Brevet FR2681691A1 — publié le 19930326

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA TENEUR EN GAZ DE L'ATMOSPHERE D'UN FOUR La présente invention concerne le domaine de l'analyse des gaz à l'intérieur des fours, notamment des fours métallurgiques. Lorsqu'un produit métallurgique, tel qu'une brame, un bloom ou une billette d'acier, chemine dans un four de réchauffage ou de traitement thermique, l'atmosphère avec laquelle il entre en contact a une influence importante sur la qualité finale de ce produit. En particulier, une atmosphère excessivement oxydante au voisinage de la surface du produit conduit à la formation de calamine sur cette surface. Cette formation entraîne la consommation d'une quantité non négligeable de métal. De plus, si elle se forme sur une brame ou un bloom dans un four de réchauffage, la couche de calamine perturbe le bon déroulement du laminage ultérieur du produit. Si elle se forme dans un four de recuit continu d'une tôle en défilement, c'est le déroulement de l'opération de recuit elle-même qui risque d'être altéré par rapport au cycle thermique prévu. Enfin, particulièrement dans le cas des aciers inox austénitiques, une atmosphère oxydante peut entrainer la formation de défauts superficiels nommés "slivers" qui consistent en des traces blanches en forme de chevrons. Ces traces sont dues à la combinaison d'une décarburation superficielle et d'une formation de calamine. I1 est donc important pour l'opérateur, chargé de la conduite du four, de connaître la correspondance entre les conditions de marche du four et la composition de son atmosphère, et donc de disposer de moyens fiables pour la détermination de cette composition. Actuellement, l'analyse de l'atmosphère est effectuée au moyen de sondes fixes refroidies, introduites à travers les parois des fours. Ces sondes prélèvent des gaz qui sont transmis à un analyseur situé hors du four. Le principal inconvénient de telles sondes est que les prélèvements ne sont pas, en général, effectués au voisinage des produits. Ils ne sont donc pas représentatifs de l'atmosphère qui est directement responsable des éventuelles dégradations de la surface des produits. Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'analyse de l'atmosphère d'un four métallurgique fournissant une analyse représentative de celle des gaz qui sont directement au contact de la surface des produits, pendant que ceux-ci progressent à l'intérieur du four. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'analyse de l'atmosphère d'un four de réchauffage, notamment d'un produit métallurgique en défilement, caractérisé en ce qu'on dispose sur le produit lui-même des moyens pour prélever des échantillons de ladite atmosphère du voisinage dudit produit, et des moyens pour déterminer la concentration d'au moins un gaz dans ladite atmosphère. Les résultats de ces déterminations peuvent être transmis hors du four en temps réel à un opérateur, ou enregistrés dans des moyens d'enregistrement eux-mêmes disposés sur le produit. L'invention a également pour objet un dispositif d'analyse de l'atmosphère d'un four de réchauffage, notamment d'un produit métallurgique, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour prélever des échantillons de ladite atmosphère au voisinage dudit produit - des moyens pour transmettre lesdits échantillons à des organes d'analyse,lesdits organes comportant au moins une pile électrochimique permettant la détection d'une espèce gazeuse déterminée et des moyens de détermination de sa concentration dans lesdits échantillons - des moyens permettant la restitution à l'opérateur des résultats desdites déterminations - et des moyens pour maintenir les élements précédents sur le produit et pour isoler thermiquement du milieu ambiant au moins une partie d'entre eux. Comme on l'aura compris, l'invention permet de disposer les moyens d'analyse de l'atmosphère du four sur le produit qui y séjourne. On peut ainsi obtenir la composition de l'atmosphère au voisinage immédiat du produit. Dans le cas où le produit est mobile à l'intérieur du four, les moyens d'analyse se déplacent avec lui. Les résultats de ces analyses sont, soit transmis en temps réel à des moyens classiques situés hors du four et permettant leur réception et leur restitution immédiate à l'opérateur, soit mémorisés dans un appareillage adéquat classique se déplaçant lui aussi avec le produit. Dans ce dernier cas, la restitution des résultats à l'opérateur ne peut être effectuée qu'après que le produit et l'appareillage sont sortis du four. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, où il sera fait référence aux figures annexées suivantes - la figure 1 qui montre un exemple de réalisation de l'invention, vu en coupe longitudinale, permettant l'analyse de l'atmosphère d'un four de réchauffage de demi-produits sidérurgiques. - la figure 2 qui montre de la même façon un autre exemple de réalisation permettant l'analyse de l'atmosphère d'un four de recuit continu de tôles d'acier. L'exemple de mise en oeuvre de l'invention que montre la figure 1 est un appareillage destiné à être utilisé dans les fours assurant le réchauffage de demi-produits sidérurgiques, tels que des brames, des blooms ou des billettes, avant leur laminage. Ces demi-produits séjournent dans les fours en général pendant plusieurs heures et y atteignent des températures de l'ordre de 1200 C. Dans ces conditions, il est nécessaire d'assurer une protection thermique efficace des appareils que l'on introduit dans le four. La figure 1 montre un demi-produit sidérurgique, tel qu'une brame 1 qui est en défilement dans le four, dans la direction indiquée par la flèche 2. Sur cette brame est placé le dispositif selon l'invention, dont le déplacement est donc simultané à celui de la brame 1. Ce dispositif comprend une enceinte extérieure métallique 3, qui comporte elle même une paroi extérieure 4 et une paroi intérieure 5 espacée de la paroi extérieure 4. L'espace entre ces parois 4 et 5 est rempli par un liquide refroidissant 6, tel que de l'eau. Sur une de ses faces, l'enceinte 3 est munie d'une porte 7 pouvant pivoter autour d'un axe 8 parallèle à l'un des côtés de l'enceinte 3, et donnant accès à l'intérieur de l'enceinte 3.Cette porte 7 peut également comporter des moyens d'isolation thermique non représentés, tels qu'une double enveloppe renfermant un fluide refroidissant, ou un revêtement réfractaire isolant. Les dimensions globales de l'enceinte extérieure 3 sont, par exemple, de l'ordre de quelques dizaines de cm pour chacun de ses cotés. La quantité d'eau de refroidissement est de l'ordre de 20 1. A l'intérieur de l'enceinte 3 est placée une deuxième enceinte 9, formée par une carcasse métallique 10 revêtue extérieurement d'une couche en réfractaire isolant 11, tel qu'un réfractaire fibreux. Cette enceinte est munie d'un couvercle 12 isolé de la même façon. A l'intérieur du logement 41 défini par cette enceinte 9 sont placés les appareils assurant l'analyse des prélèvements gazeux et la mémorisation des résultats de ces analyses. Les organes assurant le prélèvement et l'analyse des gaz comprennent une sonde de prélèvement 13 débouchant à l'extérieur de l'enceinte 3 et dont l'extrémité est placée au voisinage de la surface de la brame 1. On prélève ainsi des échantillons de gaz chauds représentatifs de l'atmosphère qui a une influence directe sur les réactions chimiques qui se produisent à la surface de la brame et qui conduisent, par exemple, à la formation de calamine. La sonde 13 est reliée à un serpentin 14 qui baigne dans la couche de liquide refroidissant 6. Sous l'effet de la chaleur ambiante, le liquide 6 est réchauffé et progressivement mis en ébullition. La quantité de liquide est calculée pour que cette mise en ébullition se poursuive pendant toute la durée du séjour de l'appareil dans le four, de manière que sa température soit en permanence de l'ordre de 100"C s'il s'agit d'eau. Ainsi, les gaz prélevés sont refroidis jusqu'à cette température et peuvent parvenir aux organes d'analyse à une température constante et déterminée. Le serpentin est relié à une conduite 15 qui traverse les parois 5 et 10 et le revêtement réfractaire 11 pour déboucher à l'intérieur de l'enceinte 9. Elle pénètre ensuite dans un récipient 16 renfermant une pompe 17, qui assure la circulation des gaz, ainsi que les organes d'analyse des gaz. Ces organes comprennent, alimentées en parallèle par la pompe 17, une série de piles électrochimiques 18,19,20,21,22. Chacune d'entre elles assure la détection dans le prélèvement analysé d'une espèce gazeuse déterminée, et produit un signal électrique dépendant de la concentration de ladite espèce. Dans l'exemple représenté, on analyse l'oxygène, le monoxyde de carbone, les oxydes d'azote NO et N02 et le bioxyde de soufre. En fonction des besoins spécifiques de l'utilisateur, on peut choisir d'analyser une gamme plus restreinte ou plus étendue d'éspèces gazeuses. De manière connue, ces piles électrochimiques peuvent être munies de thermocouples mesurant la température des gaz au moment de leur analyse. En effet cette température influe sur le résultat de l'analyse, et il est bon de vérifier qu'elle demeure bien constante, ou de mesurer ses variations pour en tenir compte. Les signaux électriques issus des piles électrochimiques et des thermocouples sont transmis à une unité de traitement 23 de type connu qui les convertit en données représentatives des concentrations des divers gaz détectés dans le prélèvement. Ces données sont transmises à un organe d'enregistrement 24 de type connu qui, de manière périodique ou continue, les stocke dans une mémoire électronique ou les transcrit sur un support matériel sous une forme directement lisible par un opérateur, et ce, pendant toute la durée du séjour de l'appareillage dans le four. On peut également adjoindre au dispositif un thermocouple extérieur 18 placé, par exemple, au lieu de prélèvement des échantillons gazeux. Ses signaux électriques sont transmis à l'unité de traitement 23 pour être convertis en données représentatives de la température de l'atmosphère du four au voisinage de la brame. Ces données sont ensuite transmises à l'organe d'enregistrement 24. Lorsque la brame et l'appareillage sont sortis du four, l'opérateur peut prendre connaissance des données qui ont été collectées pendant le séjour de la brame dans le four. Cela peut être fait en connectant la mémoire électronique à des moyens appropriés de restitution des données, tels qu'un écran de visualisation ou une imprimante sur papier, ou en consultant directement le support matériel sur lequel les données ont été transcrites pendant l'expérience. L'opérateur peut ainsi connaître quelles ont été les conditions de séjour de la brame dans le four, et corréler celles-ci à l'état de sa surface. On peut ainsi étudier de façon fine quelles sont les conditions de marche optimales pour le four, et l'effet des modifications des réglages du four sur l'atmosphère qui vient au contact des brames. La figure 2 montre un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention. Le dispositif représenté est plus sommaire que le précédent car il est conçu pour être placé sur une tôle en défilement dans un four de recuit continu. Dans une telle installation, l'appareillage ne séjourne que pendant quelques minutes et à une température de l'ordre de 800OC au maximum. La protection thermique des organes de prélèvement et de mesure n'a ainsi pas besoin d'être aussi poussée que dans le cas précédent, et l'encombrement global du dispositif est donc moindre. La tôle 25 est en déplacement horizontal dans le sens indiqué par la flèche 26 à l'intérieur d'un four de recuit continu non représenté. Sur cette tôle, préalablement à son entrée dans le four, est posée ou fixée par des moyens appropriés une enceinte métallique 27. Cette enceinte 27 est munie d'une porte 28 pouvant pivoter autour d'un axe 29 parallèle à l'un de ses côtés. Si nécessaire, l'enceinte 27 comporte un revêtement isolant 40. Sur un support 30 est fixée une pile à électrolyte solide 31 de type connu, adaptée à l'analyse de la teneur en oxygène de l'atmosphère. Cette pile comporte un corps 32 en céramique dans une extrémité duquel est insérée une pièce 33 en ciment poreux à travers laquelle circule le gaz à analyser. Cette pièce joue le rôle de la sonde 18, de la conduite 15 et de la pompe 17 de la configuration précédente.Elle renferme une pastille 34 d'un métal, tel que du zirconium, au contact d'une autre pastille 35 d'un oxyde de ce métal. Ces deux pastilles forment un couple électrochimique et génèrent entre elles une différence de potentiel dont la valeur dépend de la pression partielle d'oxygène dans l'atmosphère avec laquelle elles sont en contact. La pièce en ciment poreux 33 comporte également un thermocouple 36 qui mesure la température à laquelle est soumis le couple électrochimique, température qui, elle aussi, influe sur le résultat de la mesure. Des connexions électriques 37 transmettent les signaux électriques du couple électrochimique 34, 35 et du thermocouple 37 à une unité de traitement 38, similaire à l'unité de traitement 23 de la configuration représentée sur la figure 1, et située à l'intérieur de l'enceinte 27.Les données obtenues par cette unité de traitement 38 sont ensuite transmises de manière continue ou périodique à un organe d'enregistrement 39 qui les stocke dans une mémoire électronique ou les transcrit sur un support matériel. A la sortie du four de recuit, l'enceinte 27 est séparée de la tôle 25 et les données stockées dans l'organe d'enregistrement 39 sont recueillies par l'opérateur. On peut, bien entendu, équiper l'enceinte 27 de non pas une, mais de plusieurs piles électrochimiques correspondant chacune à un gaz déterminé à analyser,comme dans l'exemple précedent. De même, la pile pour l'analyse d'oxygène qui vient d'être décrite peut être remplacée par toute pile de même fonction, qui aurait une constitution differente. Enfin la ou les piles peuvent être logées à l'intérieur de l'enceinte 27, et alimentées en gaz à analyser par des moyens similaires à ceux décrits dans la configuration exemplifiée sur la figure 1. A partir des installations qui viennent d'être décrites, plusieurs variantes, peuvent être imaginées. En particulier, on peut concevoir de remplacer les organes d'enregistrement des données par des organes de type connu assurant une télétransmission de ces données, par exemple par ondes radio, à des moyens de réception situés hors du four et consultables "en temps réel" par l'opérateur. Celui-ci obtient alors une analyse de l'atmosphère du four pendant l'essai lui-même et peut agir immédiatement sur les paramètres de fonctionnement du four pour apporter les corrections éventuelles utiles. Toutefois la carcasse du four peut constituer une cage de Faraday et gêner la transmission des ondes radio. Une telle configuration est donc difficilement adaptable à certaines installations. De même, l'isolation de l'enceinte renfermant les divers appareils peut être réalisée par tout moyen adéquat sans sortir de l'esprit de l'invention. Les dispositifs décrits s'appliquent à l'analyse de l'atmosphère de tout four de réchauffage, et sont particulièrement adaptés à leur utilisation dans les fours où des produits, par exemple métallurgiques, sont en défilement. REVENDICATIONS 1) Procédé d'analyse de l'atmosphère d'un four de réchauffage, notamment d'un produit métallurgique en défilement, caractérisé en ce qu'on dispose sur le produit lui-même des moyens pour prélever des échantillons de gaz de ladite atmosphère au voisinage dudit produit et des moyens pour déterminer la concentration d'au moins un gaz dans ladite atmosphère 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résultat de ladite détermination est transmis en temps réel à des moyens de réception et de restitution à l'opérateur dudit résultat, situés hors du four. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on enregistre le résultat de ladite détermination dans des moyens d'enregistrement eux-mêmes disposés sur le produit et se déplaçant avec lui, et en ce que ledit résultat est restitué à l'opérateur après que le produit et les moyens d'enregistrement sont sortis du four. 4) Dispositif d'analyse de l'atmosphère d'un four de réchauffage, notamment d'un produit métallurgique (1,25) caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens (13,33) pour prélever des échantillons de ladite atmosphère au voisinage dudit produit - des moyens (14,15,17) pour transmettre lesdits échantillons à des organes d'analyse, organes comportant au moins une pile électrochimique (18,19,20,21,22,31) permettant la détection d'une espèce gazeuse déterminée et des moyens (23,38) de détermination de sa concentration dans lesdits échantillons - des moyens (24,39) permettant la restitution à l'opérateur des résultats desdites déterminations - et des moyens (3,9,27) pour maintenir les éléments précédents sur le produit et pour isoler thermiquement du milieu ambiant, au moins une partie d'entre eux. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens (24,39) permettant la restitution des résultats desdites déterminations comprennent des moyens de télétransmission de données en temps réel. 6) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits moyens (24,39) permettant la restitution des résultats desdites déterminations comprennent des moyens d'enregistrement de données. 7) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir lesdits éléments sur le produit (1) comprennent - une première enceinte métallique revêtue intérieurement d'un matériau réfractaire (11) et définissant un logement (40) dans lequel sont placés les organes d'analyse(18,19,20,21,22,23) et les moyens (24) de restitution des résultats desdites déterminations - une deuxième enceinte métallique (3) à l'intérieur de laquelle est placée la première, et comportant des moyens d'isolation thermique du milieu ambiant et en ce que les moyens pour prélever des échantillons de ladite atmosphère comprennent une sonde de prélèvement dont une partie terminale (13) débouche à l'extérieur de ladite enceinte métallique (3), et dont l'autre partie terminale (15) est reliée aux organes d'analyse (18,19,20,21,22,23). 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'isolation thermique de ladite deuxième enceinte (3) comprenant une double enveloppe (4,5) remplie d'un liquide refroidissant (6) 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite sonde de prélèvement comporte entre ses parties terminales (13,15) un serpentin (14) baignant dans le liquide refroidissant (6). 10) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un thermocouple permettant la mesure de la température des gaz à leur point de prélèvement.