Brevet FR2498959A1 — publié le 19820806

i 2498959 DETECTEUR THERMOSENSIBLE DE NIVEAU DE MATIERE CONTENUE DANS UN RECIPIENT. NOTAiUMENT DANS UNE LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE La présente invention se rapporte à la déaection'du niveau de matière contenue dans un récipient par des moyens thermosensibies, tels que d.ermo- aouples, thermiscar.cas. etc... Zn particulier, 'invention concerne la étec:ion de n.iveau du:nmétal en fusion dans les lingotières de coulée continue, notamment celles équipées d'un inducteur de brassage. On sait que la présence d'un détecteur de niveau dans une lingocière de coulée continue devient un impératif qui se substitue à l'observation visuelle dès que l'on souhaite contrôler efficacement l'opération de coulée, notamment au moyen d'une régulation automatique. On connait actuellement plusieurs types de détecteurs appliqués indus- triellement à la coulée continue des métaux. On citera à cet égard les systèmes de mesure à visée optique dans l'infrarouge (brevets français n 2.292.539, 2.361.180, 2.369.548), les systèmes à rayonnement y (brevet français n 2.348.477), ou les systèmes à capteurs électromagnétiques (Fujikawa et ai. Technical Review - Juin 77, pages 418 à 425), ou encore les systèmes thermosensibles mettant en oeuvre soit des thermocouples donc les têtes de mesure (soudures chaudes) sont réparties verticalement au contact de la face extérieure de la paroi en cuivre de la lingotière (brevet américain n 3.204.460) ou incorporées à ladite paroi, soit des sondes monofilaires réalisant l'effet "thermocouple" par contact avec la paroi en cuivre qui joue le rôle de retour commun (brevet français n 2. 114.601 et son certificat d'addition n 2.171.045). Ces différents types de détecteurs ne sont pas parfaitement adaptés à toutes les installations de coulée continue. En particulier, ils s'appliquent plus ou moins bien aux machines de coulée dont les lingotières sont équipées d'un inducteur électromagnétique pour le brassage du métal en fusion. En effet, le détecteur à rayons y occupe partiellement la place qui devrait être réservée à l'inducteur et les systèmes à capteurs électromagné- tiques ou à sondes monofilaires peuvent être gênés par le champ magnétique créé par l'inducteur. Les systèmes à visée optique, étant eux extérieurs à la lingotière, sont donc indépendants de la présence d'un inducteur, mais en contre-partie, ils sont d'un emploi irrégulier, soumis aux aléas de la vie quotidienne de l'aciérie. Quant aux systèmes à éléments thermosensibles -à thermocouples en particulier- dont fait partie la présente invention, ils ont pour eux l'avantage d'être simples et peu coûteux. Par ailleurs, 39 moyennant quelques précautions élémentaires, ilss'accommodent fort bien de 2 2498959 la présence d'un inducteur électromagnétique dans leur voisinage immédiat. Toutefois, il s'agit d'objets relativement délicats devant être mani- pulés avec soin. De plus, dans leur conception actuelle, ils impliquent une intervention spéciale, lors du remplacement de l'élément interne en cuivre de la lingotière, pour la coulée de formats différents par exemple. La présente invention a pour but de rendre de tels systèmes d'applica- tion universelle à toutes les machines de coulée, tant celles équipées d'un inducteur électromagnétique au niveau, ou au sein, de la lingotière, que celles nécessitant des remplacement fréquents de l'élément interne en cuivre et ceci sans pour autant impliquer une intervention spéciale due à la présence du système de détection. Un autre but est de pouvoir disposer d'un système très souple, qui soit d'un montage facile et rapide aussi bien de fabrication pour les lingotières nouvelles que pour les lingotières existantes. A cet effet, l'invention a pour objet un détecteur thermosensible du niveau de matière contenue dans un récipient, en particulier du niveau de métal en fusion dans une lingotière de coulée continue, comprenant une pluralité de capteurs thermosensibles dont les têtes de mesure sont répar- ties sur la hauteur du récipient. Les capteurs thermosensibles sont montés dans une pièce-support présentant au moins un élément de surface à laquelle affleurent les têtes de mesure; des moyens sont prévus pour agir sur la pièce support de façon à assurer un appui élastique dudit élément de surfa- ce sur la paroi extérieure du récipient, et cet.élément de surface est conformé de façon à épouser la paroi extérieure du récipient à l'endroit o il est destiné à prendre appui. Conformément à une variante, la pièce support est constituée essentiel- lement par une plaquette monobloc présentant des perçages qui débouchent sur une petite face destinée à prendre un appui élastique sur la paroi du récipient et dans lesquels sont placés les capteurs thermosensibles, la plaquette étant montée élastiquement sur un chassis-porteur fixe par rapport au récipient. Conformément à une autre variante, la pièce-support est constituée par un jeu de cames longitudinales disposées parallèlement les unes à c8té des autres et dans chacune desquelles est placé un élément thermosensible. Les cames se présentent sous la forme de doigts comportant une extrémité inférieure libre, en surface de laquelle affleure la tête de mesure du capteur thermosensible, l'autre extrémité étant articulée sur un axe fixe par rapport au récipient et des moyens sont prévus pour assurer à chaque doigt 39 un appui élastique de son extrémité libre sur la paroi extérieure du récipient. 3 2498959 Comme on le comprend, la présente invention consiste donc, pour l'es- sentiel, à incorporer les capteurs thermosensibles dans une pièce mécanique capable de s'appuyer élastiquement contre la paroi du récipient dont il s'agit de déterminer le niveau de remplissage. 'e contact mécanique s'effec- j tue par au moins un élément de surface prévu sur la pièce, et présentant, à cet effet, d'une part une configuration géométrique lui permettant d'épouser la paroi du récipient à l'endroit du contact et, d'autre part, des orifices répartis selon la hauteur, et o affleurent les têtes de mesure des capteurs thermosensibles. 1o Ainsi, le détecteur selon l'invention se présente en un tout matériel et fonctionnel pouvant être facilement et rapidement mis en place sur le récipient. Par ailleurs, la pièce mécanique incorporant les éléments thermo- sensibles constitue pour ceux-ci une masse protectrice qui supprime tout risque de détérioration. Les précautions de manipulation du dispositif se trouvent donc réduites au strict minimum. De plus, le détecteur est destiné à être mis au contact du récipient en exerçant simplement sur ce dernier une pression élastique. Il n'y a donc pas de liaison mécanique entre eux au sens habituel du terme, de sorte que leur assemblage est totalement libre. Cette particularité représente un avantage majeur dans le cas o le récipient est une lingotière de coulée continue. En effet, on peut alors retirer l'élément interne en cuivre sans se préoccuper de la présence du détecteur. De même, lors de l'introduction de l'élément interne dans le corps de lingotière, le détecteur s'escamote automatiquement pour laisser le passage tout en prenant appui sur l'élément mis en place afin d'assurer le contact nécessaire à la mesure. Il est donc possible, grâce au détecteur selon l'invention, de rempla- cer l'élément en cuivre d'une lingotière de coulée continue, sans rencontrer plus de difficultés que dans le cas d'une lingotière dépourvue de détecteur. De plus, il ne perturbe nullement le système de refroidissement pri- maire du produit coulé au sein de la lingotière. On peut donc dire de façon générale que le détecteur selon l'invention a un comportement totalement neutre, tant en ce qui concerne le fonctionne- ment normal des lingotières que leur pratique habituelle d'utilisation. Par ailleurs, le détecteur fonctionne avec des capteurs de température de nature diverse: thermocouples, thermistances, bolomètres, etc... Il peut s'installer facilement et rapidement sur une lingotière de coulée continue équipée intérieurement d'un inducteur de brassage, et fonctionne sans être gêné par le champ magnétique. Son faible encombrement ne compromet 39 en rien la mise en place de l'inducteur dans les conditions de brassage les 4 2498959 meilleures du métal en fusion. Sa liaison électrique avec l'extérieur de la lingotière peut se faire avantageusement sur la même plaque à bornes que l'inducteur. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages ressor- tiront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif et en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles - la figure 1 est une vue de face d'un détecteur de niveau à plaquette d'appui, - la figure 2 est une vue en coupe verticale de profil selon le plan AA de la figure 1, le détecteur étant monté dans une lingotière de coulée continue équipée intérieurement d'un inducteur de brassage, - la figure 3 est une vue en coupe horizontale selon le plan BB de la figure 1, - la figure 4 est une vue de face d'un détecteur de niveau à jeu de cames d'appui, - la figure 5 est une vue en coupe de profil du détecteur selon la figure 4 monté dans une lingotière de coulée continue. Sur toutes les figures, les mêmes éléments sont indiqués par des références identiques. Comme on le voit sur les trois premières figures, le détecteur de niveau 1 comprend une pièce centrale 2 montée sur un cadre porteur 3 faisant chassis. La pièce 2 est un profilé métallique (acier inox) en T constitué principalement par une plaquette 4 formant l'âme du T et bordée d'un c6té par deux ailes à angle droit 5 et 5' qui se rejoignent à leurs extrémités. La plaquette est engagée par son c8té libre dans une- ouverture longitudinale 6 ménagée à cet effet au milieu du chassis 3. La pièce 2 est solidarisée au chassis par des moyens de fixation élastique constitués ici par deux simples ressorts à lame ondulée 7 et 7'. Les ressorts sont fixés-à mi-longueur sur le chassis par des vis 8 et 8' et leurs extrémités libres présentent des portées latérales 9,' 9', qui s'ap- puient respectivement sur les ailes 5 et 5' de la pièce 2, laquelle se trouve donc serrée élastiquement contre le chassis, lorsque le détecteur n'est pas monté sur un récipient de mesure. On observe que la plaquette 4 comporte sur chant des perçages 10 éta- gés sur la hauteur et dans lesquels sont logés des thermocouples 11. Ces perçages débouchent sur la face étroite 12 de la plaquette qui présente une surface bien plane destinée à être mise, au contact de la paroi extérieure 39 du récipient de mesure. Les raisons qui justifient cette planéité seront explicitées par la suite. La pièce 2 constitue ainsi une pièce-support pour une série de thermo- coupies dont les têtes de mesure 13, réparties verticalement, viennent affleurer en surface 12. Comme on le voit plus clairement sur les figures 2 et 3, le détecteur i est appliqué par sa petite face 12 contre la paroi extérieure d'un réci- pient 14 qui, dans le cas présent, est le tube en cuivre (ou alliage de cuivre) d'une lingotière pour la coulée continue de billettes d'acier. On rappelle que cette lingotigre, partiellement et schématiquement représentée sur la figure 2, comprend de façon habituelle une chemise métallique 15 qui entoure à distance l'élément tubulaire 14 en définissant entre eux un espace 16. Cet espace est réservé à une circulation vigoureuse d'eau de refroi- dissement qui, par échange thermique au travers du tube 14, assure la solidification d'une couche annulaire 17 de métal coulé 18 suffisante pour permettre l'extraction de ce dernier hors de la lingotière. D'autre part, la chemise 15 est elle-même entourée a distance par une enveloppe périphé- rique 19 en acier qui définit le gabarit de la lingotière. La chemise 15 et l'enveloppe extérieure 19 ménagent entre elles un second espace concen- trique à l'espace 15, mais beaucoup plus large et partagé par un organe de séparation étanche en deux chambres superposées respectivement supérieure et inférieure. L'une de ces chambres sert à l'introduction de l'eau de refroidissement, l'autre à l'évacuation, leursr8lesétant réversibles en fonction du sens de circulation choisi dans l'espace 16. A cet effet, chaque chambre communique avec cet espace à l'une de ses extrémités. Pour ne pas surcharger inutile- ment les figures, seule la chambre supérieure 20 a été partiellement repré- sentée. Par ailleurs, dans l'exemple considéré, la chambre à eau supérieure 20 contient un inducteur électromagnétique 21, pour le brassage du métal li- quide 18 coulé en lingotigre. L'inducteur est relié à une alimentation électrique polyphasée extérieure non représentée par l'intermédiaire d'une boîte à borne 22 étanche montée sur l'enveloppe 19. ? Le détecteur de niveau I selon l'invention est fixé sur la face exté- rieure de la chemise 15 à l'aide de vis 23 prévues dans les angles du chassis 3. La chemise 15 présente, dans l'alignement de l'ouverture 6 du chassis, sa propre ouverture 24 pour permettre le passage de la plaquette de mesure 4. Pour assurer un appui élastique de la petite face 12 de la plaquette 39 contre le tube 14, le détecteur est préalablement dimensionné de manière 6 2498959 que la plaquette dépasse vers l'intérieur de la chemise d'une cote 2 à 3 mm plus grande que l'épaisseur de la lame d'eau 16. Par ailleurs, la plaquette présente à sOn extrémité supérieure un chanfrein 25 de sorte que, au moment de l'introduction du tube 14, le détecteur s'écarte et se met automatiquement en position. Le tube 14 ne nécessite aucune modification due à la présence du détecteur. Il faut simplement prévoir des pions de guidage sur la chemise 15, ce qui est d'ailleurs habituellement le cas dans les lingotières de coulée continue de billettes. De préférence, la plaquette 4 est chanfreinée à ses deux extrémités (25, 25'), de manière à avoir une réversibilité de montage. Conformément à une caractéristique importante de l'invention, le détecteur 1 étant destiné à être appliqué à une lingotière de coulée conti- nue ou, de façon générale, à tout récipient refroidi extérieurement par circulation d'un fluide refroidissant, doit donc présenter une face d'appui, telle que la face 12, qui épouse étroitement la paroi du récipient au moins à l'endroit du contact des têtes de mesure 13, afin que la température mesurée ne soit pas faussée par des infiltrations d'eau intempestives contre les têtes de mesure. Dans l'exemple considéré, la paroi extérieure du tube 14 étant plane, la face de mesure 12 l'est donc également. Dans ces conditions, la tempéra- ture repérée est alors supérieure à la température normale de la paroi du tube 14. Elle est d'ailleurs d'autant plus élevée que la largeur de la face d'appui 12 est grande. A titre indicatif, dans le cas d'une lingotière de coulée continue habituelle pour la production de billettes ou de: blooms d'acier, le'point de mesure accuse de l'ordre de 70'C de plus que la tempé- rature moyenne de la face extérieure du tube 14 lorsque la largeur de la fa- ce de mesure 12 est environ égale à la moitié de l'épaisseur du tube 14. Toutefois, il doit être souligné qu'en règle générale, la surface d'appui du détecteur doit être dimensionnée et surfacée en tenant compte des impératifs liés au refroidissement du récipient par une circulation de fluide sur sa paroi extérieure. A cet égard, le détecteur à plaquette d'appui, tel que décrit précédem- ment, se trouve parfaitement adapté à son application à une lingotière de coulée continue dont on sait que la circulation de l'eau de refroidissement contre la paroi en cuivre s'effectue verticalement. Dans ces conditions en effet, la plaquette. étant elle-même orientée verticalement, sa présence dans l'espace 16 ne pénalise pas l'efficacité du refroidissement. 39 Il en est de même d'ailleurs pour le détecteur illustré sur les 7 249895v figures ê et 5. Dans cette variante de réalisation, la plaquette d'appui monobloc précédemment décrite a été remplacée par un jeu de cames 26 longi- :udinales disposées parallèlement les unes à c3té des autres et porteuses individuellement d'un thermocouple Il. Chaque came constitue un doigt pré- sentant une extrémité libre recourbée 27 dont la face frontale 28 constitue un élément de surface plane destiné, comme le montre la figure 5, a être mis au contact de la paroi en cuivre 14 de la lingotière, et, au centre du- quel affleure la tâte de mesure 13 des thermocouples placés dans des perça- ges 29. L'autre extrémité 30 est articulée sur un axe porteur fixe 31 avec lequel les cames 26 forment un couple de torsion assurant l'appui élastique de la face frontale 28 contre la paroi du tube 14. Ce couple de torsion peut etre obtenu par tout moyen approprié et bien connu, tel que ressort en spirale, articulation élastique par interposition d'un joint élastomère, etc... ou plus simplement, comme dans l'exemple illustré ici, par simple déformation élastique de la matière constitutive des cames 26 qui est avantageusement de l'acier inoxydable. Par ailleurs, les extrémités libres 27 sont, bien entendu, disposées de façon étagée de manière à pouvoir obtenir une succession de têtes de mesure réparties en différents niveaux sur la hauteur du récipient. A cet effet, le détecteur à cames selon l'invention peut être conçu selon de nombreuses variantes de réalisation. En particulier, et comme le montrent les figures 4 et 5, les cames 26 peuvent présenter entre elles des longueurs différentes et être maintenues par un axe rectiligne commun 31 à leurs extrémités supérieures 30. Selon une autre variante, les cames peu- vent être de longueur identique, auquel cas les extrémités supérieures 32 sont-montées sur un axe à paliers échelonnés. Le détecteur est fixé à faible distance sur la chemise de refroidisse- ment 15 à l'aide de tirants 32 placés dans des oeillets 33 prévus aux extré- mités de l'axe 31. Ces tirants sont munis de canons 34 servant dientretoi- ses. La présence de ces canons, ou de tout autre moyen équivalent, permet l'articulation des cames sans être gêné par la chemise de refroidissement 15. Par ailleurs, cette dernière présente des ouvertures 35 convenablement dispo- sées pour permettre le passage des extrémités inférieurescoudées 27. Comme dans le cas de la variante à plaquette monobloc décrite précédemment, les éléments de surface d'appui 28 sont avantageusement chanfreinés sur leur bord supérieur, de façon que les cames s'escamotent automatiquement au moment de l'introduction de l'élément tubulaire 14 de la lingotière. Ainsi qu'on l'aura compris, le détecteur à cames a pour particularité 39 que chaque capteur thermosensible Il est associé à une pièce porteuse 26 8 2498959 autonome et mécaniquement indépendante des autres. Ceci peut constituer un avantage par rapport au détecteur à plaquette monobloc vu précédemment, car le contact de tout élément de surface 28 avec la paroi 14 est alors toujours parfaitement assuré, malgré les déformations éventuelles de cette dernière, qui peuvent être dues à des phénomènes de dilatation différentielle, non compensés, comme c'est le cas dans certaines constructions de lingotière pour lesquelles, par exemple, le tube en cuivre 14 se trouve bridé à ses deux extrémités. D'autre part, le détecteur à cames est utilisable quelque soit le mode de refroidissement du récipient destiné à le recevoir car, dans ce cas, le fluide refroidissant peut circuler librement dans n'importe quelle direction dans l'espace 16. Cette possibilité'peut toutefois être également obtenue avec un détecteur à plaquette monobloc. Il suffit en effet, conformément à une variante de l'invention, de prévoir sur la face d'appui 12 de la pla- quette des dégagements permettant une circulation de l'eau perpendiculairement au plan de celle-ci. Ces dégagements, qui ont été représentés en traits dis- continus sur la figure 2 sous la référence 36, déterminent entre eux des té- tons 37 qui viennent en appui sur le tube 14. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure o sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications jointes. * Ainsi, la présence d'entretoises d'écartement pour-le détecteur à cames n est utile que si le mouvement de bascule des cames s'accompagne d'une rotation de leur extrémité supérieure autour de l'axe porteur. Par contre, si d'autres systèmes d'articulation à rappel automatique sont mis en oeuvre en maintenant cette extrémité fixée en rotation -par exemple des manchons en élastomère prolongeant les cames et fixés sur l'axe- les entretoises peuvent alors être supprimées. Par ailleurs, l'appui élastique des cames contre le récipient peut être obtenu autrement que par des moyens agissant au niveau de l'articula- tion sur l'axe porteur, par exemple par des poussoirs mécaniques montés sur ressort et appuyant sur les cames. De même, la présence d'une chemise autour du récipient de mesure n'est pas obligatoire pour le montage du détecteur. Ce dernier peut en effet être fixé directement sur le récipient à l'aide, par exemple, de bossages tarau- dés prévus à cet effet sur la surface extérieure du récipient. De même, bien que le détecteur de niveau selon l'invention ait été conçu à l'origine pour son utilisation dans une lingotière de coulée conti- 39 nue équipée d'un inducteur de brassage, son domaine d'application s'étend en fait à tout récipient, métallurgique ou autre, en matériau non isolant et, de préférence, bon conducteur de la chaleur. 9 2498959 REVENDICATIONS 1) Détecteur thermosensible du niveau de matière contenue dans un récipient, présentant une pluralité de capteurs de température dont les tâtes sensibles sont réparties se' n ia hauteur du récipient, caractérisé en ce.u'il comprend une pièce-support dansILaquelle sont montés les capteurs de temvérature, en ce que la pièce-support présente au moins un élément de surface à laquelle affleurent les têtes sensibles des _apteurs, en ce que des moyens sont prévus pour assurer à la pièce support un appui élastique, !o par ledit élément de surface, sur la paroi extérieure du récipient, et en ce que l'élément de surface est géométriquement conformé, de manière à épouser la paroi extérieure du récipient à l'endroit de l'appui. 2) Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce support est constituée essentiellement par une plaquette présentant des perçages qui débouchent sur une petite face destinée à prendre un appui élastique sur la paroi extérieure du récipient et dans lesquels sont placés les capteurs de température. 3) Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pla- quette support présente un chanfrein au moins à l'extrémité supérieure de la petite face d'appui. 4) Détecteur selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la petite face d'appui présente des encoches espacées définissant entre elles des tétons à l'extrémité desquels affleurent les têtes sensibles des capteurs de température. 5) Détecteur selon les revendications I ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour assurer un appui élastique de la plaquette sur la paroi extérieure du récipient sont constitués par un chassis porteur équipé d'organes de liaison élastique pour la fixation de la plaquette. 6) Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce support est constituée par un jeu de cames longitudinales disposées parallè- lement les unes à c6té des autres et incorporant chacune un capteur de température, en ce que les cames comportent une extrémité inférieure libre en surface de laquelle affleure une tête de mesure du capteur, l'autre extrémité étant articulée sur un axe commun. 7) Détecteur selon les revendications I et 6, caractérisé en ce que les moyens pour assurer aux cames un appui élastique sur la paroi extérieure du récipient sont constitués par une articulation élastique des extrémités supérieures des cames autour de leur axe commun. 39 8)-Détecteur selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que 2498959 les cames sont de longueur différente. 9) Détecteur selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les cames ont des longueurs identiques et en ce qu'elles sont montées sur un axe support commun à paliers échelonnés. 10) Application du détecteur selon l'une des revendications i à 9, à une lingotière de coulée continue de métaux en fusion comportant une cir- culation d'un fluide de refroidissement dans un espace ménagé entre un élé- ment tubulaire interne définissant le passage pour le métal coulé et une che- mise entourant à distance ledit élément, caractérisée en ce que le détecteur est fixé sur la paroi extérieure de la chemise et en ce que cette dernière est ajourée pour le passage de la pièce-support incorporant les capteurs de température. 11) Application selon la revendication 10, caractérisée en ce que la lingotière est équipée d'un inducteur de brassage disposé extérieurement à la chemise et en ce que le détecteur est placé entre ledit inducteur et la chemise. 12) Application selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'inducteur de brassage est relié à une alimentation électrique polyphasée par l'intermédiaire d'une boite de connexion étanche montée sur la lingotiè- re et en ce que le détecteur est en liaison électrique avec l'extérieur par l'intermédiaire de ladite boite de connexion.