Brevet FR2776382A1 — publié le 19990924

Procédé de mesure optique de la température d'un bain en fusion dans une atmosphère empoussiérée Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de mesure, en milieu empoussiéré, de la température d'une masse fondue, métallique ou non-métallique dont on ignore l'émissivité, au moyen de la technique de pyrométrie bichromatique. Etat de la technique La méthode classique de mesure de la température d'un bain métallique ou non métallique en fusion est l'immersion d'un thermocouple perdu dans le bain. Il est évident que, du fait de la destruction du thermocouple, il n'est pas possible d'avoir une mesure permanente, ni de multiplier le nombre des mesures. Le repérage de la température peut se faire par pyrométrie optique, c'est-à-dire la mesure du flux hlmineux émanant du bain pour un spectre lumineux autour d'une longueur d'onde donnée, à en déduire la température en utilisant les lois du rayonnement. Si on utilise une seule longueur d'onde, la pyrométrie est dite monochromatique. Cette technique nécessite, pour son étalonnage, la connaissance de l'émissivité (ou facteur d'émission) de la source par comparaison au corps noir. Lorsqu'on ignore l'émissivité de la source, ce qui est souvent le cas pour les bains de métal ou de produits minéraux en fusion, la mesure peut se faire par pyrométrie optique en opérant à deux longueurs d'onde différentes hl et 2. Cette technique porte le nom de pyrométrie bichromatique. Elle est décrite, par exemple, dans l'article de Franchis Cabannes Pyrométrie optique figurant depuis 1991 sous le n" R 2610 dans le traité Mesures et Contrôle des Techniques de l'ingénieur. Elle consiste à mesurer le rapport des deux luminances spectrales aux deux longueurs d'onde utilisées. Ces deux longueurs d'onde doivent être suffisamment voisines pour avoir une bonne sensibilité du pyromètre, mais pas trop cependant si on veut garder une précision suffisante de la mesure. L'article mentionné plus haut indique que les longueurs d'onde sont généralement voisines de 1 pni Les appareils du commerce utilisent habituellement les longueurs d'onde X1 = 0,655 pm et X2 = 0,550 Zm. Cette technique ne peut malheureusement être mise en oeuvre lorsqu'on doit travailler dans une atmosphère empoussiérée, les poussières étant susceptibles d'absorber le rayonnement sur les longueurs d'onde observées. C'est le cas par exemple dans les fours d'élaboration ou d'affinage des métaux, alliages ou autres produits minéraux fondus où les réactions chimiques entraînent l'émission de fumées. Objet de l'invention L'invention a pour but d'adapter la technique de pyrométrie bichromatique pour permettre son utilisation dans un milieu empoussiéré, notamment un bain en fusion émettant des fumées. Elle a pour objet un procédé de mesure de la température d'une masse en fusion, émettant des fumées constituées de particules en suspension dans l'atmosphère au dessus du bain, par pyrométrie optique bichromatique aux longueurs d'onde X1 et X2, dans lequel les longueurs d'onde hl et X2 sont supérieures à 5 fois, et de préférence 10 fois, la taille moyenne des particules. Description de l'invention On entend par taille moyenne des particules le diamètre moyen si les particules sont sensiblement sphériques, ou la moyenne des diamètres volumiques équivalents, c'està-dire les diamètres de sphères ayant le même volume que les particules, si celles-ci ne sont pas sphériques. Pour obtenir cette valeur, on extrait un certain volumes de particules de l'atmosphère du dessus du bain, par exemple à l'aide des filtres placés sur le système d'aspiration ou d'évacuation des fumées, on procède à un examen des particules en microscopie optique, et on analyse les micrographies obtenues pare un logiciel d'analyse d'images, qui fournit, de manière connue en métallographie, la taille moyenne des particules et sa dispersion. Compte-tenu de la dispersion constatée habituellement pour les particules émises dans les fumées dans les procédés d'élaboration des métaux ou alliages, le choix, pour la pyrométrie bichromatique, de longueurs d'onde nettement supérieures à la taille moyenne des poussières en suspension au-dessus du bain permet d'éviter les effets d'absorption du rayonnement dus à ces poussières. Pour obtenir des résultats satisfaisants, il faut que les deux longueurs d'onde soient d'au moins 5 fois, et de préférence 10 fois, la taille moyenne des poussières. Le procédé de mesure selon l'invention peut s'appliquer à un bain métallique dans le four d'élaboration du métal, même si comme cela est souvent le cas, la surface du bain est recouverte d'un laitier. 11 permet de mieux contrôler les diverses phases de l'élaboration, notamment la température de coulée qui est un paramètre important de la qualité du produit coulé. ll peut s'appliquer également lors des opérations d'affinage, par exemple l'affinage en poche. L'invention est particulièrement intéressante pour mesurer la température des bains de silicium, de ferro-silicium ou, plus généralement d'alliages contenant au moins 15% de silicium, dont l'élaboration et l'affinage dégagent du gaz SiO, qui, au contact de l'air, se transforme en particules sphériques de silice colloïdale, dont le diamètre se situe entre 0,01 ,um et 0,6 llm. En choisissant dans ce cas des longueurs d'onde supérieures à 3 llm, on obtient des résultats tout à fait comparables à ceux de la pyrométrie par immersion de thermocouples perdus. Exemples Exemple 1 On opère en laboratoire sur un bain d'acier fondu, avec un dispositif d'aspiration des filmées, qui sont par ailleurs très peu abondantes. A l'aide d'un thermocouple immergé, on mesure une température de 1500"C environ. En utilisant un pyromètre optique monochromatique à une longueur d'onde de 0,655 zm, on détermine une température de 1397"C, en faisant l'hypothèse que le facteur d'émission du fer à cette température est de 1. Cette hypothèse se révélant fausse, on refait la mesure en utilisant un pyromètre bichromatique fonctionnant aux longueurs d'onde hi = 0,655 pm et 2 = 0,550 zm, et on obtient un résultat de 1523"C, ce qui, compte-tenu de la précision de la mesure, est compatible avec les indications du thermocouple. Exemple 2 On refait les mêmes opérations que dans l'exemple 1, mais pour un bain de ferrosilicium à 76,5% de silicium, en visant intentionnellement une température plus élevée pour provoquer une émission de filmées plus importante, et en arrêtant le système d'aspiration. La mesure de la température du bain par thermocouple immergé donne une valeur de 15500C. La pyrométrie optique monochromatique à la longueur d'onde X = 0,655 pm, ainsi que la pyrométrie bichromatique aux longueurs d'onde hl = 0,655 ,um et 2 = 0,550 m donnent des indications fluctuant au gré des émissions de fumées entre 1300 et 15000C, qui sont inexploitables, car erratiques et trop éloignées de l'indication du thermocouple. Exemple 3 On recommence les opérations de l'exemple 2. La pyrométrie par immersion de thermocouple donne une température de 1550 C. Avec un pyromètre optique monochromatique, mais cette fois à une longueur d'onde X = 3,9 m, on obtient une température de 1430 C, avec ou sans aspiration des fumées émises. La pyrométrie optique bichromatique aux longueurs d'onde hl = 3,9 ,um et 2 = 6,0 m donne une température de 1545 C, aussi bien avec que sans aspiration des fumées, ce qui est en accord avec l'indication du thermocouple. Les particules solides de silice constituant les fumées ont été isolées par filtration et examinées par microscopie. Leur dimension était comprise entre 0,05 et 0,3 m, et l'application d'un logiciel d'analyse d'images aux micrographies conduit à un diamètre moyen équivalent de 0,15 m REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la température d'une masse en fusion, émettant des fimées constituées de particules en suspension dans l'atmosphère au dessus du bain, par pyrométrie optique bichromatique aux longueurs d'onde hl et 2, dans lequel les longueurs d'onde k1 et X2 sont supérieures à 5 fois la taille moyenne des particules. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les longueurs d'onde Bl et X2 sont supérieures à 10 fois la taille moyenne des particules. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la masse en fusion est un bain métallique recouvert d'un laitier. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la masse en fusion est un alliage contenant au moins 15% de silicium. 5. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 4 pour le contrôle de la température de coulée de la masse en fusion. 6. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 4 pour le contrôle de la température d'affinage de la masse en fusion.