Brevet FR2579321A1 — publié le 19860926

La présente invention concerne un dispositif de mesure du flux de chaleur émis par un four métallurgique. Cette invention peut s'appliquer, en particulier, au contr8le de l'activité d'un four métallurgique ou au contrôle de l'usure des réfractaires d'un tel four. En particulier, cette invention se propose d'apporter un dispositif permettant de suivre, avec une bonne précision, l'usure ou la dégra- dation d'une paroi réfractaire, en particulier dans des creusets contenant des mé- taux liquides, et plus spécialement les creusets de hauts fourneaux. Dans les systèmes actuellement utilisés pour l'application mentionnée ci- dessus, le seul contr8le pouvant être effectué est celui des températures en paroi, et, éventuellement, du flux de chaleur global émis par le four vers les systèmes de refroidissement. Cependant, l'expérience montre que les contr8les ainsi réalisés sont inefficaces, pour les raisons suivantes: Dans une paroi réfractaire d'une épaisseur très importante (par exemple 1 à 2,5 m), la température d'extrados varie peu, puisqu'elle ne dépend que du flux et de la résistance thermique du pisé de blocage de ladite paroi. Comme la résistance thermique du pisé est faible et que les variations de flux sont nor- malement lentes et d'importance relative faible, on ne peut pas détecter de grosses variations de température. On peut montrer que, pour un gros creuset de haut-fourneau,par exemple, la température d'extrados du réfractaire passe de 75 C à 100 C environ, au cours de la campagne. Par ailleurs, la mesure elle-même n'est pas précise, pour différentes rai- sons: qualité du contact thermocouple-réfractaire, présence de condensats divers (eau, solvant, etc.). L'écart de mesure peut, de façon aléatoire, atteindre plu- sieurs degrés, donc une fraction importante de l'intervalle de 25 C à contrôler. En outre, la mesure des pertes thermiques globales ne constitue pas un moyen plus fiable, étant donné qu'elle ne donne qu'une valeur sousestimée du flux moyen.Dans un tel procédé, on ajoute à l'imprécision des mesures de température l'imprécision des débits de fluides de refroidissement et les échanges entre le système de refroidissement et le milieu ambiant. Enfin, l'usure des réfractaires n'étant pas également répartie, on peut avoir une faible zone fortement dégradée, sans effet marqué sur le flux total. C'est ainsi que l'on a pu voir des hauts-fourneaux percer, alors que les flux captés par le refroidissement étaient en phase décroissante. Selon une autre solution, on peut envisager la mesure du flux aux points les plus sensibles du four. A cet effet, on peut placer deux thermocouples à des profondeurs différentes dans le réfractaire du four. Un tel procédé présente les mêmes inconvénients que celui qui consiste à mesurer la température de l'extrados de la paroi réfractaire, c'est-à-dire une grande imprécision des mesures, à la- quelle s'ajoute l'imprécision sur l'implantation des soudures actives des thermo- 2 2579321 couples. On a envisagé d'utiliser des flux-mètres, employés en génie atomique, et étalonnés en laboratoire; malheureusement, ces flux-mètres se sont révélés trop fragiles et peu adaptés aux flux devant être contr8lés. En outre, ils devaient être placés sur l'enveloppe du four, ce qui ne constitue pas un emplacement idéal. Une autre technique a été envisagée, qui consiste à réaliser une cartogra- phie de l'usure des réfractaires par un procédé de thermographie infrarouge. Mal- heureusement, cette technique ne convient pas à tous les types de refroidissement; elle ne peut être utilisée que par campagne, en coupant le refroidissement du ré- fractaire, et enfin, les nombreux obstacles qui existent autour des fours masquent une surface non négligeable de l'appareil. La présente invention se propose, en conséquence, d'apporter un dispositif de mesure du flux de chaleur émis par un four métallurgique, notamment en vue du contr8le de l'usure des réfractaires d'un tel four ou du contrôle de l'activité du four, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un barreau de réfractaire de même nature que les matériaux constituant le garnissage du four, ce barreau comportant des rainures,disposées sur sa surface périphérique, dans lesquelles sont logés des thermocouples différentiels,ledit barreau étant positionné dans un logement prévu à cet effet dans le réfractaire du four, le câble de mesure du flux traversant le réfractaire à l'aide de moyens classiques. Selon une caractéristique de l'invention, lesdits thermocouples sont montés en série, et ils sont collés dans leurs rainures respectives afin d'assurer un contact optimum avec le matériau de base, le barreau comportant en outre un alésage ou une cannelure axiale interne pour permettre l'évacuation de l'air et de l'excès de masse de contact utilisée lors de la mise en place du barreau dans son logement. D'autres caractéristiques, de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé, qui en illustre un exemple de réali- sation non limitatif. Sur le dessin: - la Figure 1 est une vue en élévation d'un dispositif selon l'invention; - la Figure 2 est une vue en coupe verticale transversale de la Figure 1; - la Figure 3 est une vue schématique représentant le dispositif objet de l'invention appliqué au contr8le de l'usure des réfractaires de paroi d'un creuset de haut fourneau; et, - la Figure 4 est une représentation schématique d'un système d'étalonnage du dispositif objet de l'invention. En se référant au dessin, et plus particulièrement aux Figures 1 et 2, on voit que le dispositif de mesure du flux de chaleur selon l'invention se présente sous la forme d'un barreau cylindrique 10, constitué d'un réfractaire de même nature que les matériaux réfractaires constituant le garnissage du four à équiper. Ce barreau 10 est muni d'un certain nombre de rainures usinées sur sa surface périphérique, dans lesquelles sont logés des thermocouples différentiels tels que 12, qui sont de préférence montés en série, afin d'augmenter la valeur du signal de sortie. Les thermocouples 12 sont collés dans leurs rainures respectives, afin d'assurer un contact optimum avec le matériau de base. Le barreau 10 est positionné dans un logement (Fig. 3) prévu à cet effet dans le garnissage réfractaire 16 d'un four métallurgique. Dans cet exemple d'ap- plication non limitatif, le four est un haut fourneau dont on n'a représenté que la partie inférieure, avec le creuset 20, le pisé de blocage 18' du garnissage ré- fractaire de la t8lerie extérieure 18. On interpose, entre le barreau 10 et les O parois de son logement dans le réfractaire 16, une masse de contact qui est adap- tée au réfractaire et à la position dans le four. Le barreau 10 est pourvu d'un alésage interne 14, axial de préférence, assurant l'évacuation de l'air et de l'ex- cès de la masse de contact, lors de la mise en place du barreau dans son logement. Sur la Figure, on a désigné par les références 11 et 13 les soudures froides et chaudes des thermocouples 12. Le câble de mesure sort du four à liaide de moyens classiques. Le signal de sortie des thermocouples, prélevé en 22, donne une force électro-motrice qui est fonction du flux de chaleur traversant le barreau 10. Le dispositif objet de l'invention doit être étalonné. On peut, dans ce but, utiliser un four de mesure des conductivités par la 0 méthode comparative. On peut aussi utiliser un système particulier permettant d'ef- fectuer l'étalonnage en usine, ce qui est plus simple et règle le problème des pièces de rechange. La Figure 4 représente un exemple de réalisation d'un système d'étalonnage selon l'invention.Il s'agit d'un montage calorimétrique qui comporte une enceinte calorifugée 28, recevant le barreau 10 de mesure du flux selon l'invention,devant être étalonné. Cette enceinte 28 comporte une source chaude 24, constituée par exemple d'un flan de cuivre muni d'un chauffage électrique régulé pour élever la température du flan à une valeur connue, à 0,2 C près, avec la puissance né- cessaire, suivant la nature du four o doit être installé le barreau 10. L'en- O ceinte 28 comporte en outre un calorimètre métallique 26, constitué d'un coupelle cylindrique mince munie d'un agitateur et d'une sonde thermométrique, contenant une masse connue et adaptée d'eau distillée ou d'un autre fluide à point d'ébulli- tion plus élevé. Enfin, le système comporte un moyen de traitement des signaux, dans lequel sont enregistrées: - la force électro-motrice S engendrée par les thermocouples du barreau 10; - la différence des températures source chaude Tsc, source froide Tsf; - la température du fluide contenu dans le calorimètre - la dérivée de la température du calorimètre, qui donne, à un facteur près, la valeur du flux reçu par le calorimètre. 4 2579321 Grâce à ce système, on peut tracer de façon simple la courbe fem = f (flux), pour le domaine concernant l'application considérée. Le dispositif selon l'invention apporte notamment les avantages suivants: a) il permet une mesure du flux de chaleur dans le garnissage réfractaire lui- même, et il n'apporte pas de discontinuité notable susceptible de perturber le flux, donc la valeur de la mesure et la pérennité du garnissage réfractaire du four; b) il est robuste, facile à fabriquer, et donc peu coûteux; c) il permet de délivrer un signal de sortie de niveau convenable, qui peut être facilement étalonné grace à un dispositif d'étalonnage peu coûteux, adapté aux caractéristiques du four o doit être monté le système de mesure du flux. Comme on l'a décrit et mentionné ci-dessus, le dispositif de mesure objet de cette invention peut être appliqué au contr8le de l'usure des réfractaires, par exemple des creusets des hauts-fourneaux, le barreau de mesure du flux étant posi- tionné dans la paroi réfractaire. Selon une autre application de l'invention, le barreau de mesure du flux de chaleur est installé sous la sole d'un four métallurgique, notamment d'un haut- fourneau, pour contr6ler l'activité du four, en particulier du creuset d'un haut- fourneau. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation et d'application décrits et mentionnés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure du flux de chaleur émis par un four métallur- gique, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un barreau (10)de réfractaire de même nature que les matériaux constituant le garnissage du four, ce barreau com- portant des rainures disposées sur sa surface périphérique et dans lesquelles sont logés des thermocouples différentiels (12) perpendiculairement au garnis- sage du four, ledit barreau étant positionné dans un logement prévu à cet effet dans le réfractaire du four, le câble de mesure du flux traversant le réfrac- taire à l'aide de moyens classiques. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les thermo- couples (12) sont montés en série pour accroître la valeur du signal de sortie. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les thermocouples (12) sont collés dans leurs rainures respectives, afin d'as- surer un contact optimum avec le matériau de base constituant ledit barreau (10). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que ledit barreau (10) est positionné dans son logement avec in- terposition d'une masse de contact adaptée au réfractaire et à la position dans le four. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que ledit barreau (10) est muni d'un alésage ou d'une cannelure (14), permettant l'évacuation de l'air et de l'excès de masse de contact, lors de la mise en place du barreau dans son logement. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractéri- sé en ce qu'il est étalonné par un système calorimétrique qui comprend: une en- ceinte calorifugée (28), recevant le barreau (10) à tester; une source chaude (24), munie d'un moyen de chauffage régulé permettant d'élever la température de cette source chaude avec une puissance fonction de la nature du four o doit être installé le barreau testé; un calorimètre métallique à eau (26), et un en- semble de traitement de signaux qui enregistre la force électro-motrice engendrée par les thermocouples du barreau, la différence de température source chaude- source froide, la température de l'eau du calorimètre, et la dérivée de cette température, qui donne, à un facteur près, le flux reçu par le calorimètre. 7 - Dispositif de mesure de flux selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est placé dans la paroi réfractaire d'un four mé- tallurgique, contenant ou non du métal liquide, notamment d'un creuset de haut- fourneau, pour assurer le contr8le de l'usure des réfractaires, par évaluation de l'épaisseur résiduelle desdits réfractaires. 8 - Dispositif de mesure de flux selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est installé sous la sole d'un four métallurgique, notamment d'un haut-fourneau, afin de contr8ler l'activité du hautfourneau.