Brevet FR2619905A1 — publié le 19890303

i 2619905 PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA POSITION DES LIGNES DE COURANT ET DES POINTES D'ELECTRODES DANS UN FOUR ELECTRIQUE POLYPHASE, A ARC SUBMERGE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de la position des lignes de courant et des pointes d'électrodes dans un four électrique à arc submergé. Elle s'applique en particulier aux fours à arc polyphasés utilisés en électrométallurgie pour la production d'aciers, de ferro-alliages et de divers produits électro- fondus métalliques ou oxydés. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Pour assurer une marche optimale d'un four à arc, l'exploitant souhaite connaître à tout moment la position de la pointe de chaque électrode par rapport à la sole du four ou, dans certains cas, par rapport ài d'autres repères tels que le trou de coulée ou la surface du bain fondu de métal ou de laitier, ou le fond du creuset. Ces renseignements sont importants dans le cas de la conduite de fours à arcs, particulièrement pour les fours de réduction carbothermique en triphasé à arc submergé. Les moyens de mesure directe sont, i l'heure actuelle, restreints, faute de matériel suffisamment résistant aux températures élevées régnant dans le creuset. La longueur d'électrode est estimée en général en arrftant le four et en relevant les électrodes, mais ceci est source de perturbations car on provoque un refroidissement du creuset et on risque de faire descendre de la charge sous les électrodes. Les moyens indirects consistent en général à calculer la position de l'électrode en tenant compte du glissement de celle-ci, de la position des colliers et d'une consommation moyenne estimée. On peut aussi essayer d'établir des relations empiriques entre la position des électrodes et certains paramètres électriques, mais la précision du résultat obtenu est très insuffisante. D'autres indices, plus qualitatifs, peuvent être déduits du comportement général du four et utilisés, mais leur exploitation systématique est délicate. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour but de déterminer la position de la pointe des électrodes et des lignes de courant circulant entre les électrodes au travers de la zone de réaction. La demanderesse a, en effet, constaté que la mesure des composantes du champ magnétique induit par les lignes de passage du courant permettait de situer avec une précision convenable la position de la pointe des électrodes et du niveau réel du fond du creuset, et cela sans perturber le fonctionnement du four, et de façon continue. Le principe de la méthode est le suivant s les composantes horizontale et verticale du champ magnétique induit par les courants circulant entre les électrodes sont mesurées autour de la cuve du four en fonctionnement. Une cartographie des champs peut être ainsi dressée. Un premier objet de l'invention est donc un procédé de mesure de la position des pointes d'électrodes et des lignes de courant circulant entre les pointes d'électrodes dans un four électrique polyphasé à arc submergé, caractérisé en ce que X - on mesure, pour chaque couple d'électrodes, au moyen d'un capteur, les valeurs de la composante horizontale Ba et de la composante verticale BV du champ magnétique le long d'un axe vertical 6 parallèle à l'axe ZZ' du four 7, équidistant des deux électrodes (E1 E2) du couple considéré et situé à proximité de la paroi externe du four. - on détermine le maximum de la composante verticale BV et le minimum de la composante horizontale BH dont la coïncidence se produit sensiblement au niveau du plan horizontal contenant la ligne 3 qui joint les pointes des deux électrodes (E1 E2) du couple considéré. Un second objet de l'invention est un dispositif de mesure de la position des pointes d'électrodes etdes lignes de courant (circulant entre les pointes d'électrodes) dans un four électrique polyphasé à arc submergé, caractérisé en ce qu'il comporte s - un capteur constitué d'au moins une sonde détectrice de la composante horizontale BH du champ magnétique et au moins une sonde détectrice de la composante verticale BV du champ magnétique, - un moyen pour mesurer BE et BV le long d'un mat vertical 10 parallèle à l'axe ZZ' du four, équidistant des deux électrodes E1 E2 d'un couple considéré, et situé à proximité de la paroi externe du four, - un moyen de déterminer la position du minimum de BH et du maximum de BV, en fonction de la position du capteur sur le mat 12. DESCRIPTION DES FIGURES Les fig. 1 à 9 illustrent l'invention. La figure 1 est un diagramme schématique des courants et des champs dans un four triphasé, alimenté en courant alternatif à 50 Hz. Les figures 2 et 3 représentent respectivement, en théorie et en pratique, l'intensité relative des composantes horizontale et verticale du champ magnétique en fonction de la hauteur du point de mesure. Les figures 4 et 5 représentent deux modes de mise en oeuvre du dispositif de mesure du champ. La figure 6 représente les deux capteurs de champ horizontal et vertical. 261990S La figure 7 est le schéma simplifié des circuits de mesure du champ. Les figures 8 et 9 représentent deux modes de réalisation des capteurs de mesure du champ. Sur la figure 1, on a représenté, de façon simplifiée, par de simples traits, les trois électrodes El, E2, E3 du four alimentées par des barres 2 elles-mêmes reliées aux secondaires d'un transformateur non représenté. On a représenté par des traits 3 les lignes théoriques de courant circulant entre les pointes P1, P2, P3 des électrodes El, E2, E3, le courant circulant dans chaque barre 23 induit un champ vertical 4, et le courant J circulant dans chaque électrode 1 induit un champ horizontal 5. On considère un axe vertical 6 (parallèle à l'axe ZZ' du four) et situé à une distance d de l'axe du four. La ligne de champ constant sera constituée par un arc de cercle de rayon r, dont le centre M est le milieu de la ligne de courant 3 circulant, par exemple entre P1 et P2 Si l'ondéplace un capteur le long de l'axe 6, à partir d'une origine A, située dans le plan contenant les 3 pointes d'électrodes (plan supposé horizontal pour simplifier l'exposé), on observera des variations de part et d'autre d'une valeur maximale pour le champ vertical et minimale pour le champ horizontal. En un point B donné, situé à une hauteur h au-dessus du plan de référence, on mesurera d'autres valeurs BE et BV des composantes horizontales et verticales du champ magnétique. Ce qui vient d'être dit pour un four triphasé, en considérant les trois couples d'électrodes E1 E2, E2 E3 et E1 E3 s'applique de façon identique à un four diphasé comportant deux électrodes E1 E2. Nous avons trouvé que l'on pouvait avoir des résultats aisément exploitables en procédant de la façon suivante: - le long d'une verticale, équidistante de deux électrodes, proche de la paroi externe du four (5 à 100 cm), on mesure à intervalles de hauteur réguliers (2 à 10 cm) les composantes du champ magnétique m horizontales, BE, et verticales, BV, situées dans le plan médian des deux électrodes. La mesure peut être répétée, dans le cas d'un four triphasé, pour chaque couple d'électrodes. Si l'on ne considère que la ligne de courant horizontale joignant la pointe des deux électrodes envisagées, la composante du champ horizontale BE passant par l'axe du four, et celle de champ verticale BV, peuvent, en première approximation, se mettre sous la forme: BH h xK (d2+ h2)3/2 BV d x K EV= (d2+ h2)3/2 h = hauteur, positive ou négative, prise par rapport à une origine correspondant à la position de la pointe des électrodes. d - distance à laquelle est effectuée la mesure par rapport au plan défini par les deux électrodes considérées. (K = constante) Lorsqu'on se déplace verticalement à distance d constante, (de l'axe du four), on obtient, en fonction de h, hauteur, les courbes théoriques de la figure 2. En pratique, compte tenu de l'influence des électrodes sur le champ horizontal et de celle des barres d'amenées de courant et des potences supportant ces barres, sur le champ vertical, les courbes tendent à être déformées selon le tracé de la figure 3. Le point h ' 0 (fig. 3), position des extrema de BH et BV correspond en première approximation à la position des pointes d'électrodes, ou, plus précisément, à la ligne de bouclage du courant au travers de la charge entre les électrodes (le mot "charge" désignant le mélange de produits mis en réaction dans le four, par exemple le minerai, le réducteur carboné et les additifs éventuels destinés à former le laitier). Ces courbes sont établies à intensité constante dans les électrodes, toute variation d'intensité ayant des répercussions directes sur la valeur absolue du champ. Les figures 4 et 5 montrent deux variantes d'un dispositif de mesure installé à proximité d'un four triphasé 7. Selon un premier mode de réalisation, le capteur 8, comprenant une sonde 9 pour la composante horizontale BH et une sonde 10 pour la composante verticale BV, est disposé sur un bras 11 mobile le long d'un mât vertical gradué 12, soit manuellement - treuil 13 - soit sous l'action d'un moteur (non représenté). Chaque sonde 9, 10, est reliée par un faisceau de conducteurs blindés 14, dont le blindage est relié à la terre, à l'appareillage de mesure. Le capteur 8 est, de préférence, protégé du rayonnement thermique du four par un écran 15 en aluminium poli. Dans un autre mode de réalisation (fig. 5), on dispose, le long du miât, une pluralité de capteura fixes 8, dont la hauteur est repérée, reliés par un faisceau de conducteurs blindés 14 au dispositif de mesure 15, qui comporte un multiplexeur permettant de relier séquentiellement chaque sonde au dispositif 16 de traitement des signaux. Les potentiomètres P1, P'I, P2, P'2 permettent d'ajuster le niveau des signaux captés à la sensiblité des appareils de mesure, d'enregistrement et de calcul 17, de façon à éviter toute saturation de l'appareillage tout en conservant la sensibilité maximale. Les figures 8 et 9 montrent deux modes de réalisation des sondes 9, sous forme d'une bobine ouverte 18, ou d'une double bobine 19 sur circuit magnétique en C muni d'un entrefer ouvert 20. Il est également possible d'utiliser des capteurs à effet HALL, avec des circuits de compensation de température, bien connus de l'homme de l'art. Dans les différents cas, l'origine de la mesure de hauteur des capteurs peut être choisie arbitrairement, par exemple: niveau du sol, ou niveau du fond du creuset du four. EXEMPLE DE MISE EN OEUVRE L'invention a été mise en oeuvre sur un four triphasé de 10 MW produisant du silicium par carbothermie. Les capteurs ont été disposés à une distance de la paroi du four d = 25 centimètres. Les champs mesurés varient entre O et 5.10-3 Tesla (0 et 50 gauss). En utilisant par exemple comme capteur deux bobines selon la fig.8, les signaux captés varient entre O et 1 volt alternatif. Les convertisseurs 16 donnent en sortie un courant de O à 20 milliampères continus pour un signal d'entrée de O i 1 volt alternatif. Les courbes obtenues sur l'enregistreur sont en général celles de la figure 3, des particularités de fonctionnement de certains fours pouvant en affecter la forme et faire, par exemple, parattre des extrema secondaires permettant de localiser des lignes de passage préférentiel du courant entre les électrodes. On constate que le maximum de BV se trouve pratiquement sur le mime axe que le minimum de BH, ce qui permet de localiser avec une bonne précision la position des pointes Pl P2des électrodes El E2, ou plus précisément, de la ligne de courant 3 entre les pointes P1 et P2. On vérifie, de la même façon, que la point P3 de l'électrode E3 se trouve sensiblement au mime niveau. AVANTAGES PROCURES PAR L' INVENTION De nombreux essais ont été effectués sur des fours de réduction carbothermique de différentes puissances, de 100 à 20 000 kW. Il a été possible de déterminer des passages de courant anormaux correspondant à un disfonctionnement de four. La zone réactionnelle a pu être mise en évidence ainsi que les positions probables des pointes d'électrodes et de la sole de four. De plus, l'évolution dans le temps des profils de BH et de BV en fonction de la hauteur permet de détecter des dérives de fonctionnement et de comparer des fours entre eux. Les mesures ne sont pas perturbatrices du fonctionnement du four et il serait dommage de ne pas interpréter l'information magnétique dispensée gratuitement par le four et aisément récupérable. L'usage continu et systématique de ce procédé permet d'accroltre les possibilités d'exploitation et de couplage au dispositif de régulation du four. De façon générale, l'invention permet d'établir des corrélations entre les mesures de champ et le fonctionnement du four, donc de mieux comprendre les mécanismes réactionnels, de prévoir et de corriger rapidement les anomalies de fonctionnement, et d'affiner la régulation. REVEIDICATIONS 1. Procédé de mesure de la position des lignes de courant et des pointes d'électrodes dans un four électrique polyphasé à arc submergé, caractérisé en ce que i - on mesure, pour chaque couple d'électrodes, au moyen d'un capteur, les valeurs de la composante horizontale BH et de la composante verticale BV du champ magnétique le long d'un axe vertical 6, parallèle à l'axe ZZ' du four 7, équidistant des deux électrodes (E1 E2) du couple considéré, et situé à proximité de la paroi externe du four. - on détermine le maximum de la composante verticale BV et le minimum de la composante horizontale BH dont la coincidence se produit sensiblement au niveau du plan horizontal contenant la ligne 3 qui joint les pointes des deux électrodes (E1 E2) du couple considéré. 2. Dispositif de mesure de la position des lignes de courant et des pointes d'électrodes) dans un four électrique polyphasé à arc submergé, caractérisé en ce qu'il comporte: - un capteur constitué d'au moins une sonde détectrice de la composante horizontale BH du champ magnétique et au moins une sonde détectrice de la composante verticale BV du champ magnétique. - un moyen pour mesurer BH et BV le long d'un mât vertical 10 parallèle à l'axe ZZ' du four, équidistant des deux électrodes (E1 E2) d'un couple considéré, et situé à proximité de la paroi externe du four. - un moyen de déterminer la position du minimum de BH et du maximum de BV, en fonction de la position du capteur sur le mât 12. 3. Dispositif, selon revendication 2, caractérisé en ce que le mât vertical 12 est disposté à proximité de la paroi externe du four, i équidistance des deux électrodes (E1 E2) d'un couple considéré. 4. Dispositif, selon revendication 3, caractérisé en ce que le mât vertical 12 est situé à une distance comprise entre 5 et 100 centimètres de la paroi externe du four. 5. Dispositif, selon revendication 2, caractérisé en ce que le capteur 9 est mobile le long du mat vertical 12. 6. Dispositif, selon revendication 2, caractérisé en ce que le capteur 9 est constitué par une pluralité de capteurs élémentaires fixes disposés le long du mAt vertical 12, et reliés à un multiplexeur. 7. Dispositif, selon revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque capteur comporte une bobine détectrice de la composante horizontale BH et une bobine détectrice de la composante verticale BV. 8. Dispositif, selon revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque capteur comporte un premier détecteur à effet BALL pour la composante horizontale BH, et un second détecteur à effet HALL pour la composante verticale BV.