Brevet FR2605396A1 — publié le 19880422

SONDE TUBULAIRE REFROIDIE DESTINEE AU SONDAGE DANS UN FOUR DE FUSION REDUCTION La présente invention a pour objet une sonde refroidie pour sondage dans un four de fusion réduction, le refroidissement étant assuré par circulation d'un fluide réfrigérant dans la paroi de ladite sonde. On connaît déjà des sondes de ce type utilisée pour des opérations de mesure ou de préLèvement dans des parties très chaudes de four, par exemple lors de sondage-tuyère dans un haut-fourneau sidérurgique. Cette dernière opération consiste à introduire une sonde par l'orifice d'une tuyère de soufflage du vent au travers du busillon qui est, à cette fin, muni d'un dispositif d'étanchéité pour éviter un échappement des gaz internes, sous pression et à haute température, du haut-fourneau. Le sondage peut dans ce cas consister à faire des mesures ou préLèvements gazeux dans La cavité qui se forme naturellement juste devant la tuyère, mais on peut également introduire la sonde plus profondément dans le haut-fourneau jusqu a pénétrer dans l"'homme mort" qui est un massif de matières carbonées solides, situé au centre du haut-fourneau au-dessus du creuset et qui présente une forte résistance à La pénétration de la sonde. Un cas similaire se présente dans d'autres fours de fusion réduction lorsque la sonde traverse des zones dans lesquelles se trouvent des matériaux solides non encore fluidisés, tels que des matériaux de chargement non fondus. Les sondes ont généralement une forme tubulaire cylindrique et leur longueur est fonction de la profondeur souhaitée d'introduction dans le four. Pour un sondage au coeur de L'homme mort d'un haut-fourneau sidérurgique de grande taille, La longueur de la sonde peut par exemple dépasser une dizaine de mètres. Pour faire pénétrer de telles sondes dans le four, on utilise un banc d'implantation pourvu d'un chariot sur lequel L'extrémité arrière de la sonde est fixée. Des moteurs entraînent le chariot en translation et font donc avancer la sonde vers L'intérieur du four. Ces moteurs doivent être suffisamment puissants pour vaincre la résistance des matériaux à L'intérieur du four à la pénétration de la sonde. L'effort nécessaire peut dans le cas précité de sondage dans L'homme mort du haut-fourneau avoisiner 100 000 N pour une sonde de 90 mm de diamètre environ. Les sondes utilisées pour des sondages dans les parties très chaudes des fours doivent être capables en outre de résister à des températures très élevées. Dans ce but, elles sont refroidies par circulation d'un fluide réfrigérant injecté par L'extrémité de La sonde qui reste hors du four. Lorsque l'on veut conserver la disponibilité de L'intérieur de la sonde, par exemple pour y placer des appareils de mesure, et que L'on ne veut pas modifier les conditions régnant dans le four à proximité du nez de sonde, on ne peut se contenter d'injecter dans la sonde un fluide réfrigérant perdu qui s'échapperait dans le four par le nez de sonde. De plus, on ne pourrait dans ce cas effectuer un prélévement de gaz par aspiration tout en assurant le refroidissement. On utilise alors des sondes tubulaires, dans lesquelles le refroidissement est assuré par circulation du fluide réfrigérant entre une paroi externe et une paroi interne reliées au niveau du nez de sonde, et entre lesquelles est interposée une cloison intermédiaire formant un passage de fluide annulaire externe et un passage annulaire interne coaxial. -Pour des raisons de fabrication de la sonde et surtout pour conserver constante la section de passage du fluide réfrigérant dans Le nez de sonde, la cloison intermédiaire est rigidement maintenue sans possibiLité de dépLacement axial par rapport au nez de sonde. Le fluide est injecté à L'extrémité arrière de la sonde, généralement dans le passage (ou canal) externe, circule jusqu'au nez de sonde et revient par le passage (ou canal) interne.La circulation du fluide dans le sens précité est favorable à un refroidissement énergique de la paroi externe de la sonde. Une circulation inversée peut également être réalisée. Une sonde de ce type comporte une entrée de fluide dans Le canal externe et une sortie du fluide du canal interne. IL est donc nécessaire d'assurer L'étanchéité entre entrée et sortie, c'est-à-dire, en pratique, entre la paroi externe et la cloison intermédiaire. Pour cela un joint est placé entre les deux. Pour assurer une bonne efficacité du joint, la zone de portée de celui-ci est légèrement prohéminente par rapport à la paroi sur laquelle elle se trouve et cette portée est rectifiée pour lui donner une surface lisse et sans défauts. Cependant, la paroi externe, directement soumise aux hautes températures, est beaucoup plus chaude que la cloison intermédiaire et, donc, se dilate plus fortement. Pour tenir compte de cette dilatation différentielle, particulièrement sensible lorsque la sonde est longue, il est prévu que le joint dispose d'une portée d'une certaine longueur axiale de façon å assurer une bonne étanchéité, quelle que soit l'augmentation relative de longueur de la paroi externe par rapport à la cloison intermédiaire. Dans le cas où le joint est fixe dans la paroi externe, sa portée étant sur la cloison intermédiaire, ladite portée s'étend donc vers L'arrière de la sonde, c'est-à-dire vers l'extrémite opposée au nez de sonde. Or, on a découvert non sans surprise que dans certaines applications, après des introductions répétées de la sonde dans le four, des fuites se manifestaient au niveau du joint d'étanchéité. Un des buts de la présente invention est de résoudre les problèmes inattendus décrits ci-dessus auxquels on se heurte lors de sondages à haute température et avec un effort de pénétration de la sonde important. Un autre but de L'invention est d'assurer le refroidissement fiable d'une sonde à parois refroidies et ceci quelles que soient les conditions de température et de contraintes de compression auxquelles elle est soumise. Afin d'atteindre ces buts, L'invention a pour objet une sonde tubulaire refroidie utilisée pour des sondages dans des zones chaudes contenant des matières au moins partiellement solides d'un four de fusion réduction tel qu'un haut-fourneau sidérurgique, Ladite sonde comportant trois parois coaxiales de forme clin~ drique, la paroi extérieure et la paroi intérieure étant reliées à L'extrémité ou nez de sonde, et la paroi ou cloison intermédiaire étant axialement fixe par rapport au nez de sonde et formant respectivement avec la paroi extérieure et la paroi interne des canaux concentriques de section annulaire, qui communiquent grâce à des passages ménagés dans le nez de sonde à L'extrémité de la cloison intermédiaire, pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement, ladite sonde comportant vers son extrémité arrière opposée au nez de sonde les entrée/sortie du fluide, séparées par un joint d'étanchéité placé entre la paroi extérieure et la cloison intermédiaire, sonde caractérisée en ce que le joint d'étanchéité est du type joint d'étanchéité en translation et que la portée dudit joint s'étend partir de la position axiale du joint Lorsque La sonde est neuve et à température ambiante uniforme, dans le sens du dépLacement relatif de la paroi sur laquelle se trouve la portée du joint par rapport à la paroi sur laquelle est maintenu ledit joint, lorsque le paroi extérieure s'allonge par rapport à la cloison intermédiaire.Ladite distance est avantageusement superieure à n fois la variation de longueur subie par le tube extérieur lorsqu'il est ramené à la température ambiante après avoir été chauffé sans pouvoir se dilater axialement, n étant le nombre d'utilisations souhaitées pour une même sonde. Pratiquement, la portée du joint s'étend vers le nez de sonde dans le cas où le joint est maintenu sur la paroi extérieure, la portée étant alors réalisée sur la cloison intermédiaire. Dans le cas où le joint est maintenu sur la cloison intermédiaire, sa portée étant alors réalisée dans la paroi extérieure, ladite portée s'étend vers l'extrémité arrière de la sonde. Les inventeurs ont compris que, contrairement à ce qui était prévu par l'étude des phénomènes de dilatation, l'étanchéité était défaillante à cause du déplacement relatif du joint par rapport à sa portée dans le sens opposé à celui qui était déterminé par la dilatation de la paroi externe. Plus précisément la fuite se manifestait au retrait de la sonde, lors de son refroidissement, c'est-à-dire que l'étanchéité était conservée pendant le temps d'implantation de la sonde dans le four à haute température et que le joint ne portait plus correctement lorsque la sonde se refroidissait. Une hypothèse a été formulée pour expliquer ce phénomène contraire aux prévisions. Selon cette hypothèse, la sonde serait en fait soumise å l'équivalent d'une "chaude de retrait" connue des chaudronniers, et qui, pour ceux-ci, consiste à aplanir une tale par refroidissement après un chauffage pendant lequel la dilatation de ladite tôle est volontairement limitée. Ce phénomène pourrait s'appliquer à la sonde et s'expliquerait par le fait que, à l'introduction de la sonde dans une masse résistante, L'effort appliqué sur la sonde, uniquement sur sa paroi externe, empêche la dilatation axiale de cette dernière alors qu'elle est portée à une température élevée. Si, par la suite, la sonde est refroidie, elle se rétracte alors, entraînant une diminution de la longueur de sa paroi externe. Cette diminution de longueur a pu être constatée lors d'une série d'essais de sondage réalisés dans l'homme mort d'un haut-fourneau et explique te déplacement relatif du joint et de sa portée. Grâce à L'invention, on assure l'étanchéité entre le circuit d'arrivée d'eau et le circuit de retour et de sortie, quelles que soient les variations de température auxquelles est soumis le tube extérieur et quels que soient les efforts de poussée auxquels la sonde est soumise lors de son introduction. En particulier on assure L'étanchéité même après plusieurs introductions répétitives de la sonde dans le four et lorsque, après l'avoir retirée du four et ramenée à La température ambiante, il s'averse que le tube extérieur a subi une diminution sensible de sa longueur. L'invention sera mieux comprise par la description qui va être faite d'une sonde comportant un système d'étanchéité conforme à L'invention, en liaison avec les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la partie avant de la sonde équipée de son nez de sonde ; - la figure 2 montre la partie terminale arrière de la sonde représentée sur la figure 1. La sonde décrite à titre d'exemple est utilisée pour le sondage par les tuyères de soufflage du vent dans un haut-fourneau sidérurgique. Une telle sonde est introduite dans le haut-fourneau par l'orifice d'une tuyère, celle-ci étant pourvue à cet effet d'un dispositif de guidage et d'étanchéité. La pénétration de la sonde est assurée par un banc de poussée comportant des moyens d'entraînement permettant d'exercer sur la sonde à son extrémité arrière l'effort nécessaire à L'avancée de la sonde. Cet effort provient du fait que la sonde pénètre dans "l'homme mort" au coeur du haut-fourneau, qui est un massif comportant essentiellement des matériaux sous forme solide et opposant donc une forte résistance à la pénétration de la sonde. Pour situer plus aisément la sonde décrite, il est précise qu'elle a un diamètre extérieur d'environ 90 mm pour une longueur de plus de 12 m. La sonde est constituée d'un tube extérieur 1, d'un tube intermédiaire 2 et d'un tube intérieur 3, ces trois tubes étant cylindriques et coaxiaux. Les tubes extérieur 1 et intérieur 3 sont reliés à Leur extrémité par soudure sur une pièce formant le nez 4 de la sonde. Ce nez forme donc une pièce cylindrique aLésée au diamètre intérieur du tube intérieur 3 et comportant un évidement annulaire 5. Un bouchon 6 expulsable ferme l'orifice d'extrémité de la sonde et protège, en cours d'introduction de celle-ci, les divers appareillages de mesure qui peuvent être mis en place dans L'espace central de la sonde. Le tube intermédiaire 2 est maintenu entre les deux tubes intérieur 3 et extérieur 1 au moyen de cales 7 réparties circonférentiellement entre les tubes et sur toute la longueur de ceux-ci (seules deux cales ont été représentées sur le dessin). L'extrémité du tube intermédiaire 2 est soudée sur une pièce cylindrique 8 qui est positionnée avec précision et maintenue dans L'évidement 5 du nez de sonde au moyen de taquets 9. De cette façon, la section de passage du fluide réfrigérant entre les tubes est maintenue constante sur toute la longueur refroidie et surtout, quelle que soit la température, au niveau du nez de sonde. En effet, la constance de la section de passage est souhaitable pour conserver une vitesse du fluide réfrigérant suffisante au refroidissement correct du nez de sonde. Un jeu de brides d'assemblage 10 raccorde l'extrémité arrière du tube extérieur 1 à un second tube extérieur 11 prolongeant ledit tube extérieur 1 et portant un piquage 12 d'arrivée de l'eau de refroidissement. Ce second tube extérieur 11 porte également deux brides d'entraînement 13 soudées sur celui-ci et sur lesquelles prennent appui des étriers du système d'entraînement en translation de la sonde. Un troisième tube extérieur 14 est également relié par un second jeu de brides d'assemblage 15 au deuxième tube 11 et dans le prolongement de celui-ci. Ce troisième tube extérieur 14 porte aussi un piquage 16 de sortie de l'eau de refroidissement. Au niveau de ce piquage de sortie 16 une découpe 17 est réalisée latéralement dans le tube intermédiaire 2 pour mettre en communication L'espace annulaire compris entre le tube intermédiaire 2 et le tube intérieur 3 avec ledit piquage de sortie 16. Le tube extérieur se prolonge encore par une quatrième portion de tube 18 reliée également au troisième tube 14 par un troisième jeu de brides d'assemblage 19 et porte aussi deux brides soudées 20 similaires et ayant la même fonction que les brides d'entraînement 13 soudées sur le deuxième tube extérieur 11. L'étanchéité entre les différentes parties du tube extérieur 1, 11, 14, 18 est assurée par des joints 21 placés entre Les deux brides de chaque jeu de brides d'assemblage 10, 15, 19. L'étanchéité entre les circuits d'arrivée et de sortie d'eau est réalisée au niveau du deuxième jeu de brides 15 par un joint à Lièvres 22 placé dans un logement annulaire usiné dans une des brides d'assemblage 15 et en contact avec une portée 23 constituée d'une portion de tube rectifiée extérieurement, entourant le tube intermédiaire 2 et soudée sur celui-ci. Cette portée 23 a une longueur telle et est positionnée sur le tube intermédiaire 2 de façon que, lors de la fabrication et de L'assemblage initial des diverses parties de la sonde, une partie de Ladite portée 23, située à droite, selon le dessin, de la position du joint 22, s'étend sur une longueur suffisante pour assurer l'étanchéité en cas de dilatation du tube extérieur 1 plus forte que celle du tube intermédiaire et, surtout, conformément à L'invention, de façon que la partie de la portée 23 située à gauche, vers le nez de sonde 6, de la position du joint 22, s'étend vers ledit nez de sonde 6 sur une longueur relativement importante déterminée en fonction du nombre "n" de pénétrations dans le four souhaitées pour la sonde considérée et du retrait longitudinal "l" mesuré de façon expérimentale sur un tube soumis aux conditions d'utilisation de la sonde.Si "I" est le retrait moyen observé à la suite d'une utilisation de ce type, on fixera la longueur de la partie de la portée 23 s'étendant vers le nez de sonde à partir de la position du joint 22 à une valeur égale ou supérieure au produit "n x I". On pourra ainsi effectuer avec la sonde considérée "n" pénétrations sans que l'étanchéité ne soit compromise. Le même système d'étanchéité est réalisé au niveau du troisième jeu de bride 19 pour assurer l'étanchéité entre le circuit de sortie d'eau et l'extérieur de la sonde. L'espace annulaire entre le tube intermédiaire 2 et le tube intérieur 3 est obturé à l'extrémité arrière de la sonde par une bague 24 soudée sur chacun desdits tubes, cette bague comportant des moyens non représentés pour introduire dans la sonde les appareils de mesure souhaités ou pour effectuer divers prélèvements lors du sondage. Bien entendu, L'invention n'est pas limitée à la sonde décrite ci-dessus à titre d'exemple. Les divers assemblages et leur répartition pourront être modifiés, de même que le type et l'emplacement des joints d'étanchéité. En particulier, les joints 22 pourront avoir leur logement sur le tube intermédiaire et Leur portée réalisée par alésage à l'intérieur du tube extérieur, la portée s'étendant alors vers L'extrémité arrière de la sonde. REVENDICATIONS 1. Sonde tubulaire refroidie utilisée pour des sondages dans des zones chaudes contenant des matières au moins partiellement solides d'un four de fusion réduction tel qu'un haut-fourneau sidérurgique, ladite sonde comportant trois parois coaxiales de forme cylindrique, la paroi extérieure (1) et la paroi intérieure (3) étant reliées à l'extrémité ou nez de sonde (6), et la paroi ou cloison intermédiaire (2) étant axialement fixe par rapport au nez de sonde (6) et formant respectivement avec la paroi extérieure (1) et la paroi interne (3) des canaux concentriques de section annulaire, qui communiquent par des passages ménagés dans le nez de sonde (6) à l'extrémité de la cloison intermédiaire (2), pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement, ladite sonde comportant vers son extrémité arrière opposée au nez de sonde les entrée/sortie (12, 16) du fluide séparées par un joint d'étanchéité (22) placé entre la paroi extérieure (1) et la cloison intermédiaire (2), caractérisée en ce que ledit joint d'étanchéité est du type joint d'étanchéité en translation et que la portée (23) dudit joint s'étend, à partir de la position axiale du joint lorsque la sonde est neuve et à température ambiante, dans le sens du déplacement relatif, considéré lorsque la paroi extérieure s'allonge par rapport à la cloison intermédiaire, de la paroi sur laquelle se trouve la portée (23) du joint (22) par rapport à la paroi sur laquelle est maintenu ledit joint. 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portée (23) s'étend ainsi sur une distance supérieure à n fois la variation de longueur subie par la paroi extérieure (1) lorsqu'elle est ramenée à la température ambiante après avoir été chauffée sans pouvoir se dilater axialement, n étant le nombre d'utilisations souhaitées pour une même sonde. 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le joint (22) est maintenu sur la paroi extérieure (1, 11, 14), la portée (23) étant alors réalisée sur la cloison intermédiaire (2) et s'étendant vers le nez de sonde (6). 4. Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que la portée (23) du joint d'étanchéité (22) est constituée d'une pièce tubulaire rapportée et soudée sur la cloison intermédiaire (2).