres 36. En effet, la position de l'axe du caisson et la position de l'axe d'émission lumineuse définissent le plan de balayage. Pour un faisceau lumineux donné, on obtient une tache lumineuse dont on veut déterminer les coordonnées spatiales. Pour un plan de balayage donne et une direction d'observation donnée, l'intersection entre ce plan et cette droite donne les coordonnées spatiales des différentes taches lumineuses obtenues lors du balayage par le faisceau lumineux, ce qui correspond aux coordonnées spatiales des matières contenues dans le gueulard et éclairées lors de ce balayage. Ainsi, pour une position de l'ensemble lumineux, on balaye, en faisant osciller le miroir tournant entre deux positions extrêmes, une courbe de la surface des matières qui correspond à une corde du cercle déterminé par l'intersection des charges avec la paroi du gueulard. En faisant tourner l'ensemble lumineux autour de l'axe du caisson, on fait alors tourner le plan de balayage et on balaye alors différentes cordes du cercle. Ainsi, grâce au dispositif conforme à l'invention, en faisant prendre successivement différentes positions par 11 ensemble lumineux, ce qui fait tourner le plan de balayage, on obtient des informations sur le profil des charges dans le gueulard point par point. L'appareil de réception peut être du type de celui décrit dans la demande de brevet français n" 79/02.830 du 3l janvier 1979, citée précédemment. A titre non limltatiff on indique qu'il peut, par exemple, comprendre - une caméra vidéo fixe ayant un champ de visée suffisamment large pour couvrir la totalité d'un diamètre du gueulard au niveau de la surface des charges, - une unité de traitement électronique du signal vidéo délivré par la camera. Cette unité de traitement a pour fonction principale de déterminer les coordonnées spatiales des taches lumineuses obtenues lors du balayage à partir des données définissant le plan de balayage, la position de la caméra et l'orientation de son axe de visée par rapport à ce plan, - des moyens de visualisation, par exemple une table traçante ou un tube cathodique, restituant à partir des coordonnées spatiales calculées dans l'unité de traitement, le profil réel de la surface des charges. Bien entendu, l'invention nlest pas limitée à l'exemple de réalisation décrit, notamment en ce qui concerne la position de la source lumineuse dans le caisson, l'essentiel étant que son axe d'émission soit décalé et parallèle à l'axe du caisson et que l'ensemble lumineux soit mobile autour de l'axe du caisson. REVENDICATIONS I) Dispositif d'émission lumineuse pour la détermination par voie optique du profil des charges dans un haut fourneau, caractérisé en ce qu'il est constitué par un caisson de forme générale cylindrique, susceptible de pénétrer partiellement dans le gueulard du haut fourneau, qui comporte une partie fixe et une partie mobile autour de l'axe du caisson, - la partie fixe étant constituée par l'enveloppe externe dudit caisson dont l'extrémité (2) destinée à pénétrer dans le gueulard du haut fourneau est en un matériau transparent, - la partie mobile autour de l'axe (8) du caisson étant constituee par un ensemble d'émission lumineuse qui comporte une source lumineuse (3) dont l'axe d'émission est décalé et parallèle à l'axe du caisson, un miroir fixe (4) incliné à 45C par rapport à l'axe d'émission et un miroir tournant (5), oscillant autour d'un axe, la source lumineuse (3), le miroir fixe (4) et l'axe d'oscillation du miroir tournant (5) étant solidaires les uns des autres dans leur rotation autour de l'axe (8) du caisson. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à l'extrémité (2) destinée à pénétrer dans le gueulard du haut fourneau, un évidement tronconique (24) est ménagé dans l'enveloppe externe du caisson et un hublot (25) en matériau transparent est fixé de façon étanche dans le fond de cet évidement. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour nettoyer le hublot (25) par soufflage d'un gaz ou amenée d'eau sur ledit hublot et/ou soufflage d'un gaz dans l'évidement tronconique (24). 4) Dispositif selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que les moyens pour faire tourner la partie mobile autour de l'axe (8) du caisson sont constitués par un couple roue-vis sans fin (34) monté sur une structure de solidarisation (6) de la source lumineuse et des miroirs. 5) Dispositif selon l'une des revendications I a 4, caractérisé en ce qu V il comporte des moyens pour mesurer l'angle de déflexion d'un miroir tournant (5) et des moyens pour mesurer la position de l'axe (8) du caisson par rapport à la verticale et pour mesurer l'angle de rotation de la partie mobile par rapport à sa position de départ. 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer l'angle de déflexion du miroir tournant (5) sont constitués par un potentiomètre placé sur l'axe d'oscillation dudit miroir. 7) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer la position de l'axe (8) du caisson par rapport à la verticale et pour mesurer l'angle de rotation de la partie mobile par rapport à sa position de départ, sont constitués par deux inclinomètres (36) montés sur la structure de solidarisation (6) de la source lumineuse (3) et des miroirs (4) et (5). 8) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire circuler un fluide refroidissant dans la paroi latérale (I) du caisson, lesdits moyens étant constitués par trois viroles coaxiales au caisson définissant deux espaces annulaires (20)et (21), qui communiquent entre eux à l'une de leurs extrémités, et qui communiquent à leur autre extrémité, l'un avec un conduit (22) d'amenée du fluide refroidissant, et l'autre avec un conduit (23) de sortie du fluide refroidissant. 9) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qutil comporte des moyens de fixation étanche du caisson dans la paroi du gueulard du haut fourneau constitués par une jupe (37) de raccordement placée sur la paroi latérale (I) du caisson, munie d'un presse-étoupe et d'un joint d'étanchéité gonflable (38). 10) Dispositif selon l'une des revendications I à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour retirer le caisson du gueulard du haut fourneau, constitués par des roulettes susceptibles de se déplacer entre deux rails ménagés dans la paroi latérale (1) du caisson, lesdites roulettes étant susceptibles d'être reliées à un vérin. Il) Dispositif selon l'une des revendications I à 10, caractérisé en ce que la source lumineuse (3) est constituée par un émetteur laser.