Brevet FR2667003A1 — publié le 19920327

La présente invention concerne la mesure en continu de l'épaisseur du laitier liquide se trouvant à la surface d'un bain de métal en fusion dans un récipient métallurgique, tel qu'une lingotière de coulée continue, dans le cas de coulée avec une poudre de couverture. I1 est important de connaître l'épaisseur du laitier liquide car elle permet de déterminer la qualité de la lubrification et surtout d'évaluer les risques d'entraînement d'inclusions de poudre de couverture dans la peau d'acier. Le risque d'entraînement de poudre est en effet très grand lorsque l'épaisseur du laitier liquide sur le ménisque descend au-dessous de deux ou trois millimètres. Lors de la coulée, le métal liquide est surmonté d'une couche de laitier liquide issue de la fusion de la poudre de couverture qui est alimentée en continu dans la lingotière en cours de coulée. La poudre de couverture forme progressivement en s'échauffant une poudre frittée ou "laitier fritté, qui en approchant du métal liquide, fond pour former la couche de laitier liquide. Une première méthode connue pour mesurer l'épaisseur du laitier liquide est la méthode dite du "bifil" qui consiste à plonger un fil de cuivre et une tige du métal dont on réalise la coulée, par exemple de l'acier, dans le système métal fondu-laitier. Le cuivre fond dans une zone proche de l'interface laitier liquidepoudre tandis que l'acier fond au niveau de l'interface acier liquide-laitier liquide. On déduit l'épaisseur du laitier liquide par la mesure de la distance entre les extrémités du fil de cuivre et de la tige d'acier lorsqu'on les a retirés du système acier-laitier. I1 s'agit là de mesures ponctuelles et manuelles dont la précision est faible et qui ne permettent pas d'obtenir des valeurs instantanées fiables et surtout d'effectuer une mesure en continu. I1 a également été proposé et décrit dans la demande de brevet français n" 89 11 994 au nom du titulaire de la présente demande, un dispositif de mesure en continu utilisant un capteur de température asservi en position sur l'isotherme correpondant à l'interface laitier liquide-poudre, ce qui permet de déterminer le niveau de cette interface. Le niveau de l'interface laitier liquide-métal étant par ailleurs déterminé, par exemple par mesure au moyen d'un dispositif comportant une bobine à courants de Foucault, on peut en déduire, par différence de ces niveaux, l'épaisseur de la couche de laitier liquide. Toutefois les capteurs du type à courants de Foucault sont relativement fragiles et leur utilisation dans la lingotière d'une installation de coulée continue nécessite des précautions pour éviter leur détérioration, ce qui rend leur utilisation difficilement envisageable en milieu industriel. De plus, l'épaisseur de la couche de laitier liquide et celle de poudre, la nécessité de placer le capteur hors de cette couche, et celle de tenir compte de variatiions de niveau du métal qui peuvent être importantes, conduisent à placer le capteur à une distance relativement importante de l'acier, ce qui réduit la précision de la mesure. L'invention a donc pour but de proposer un procédé et un dispositif qui permettent de mesurer en continu, avec une précision et une fiabilité suffisantes, l'épaisseur du laitier liquide au niveau du ménisque. Selon l'invention, on procède de la manière suivante a) on plonge deux capteurs de température dans le laitier liquide en maintenant constante la différence de niveau entre ces deux capteurs et on enregistre les valeurs des températures indiquées par les capteurs b) on détermine la température de l'interface métal fondu-laitier liquide ; c) on calcule par extrapolation à partir d'une courbe prédéterminée représentative du gradient de la température en fonction du niveau dans le laitier liquide, la différence de niveau correspondant à la différence de température entre les températures isothermes des deux interfaces laitier liquide-poudre et métal fondu-laitier liquide. Cette méthode de mesure est basée sur l'existence d'une relation dans la couche de laitier, entre la distance verticale entre deux points de cette couche et la différence de température entre ces points. On peut admettre que les transferts thermiques ne s'effectuent que par conduction dans le laitier liquide et que par conséquent cette relation est linéaire. Préférentiellement, on asservit l'un des capteurs en position sur un isotherme du laitier liquide pour maintenir sa température mesurée constante, ce qui permet de garantir le positionnement des capteurs de température dans ce laitier liquide, quelles que soient les variations de niveau du métal ou du laitier, dans la mesure bien sûr où l'épaisseur de la couche de laitier reste supérieure à la différence de niveau entre les capteurs. La mesure ainsi réalisée est indépendante de l'imprécision de l'asservissement des capteurs de température et on peut donc obtenir des valeurs fiables avec une faible constante de temps. De plus, la mesure étant une mesure-différentielle entre deux capteurs soumis aux mêmes conditions, la marge d'erreur est fortement réduite. La température d'asservissement du capteur peut aussi être choisie pour correspondre à l'isotherme de l'une des interfaces. Dans ce cas, l'autre capteur est disposé au-dessus ou au-dessous du capteur asservi selon l'interface qui a été choisie. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité qui est caractérisé en ce qu'il comporte deux capteurs de température préférentiellement identiques, situés à une distance verticale prédéterminée l'un de l'autre, et des moyens de calcul pour calculer par extrapolation, à partir d'une courbe prédéterminée représentative du gradient de température en fonction du niveau dans le laitier liquide, la différence de niveau correspondant à la différence de température entre les températures isothermes des deux interfaces laitier liquide-poudre et métal fondu-laitier liquide. Préférentiellement les capteurs de température sont portés par un support mobile en translation verticale dant le déplacement est commandé par un circuit d'asservissement recevant le signal de mesure d'un des capteurs et un signal de référence de température fixe et asservissant la position du support mobile pour que le signal de mesure soit égal au signal de référence. Avantageusement, les capteurs sont constitués par des thermocouples, par exemple des thermocouples chromel-alumel ou des thermocouples platine, protégés par une gaine en alumine. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de mesure en continu de l'épaisseur du laitier conforme à la présente invention ; et - la figure 2 est un diagramme expliquant la méthode de détermination de l'épaisseur du laitier. On voit sur la figure 1, représentée de manière schématique, une lingotière de coulée continue 1 dans laquelle se trouve un bain 2 de métal en fusion, par exemple de l'acier. L'acier liquide 2 est séparé par un ménisque 3 d'une couche de laitier liquide 4 qui est elle-même surmontée d'une couche de poudre 5. Conformément à l'invention, un support 6 mobile en translation comporte deux tiges verticales inférieures 7 et 8. A leurs extrémités libres inférieures, ces tiges supportent chacune un capteur de température 7' respectivement 8' constitué par un thermocouple ; les extrémités inférieures des tiges 7 et 8 plongent dans la couche de laitier liquide 4. Le support 6 est mobile en translation verticale au moyen d'un moteur électrique 9 qui est commandé de manière à asservir la position d'un des thermocouples, par exemple le thermocouple 7' se trouvant à l'extrémité de la tige 7. Cet asservissement est réalisé de manière à maintenir la température mesurée par ce capteur constante et on prévoit à cet effet un circuit de régulation comprenant un comparateur 11 recevant d'une part un signal de consigne correspondant à une température constante prédéterminée, supérieure ou égale à la température de fusion de la poudre et inférieure à la température du métal coulé, et d'autre part la température mesurée par le capteur 7' se trouvant à l'extrémité de la tige 7. Le signal de correction fourni par ce comparateur 11 agit sur un circuit de régulation 12 qui fournit des signaux de commande du moteur 9. Dans l'exemple montré sur les dessins, l'asservissement est réglé pour une température correspondant à l'isotherme de l'interface 13 séparant le laitier liquide 4 du laitier fritté 5. Le deuxième capteur thermique 8' qui est fixé à l'extrémité de la tige 8 est situé à un niveau différent dans le laitier liquide par rapport au niveau du premier capteur 7' asservi placé sur la tige 7. La différence d de niveau entre les deux capteurs 7' et 8' est constante et la position relative des deux capteurs est telle que le deuxième capteur se trouve toujours dans le laitier liquide. Dans le cas où le premier capteur 7' asservi se trouve dans la zone de l'interface 13, le niveau du deuxième capteur est plus bas que celui du premier capteur. Avantageusement, cette distance entre les capteurs est égale à deux ou trois millimètres dans le cas de la coulée de l'acier. La mesure de l'épaisseur E de la couche de laitier liquide 4 est obtenue de la manière suivante. Comme indiqué plus haut, le capteur 7' se trouvant à l'extrémité de la tige 7 est asservi en position grâce au moteur 9 et aux éléments 11 et 12 qui agissent sur le moteur pour déplacer les capteurs de manière que la température Tf fournie par ce capteur 7' reste constante. A tout moment, on peut mesurer les températures Tf, Tm fournies respectivement par les deux capteurs 7' et 8' disposés aux extrémités libres des tiges 7 et 8 et on peut en déduire la différence de température D du laitier liquide entre les niveaux respectifs des deux capteurs. On peut admettre que les transferts thermiques ne s'effectuent que par conduction dans le laitier liquide et par conséquent, on peut définir un gradient de variation de température en fonction de la différence de niveau dans le laitier liquide. En d'autres termes, la relation entre la température à un certain niveau du laitier liquide est alors une fonction linéaire de ce niveau. On connaît de maniere relativement précise l'isotherme correspondant à l'interface 13 laitier liquide-poudre. L'interface 13 est à la température de fusion de la poudre de couverture qui est fonction de sa composition et qui est par exemple de 1100 0C à 1200 C. La température Ta de l'interface 3 acier liquide-laitier liquide peut être estimée à partir de la mesure de la température de l'acier coulé en poche ou répartiteur. Couramment cette température est voisine du liquidus, c'est-à-dire environ 1600 C pour l'acier. Le gradient de température est déterminé par le quotient de la différence D de température entre les deux capteurs et la différence de niveau d entre les deux capteurs ; connaissant la différence des températures Ta de l'interface 3 et Tf de l'interface 13, on peut en déduire par extrapolation linéaire l'épaisseur totale E de la couche de laitier liquide 4 comme illustrée sur la figure 2. A cet effet, les valeurs de mesures fournies par les deux thermocouples sont envoyées dans un circuit 14 de traitement qui effectue les calculs précités. La valeur d'épaisseur obtenue est par exemple affichée sur un dispositif d'affichage 15 et elle peut être utilisée pour engendrer un signal d'alarme lorsque cette épaisseur descend en dessous d'une valeur prédéterminée. Le circuit de traitement 14 comprend un circuit d'entrée permettant de le régler en fonction des températures isothermes des deux interfaces. Si l'on utilise deux thermocouples identiques, par exemple des thermocouples platine ou chromel-alumel, et si ces deux capteurs sont protégés par des gaines identiques, par exemple en alumine, la mesure différentielle des températures fournie par les deux capteurs sera affranchie d'un certain nombre de sources d'erreurs et, par suite, relativement précise. Par ailleurs, la différence de niveau d peut être déterminée avec précision. Il en résulte que l'on peut obtenir une mesure relativement précise de l'épaisseur totale E de la couche de laitier liquide 4. Dans le cas où l'on choisit la température de référence supérieure à la température de fusion de la poudre, et donc où le capteur 7' est en dessous de l'interface 13 laitier liquide poudre, le fait que l'asservissement ne soit pas parfait n'intervient pas sur la mesure puisqu'il s'agit d'une mesure différentielle entre les deux capteurs et l'on affranchit donc des problèmes de constantes de temps de réponse. Par conséquent, l'invention permet de réaliser une mesure en continu de l'épaisseur du laitier qui est précise, fiable et indépendante des problèmes de constantes de temps du dispositif d'asservissement. Bien entendu l'invention s'applique de manière similaire dans le cas où la relation entre la température et le niveau dans le laitier liquide n'est pas linéaire. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure en continu de l'épaisseur du laitier liquide (4) à la surface d'un bain de métal en fusion (2) dans un récipient métallique (1), tel qu'une lingotière de coulée continue, le laitier liquide étant formé à partir d'une couche de poudre (5) qui le surmonte et compris entre une première interface laitier liquidepoudre (13) et une seconde interface métal fondu-laitier liquide (3), caractérisé en ce que a) on plonge deux capteurs de température (7',8') dans le laitier liquide en maintenant constante la différence de niveau entre ces deux capteurs, et on enregistre les valeurs des températures indiquées par ces capteurs b) on détermine la température de l'interface métal fondu-laitier liquide c) on calcule par extrapolation à partir d'une courbe prédéterminée représentative du gradient de la température en fonction du niveau dans le laitier liquide, la différence de niveau correspondant à la différence de température entre les températures isothermes des deux interfaces précitées (3,13). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on asservit l'un des capteurs (7') en position sur un isotherme du laitier liquide pour maintenir sa température mesurée constante. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température d'asservissement de l'un des capteurs (7') correspond à l'isotherme de l'une des interfaces précitées. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température d'asservissement du capteur de température (7') correspond à l'isotherme de l'interface laitier liquide-poudre (13). 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte deux capteurs de température (7',8') préférentiellement identiques, situés à une distance verticale prédéterminée l'un de l'autre, et des moyens de calcul (14) pour calculer par extrapolation, à partir d'une courbe prédéterminée représentative du gradient de température en fonction du niveau dans le laitier liquide, la différence de niveau correspondant à la différence de température entre les températures isothermes des deux interfaces laitier liquide-poudre et métal fondu-laitier liquide. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les capteurs (7',8') sont portés par un support (6-8) mobile en translation verticale dont le déplacement est commandé par un circuit d'asservissement (11,12) recevant le signal de mesure d'un des capteurs et un signal de référence de température fixe et asservissant la position du support mobile pour que le signal de mesure soit égal au signal de référence. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les capteurs sont des thermocouples (7',8'). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les thermocouples (7',8') sont des thermocouples chromel-alumel. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les thermocouples (7',8') sont des thermocouples platine. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les thermocouples (7',8') sont protégés par une gaine en alumine.