Brevet FR2875818A1 — publié le 20060331

INSTALLATION ET PROCEDE POUR L'EXPLOITATION D'UN DISPOSITIF DE PERÇAGE DE CROUTE POUR BAINS DE FUSION METALLIQUES La présente invention concerne une installation ainsi qu'un procédé pour l'exploitation d'un dispositif de perçage de croûte pour bains de fusion métalliques avec un cylindre de perçage de croûte à double effet actionné par un fluide, dont la tige de piston peut être déplacée, grâce à une commande adéquate d'un système de soupapes électropneumatiques associé au cylindre de perçage de croûte assurée par une unité de commande électronique ou électrique, entre une position initiale en retrait et une position de perçage déployée depuis laquelle elle agit sur la croûte du bain de fusion devant être percée par l'intermédiaire d'un burin antérieur. Lors de la fabrication ou du traitement de l'aluminium ou également d'un autre métal, le matériau se présente fréquemment sous un état fondu ou fluide, lequel est désigné ici par le terme bain de fusion. Conformément au processus de fabrication, des matières premières ou des additifs doivent être ajoutés de temps en temps au bain de fusion, lesquels revêtent la plupart du temps une consistance pulvérulente. L'adjonction des matières respectives est toutefois entravée du fait que tout particulièrement pour les bains de fusion d'aluminium - une couche de matière solidifiée, qualifiée de croûte, se forme sur la surface, laquelle recouvre le bain de fusion fluide se trouvant en dessous. C'est pourquoi on emploie dans la pratique des soi-disant dispositifs de perçage de croûte pour briser de temps en temps la croûte solide et ajouter par le biais de moyens d'adjonction appropriés lesdites matières dans le bain de fusion fluide ainsi dégagé. Le perçage de la croûte du bain de fusion est nécessaire au maintien du processus de fabrication électrolytique. En ce qui concerne le cylindre de perçage de croûte utilisé dans le cadre du dispositif de perçage, il s'agit en règle générale d'un cylindre de travail pneumatique actionnable des deux côtés qui est installé au-dessus du bain de fusion métallique de telle sorte que sa tige de piston reliée au piston situé à l'intérieur dépasse vers le bas et forme ainsi une tige de perçage qui est pourvue à son extrémité extérieure d'un burin à titre de renforcement. Dans la position initiale en retrait le burin se trouve à une très grande distance au-dessus du bain de fusion métallique et/ou de sa croûte. Pour le perçage de la croûte, un moyen de pression est introduit dans le cylindre de travail, de sorte que la tige de piston se déploie vers le bas, percute la croûte avec le burin et perce finalement celle-ci. La tige de piston est ensuite ramenée à nouveau dans sa position initiale en retrait. On connaît un tel dispositif de perçage de croûte d'après le document FR 2 483 965. Pour établir si le bain de fusion présente une croûte solide devant être percée par le cylindre de perçage de croûte, il est déterminé dans cette solution si le burin est en contact avec le bain de fusion ou avec la croûte. Lorsqu'il est en effet établi que le burin est en contact avec le bain de fusion, donc qu'il n'y a pas de croûte, le mécanisme de commande déclenche immédiatement le retrait de la tige de piston du cylindre de perçage de croûte. Mais lorsque par contre la présence d'une croûte solide est constatée sur le bain de fusion, un nouveau déploiement de la tige de piston du cylindre de perçage de croûte intervient, de sorte que la croûte est percée. A titre de mesure de soutien, l'énergie électrique introduite dans le bain de fusion est en plus également augmentée pour faire fondre la croûte à nouveau. La présence d'une croûte est établie à l'aide de moyens électriques. A cette occasion, le burin du cylindre de perçage de croûte est employé comme capteur de mesure dans un circuit de mesure électrique qui va du burin à la cathode se trouvant en contact avec le bain de fusion par l'intermédiaire d'un circuit de mesure de tension électrique. Lorsque le burin plonge dans l'électrolyte de fusion, le circuit de mesure de tension indique alors la tension continue produite par le courant continu d'électrolyse entre l'électrolyte de fusion et la cathode, ce qui est utilisé comme critère de commande constatant que le burin est entré en contact avec le bain de fusion. Mais des essais ont montré qu'avec ce procédé on ne peut pas obtenir de résultats satisfaisants sous forme de critères de commande indiscutables. Car la tension anode/cathode qui ou dont la partie est mesurée avec le procédé connu est soumise à des fluctuations. Un autre inconvénient consiste en ce que la tige de piston du cylindre de perçage de croûte doit effectuer ici une course assez importante pour se déplacer entre la position initiale et la position de perçage. Lorsque le cylindre de perçage de croûte est exploité avec de l'air comprimé, le cylindre de perçage de croûte, pour ainsi dire pneumatique, doit en plus être dimensionné de manière assez grande pour fournir la force nécessaire au perçage de la croûte. Un cylindre de perçage de croûte dimensionné de manière si grande avec une grande course requiert toutefois une grande consommation d'air qui peut s'élever - comme le démontre la pratique - à plusieurs dizaines de milliers de mètres cubes par an. Le document WO 84/03108 se penche sur ce problème et propose à ce sujet que l'énergie nécessaire à l'exploitation du cylindre de perçage de croûte doit être calculée de telle manière que la croûte puisse en cas normal tout juste encore être percée. Il est en outre proposé que le burin soit descendu avec une faible force prédéfinie, moyennant quoi il doit être contrôlé si le burin entre en contact avec le bain de fusion au sein d'un laps de temps prédéfini. Sinon il y a une coûte qui ne sera percée que dans une seconde étape par augmentation de la vitesse de descente. Grâce à ce procédé il est possible de parvenir à une économie de l'énergie nécessaire à l'exploitation du cylindre de perçage de croûte. Dans cet état de la technique il est proposé, aux fins d'amélioration de la solution décrite ci-dessus, de mesurer l'entrée en contact du burin avec la croûte ou le bain de fusion par l'intermédiaire de l'impédance entre le burin et l'électrolyte de fusion. Ceci intervient au moyen d'un circuit de mesure d'impédance actif qui détecte l'impédance entre le burin et le bain de fusion par enregistrement du signal de courant ou de tension résultant sur le circuit de mesure d'impédance qui résulte tout au moins en première ligne de la fermeture du circuit de mesure lors de la plongée du burin dans le bain de fusion. En même temps le cylindre de perçage de croûte est commandé de telle sorte que, lorsque l'impédance mesurée au moyen du circuit actif de mesure d'impédance atteint une valeur minimale prédéfinie, le burin est soulevé par retrait de la tige de piston dans sa position initiale. La solution proposée par cet état de la technique livre certes de meilleurs résultats pour la détection de l'entrée en contact du burin avec la croûte ou - en cas d'inexistence de celle-ci - avec le bain de fusion, mais cette solution requiert néanmoins encore une consommation d'air assez importante. Le document DE 29 43 294A1 propose à cet égard de constituer un cylindre de perçage de croûte par juxtaposition coaxiale de deux cylindres individuels. Dans ce soi-disant système à deux cylindres, le cylindre de travail à proprement parler est dans un premier temps descendu sur la croûte à l'aide du cylindre de positionnement avant qu'un perçage de cette dernière n'intervienne au moyen du cylindre de travail. Etant donné que le cylindre de positionnement est plus petit que le cylindre de travail, on consomme moins d'air comprimé, ce qui conduit à l'économie d'énergie souhaitée. Toutefois, un inconvénient de cette solution pour un cylindre de perçage de croûte consiste en ce que le coût de fabrication du système à double cylindre est assez élevé. L'objectif de la présente invention est donc de réaliser un dispositif de perçage de croûte avec une structure simple pouvant être exploitée de manière particulièrement économique en énergie. Eu égard à une installation pour l'exploitation d'un dispositif de perçage de croûte l'objectif est atteint sur la base du préambule évoqué en premier lieu en liaison avec ses caractéristiques spécifiques. En ce qui concerne un procédé pour l'exploitation d'un dispositif de perçage de croûte, cet objectif est atteint grâce à un procédé caractérisé en ce que l'entrée en contact du burin (5) avec la croûte non-conductrice d'électricité (2) ou avec le bain de fusion conducteur d'électricité (1) est détectée par une surveillance du potentiel électrique entre le burin (5) mis à la terre et le potentiel de tension existant du bain de fusion (1). Chacune des revendications indépendantes suivantes présente des développements avantageux de l'invention. L'invention inclut la théorie en matière de technique de procédé, caractérisée en ce que pour le déploiement initial de la tige de piston une liaison est réalisée avec une source de pression d'alimentation par l'intermédiaire d'une soupape située du côté du fond du cylindre et faisant partie d'un système de soupapes commandant le cylindre de perçage de croûte et qu'en même temps une liaison est également réalisée avec la source de pression d'alimentation par l'intermédiaire d'une soupape située du côté du couvercle du cylindre et faisant partie du système de soupapes. De cette façon un mouvement de déploiement de la tige de piston intervient avec un faible effort en raison du faible diamètre actif de la surface de piston située du côté de la tige de piston par rapport à la surface de piston se trouvant en face. Après la détection d'une entrée en contact du burin avec la croûte, une augmentation de la force d'action intervient par interruption de la liaison entre la soupape située du côté du couvercle du cylindre et la source de pression d'alimentation pour finalement percer la croûte. La présente invention se concentre par conséquent sur une commande particulière des soupapes alimentant les deux côtés du cylindre de perçage de croûte à double effet. En l'occurrence la soupape située du côté du couvercle du cylindre est celle qui alimente la chambre de pression traversée par la tige de piston. La soupape située du côté du fond du cylindre alimente en revanche l'autre chambre de pression du cylindre de perçage de croûte. L'invention met à profit les tailles différentes des surfaces actives du piston intégré dans le cylindre de perçage de croûte, lesquelles provoquent un mouvement de déploiement lorsqu'elles sont alimentées avec la même pression. Cet effet est utilisé pour réussir à réaliser le déploiement initial de la tige de piston de manière particulièrement économique en énergie. En principe, le moyen de pression refoulé à cette occasion de la chambre du cylindre de perçage de croûte située du côté du couvercle du cylindre est dérivé dans la chambre située du côté du fond du cylindre, ce qui engendre l'économie significative d'énergie. Sinon, l'air d'échappement se constituant lors du mouvement de déploiement de la tige de piston serait évacué dans l'atmosphère. De manière préférentielle, le contrôle de l'entrée en contact du burin avec la croûte non-conductrice d'électricité ou avec le bain de fusion conducteur d'électricité intervient par l'appréciation du potentiel électrique entre le burin mis à la terre et le potentiel de tension existant du bain de fusion. En matière de technique d'appareillage, on peut de préférence utiliser soit un circuit de mesure d'impédance électrique ou un circuit de mesure de tension électrique qui peut être directement intégré dans une unité de commande électrique ou électronique destiné à la commande du système de soupapes. Grâce à cette solution, on peut complètement se passer de capteurs supplémentaires tels des capteurs de pression ou de des capteurs de température. Conformément à une nouvelle amélioration de l'invention, le burin est ramené dans sa position initiale après le perçage de la croûte ou l'entrée en contact directe avec le bain de fusion à la suite d'une interruption de la liaison de la soupape située du côté du fond du cylindre. A cette occasion, le moyen de pression s'échappe de la chambre associée du cylindre de perçage de croûte, de sorte que la force du côté opposé du piston est prépondérante, ce qui provoque le mouvement de retrait. Conformément à une autre amélioration de l'invention, la soupape située du côté du fond du cylindre, de même que la soupape du système de soupapes située du côté du couvercle du cylindre, sont configurée sous forme de soupape monostable à 3/2 voies qui toutes deux peuvent être commandées séparément par l'intermédiaire d'une unité de commande électrique ou électronique - par exemple une commande à mémoire programmable (SPS). Ceci permet une affectation des deux soupapes à proximité des raccordements correspondants situés sur le cylindre de perçage de croûte. Mais on peut également imaginer que les deux fonctions de soupapes individuelles soient intégrées dans une soupape commune à plusieurs voies. D'autres mesures améliorant l'invention sont présentées plus en détail ciaprès conjointement avec la description d'un exemple de réalisation préférentiel de l'invention au moyen des figures. Les figures montrent: figure 1: une représentation schématique d'un dispositif de perçage de croûte pour bains de fusion métalliques avec des moyens de commande associés, dans lequel le cylindre de perçage de croûte se trouve en position initiale en retrait, figure 2: une représentation schématique d'un dispositif de perçage de croûte selon la figure 1, moyennant quoi toutefois le cylindre de perçage de croûte est en contact avec une croûte devant être percée, et figure 3: une représentation schématique d'un dispositif de perçage de croûte selon la figure 1, moyennant quoi le cylindre de perçage de croûte a percé la croûte. Le dispositif de perçage de croûte selon la figure 1 sert pour un bain de fusion métallique 1, lequel est recouvert d'une croûte solidifiée 2. Un cylindre de perçage de croûte 3 est disposé géographiquement au-dessus. Une tige de piston 4 du cylindre de perçage de croûte 3 est pourvue sur son extrémité d'un burin 5. Le burin 5 sert au perçage de la croûte 2. Pour le déplacement de la tige de piston 4, le cylindre de perçage de croûte 3 peut être alimenté des deux côtés en air comprimé constituant le moyen de pression par l'intermédiaire d'un système de soupapes électropneumatique, composé d'une soupape 6 située du côté du couvercle du cylindre ainsi que d'une soupape 7 située du côté du fond du cylindre. Les deux soupapes 6 et 7 sont configurées sous forme de soupape monostable à 3/2 voies à ressort de repositionnement. Une conduite de travail relie les raccordements de travail de la soupape 6 à la chambre de pression située du côté du couvercle du cylindre et une autre la soupape 7 à la chambre de pression située du côté du fond du cylindre du cylindre de perçage de croûte 3. Du côté de la pression d'alimentation, les deux soupapes 6 et 7 sont reliées à une source de pression d'alimentation 8 commune. La commande électrique des deux soupapes électropneumatiques 6 et 7 intervient par l'intermédiaire d'une unité de commande électronique et électrique 10. L'entrée en contact du burin 5 avec la croûte non-conductrice d'électricité 2 ou avec le bain de fusion 1 conducteur d'électricité est détectée par contrôle du potentiel électrique entre le burin 5 mis à la terre et le potentiel de tension existant du bain de fusion 1 au moyen d'un circuit de mesure de tension électrique intégré dans l'unité de commande électronique ou électrique 10. Pour atteindre la position initiale en retrait du cylindre de perçage de croûte 3, telle que représentée, l'unité de commande électronique commande la soupape 6 située du côté du couvercle du cylindre de telle manière que celle-ci réalise une liaison entre la chambre de cylindre associée et la source de pression d'alimentation 8, alors que la soupape 7 située du côté du fond du cylindre veille à ce que la chambre de cylindre associée du cylindre de perçage de croûte 3 reste purgée. Conformément à la figure 2, le cycle de mouvement du cylindre de perçage de croûte 3 commence à présent en ce que la soupape 7 située du côté du fond du cylindre réalise une liaison avec la source de pression d'alimentation 8. En même temps la soupape 6 située du côté du couvercle du cylindre reste également dans sa position, de sorte qu'il existe également ici une liaison avec la source de pression d'alimentation 8. En réaction à ceci, un mouvement de déploiement de la tige de piston 4 intervient avec une faible force car une surface active plus petite de la surface du piston située du côté de la tige du piston fait face à une surface active relativement plus grande de l'autre surface du piston. A cette occasion, l'air comprimé refoulé de la chambre de cylindre située du côté du couvercle du cylindre à la suite du mouvement de déploiement est transporté dans la chambre de cylindre située du côté du fond du cylindre, ce qui engendre une importante économie d'énergie lors du déploiement initial de la tige de piston 4. Lorsque la présence d'une croûte 2 est détectée sur le bain de fusion 1, de la manière décrite sur la figure 3, au moyen de l'unité de commande laquelle n'est pas présentée plus en détail - une augmentation de la fore agissant sur la croûte 2 intervient par interruption de la liaison entre la soupape 6 située du côté du couvercle du cylindre et la source de pression d'alimentation 8. On dispose par conséquent de l'ensemble de la pression existant dans la chambre de cylindre située du côté du fond du cylindre pour percer la croûte 2 et ce uniquement pendant le perçage à proprement parler. Après le perçage la tige de piston 4 est ramenée à sa position initiale, moyennant quoi le cycle de mouvement est terminé. Au cas où l'unité de commande 10 ne détecte pas de croûte 2 sur le bain de fusion 1, un repli immédiat de la tige de piston 4 dans sa position initiale intervient. Grâce à la commande particulière des soupapes du cylindre de perçage de croûte 3 selon l'invention, on obtient une économie importante en moyen de pression (air comprimé) d'une manière simple. Liste des références 1 Bain de fusion métallique 2 Croûte 3 Cylindre de perçage de croûte 4 Tige de piston Burin 6 Soupape située du côté du couvercle du cylindre 7 Soupape située du côté du fond du cylindre 8 Source de pression d'alimentation 9 Vanne d'évacuation de l'air Unité de commande REVENDICATIONS 1. Installation pour l'exploitation d'un dispositif de perçage de croûte pour bains de fusion métalliques (1) avec un cylindre de perçage de croûte à double effet (3) actionné par un fluide, dont la tige de piston (4) peut être déplacée, grâce à une commande adéquate d'un système de soupapes électropneumatiques associé au cylindre de perçage de croûte (3) assurée par une unité de commande électronique (10), entre une position initiale en retrait et une position de perçage déployée depuis laquelle elle agit sur la croûte (2) du bain de fusion (1) devant être percée par l'intermédiaire d'un burin antérieur (5), caractérisée en ce que pour le déploiement initial de la tige de piston (4) une soupape (7) du système de soupapes, située du côté du fond du cylindre, réalise une liaison avec une source de pression d'alimentation (8) et qu'en même temps une soupape (6) du système de soupapes, située du côté du couvercle du cylindre réalise également une liaison avec la source de pression d'alimentation (8), de sorte que le faible diamètre actif de la surface de piston située du côté de la tige de piston par rapport à la surface de piston se trouvant en face engendre un mouvement de déploiement de la tige de piston (4) avec un faible effort (figure 2), moyennant quoi après la détection d'une entrée en contact du burin (5) avec la croûte (2) une augmentation de la force d'action intervient par interruption de la liaison entre la soupape (6) située du côté du couvercle du cylindre et la source de pression d'alimentation (8) ainsi que l'évacuation de l'air d'échappement dans l'atmosphère pour finalement percer la croûte (2) (figure 3). 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'entrée en contact du burin (5) avec la croûte non-conductrice d'électricité (2) ou avec le bain de fusion conducteur d'électricité (1) peut être détectée grâce à l'unité de commande électronique (10) par une surveillance du potentiel électrique entre le burin (5) mis à la terre et le potentiel de tension existant du bain de fusion (1). 3. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'unité de commande électronique (10) procède à la surveillance du potentiel électrique par l'intermédiaire d'un circuit de mesure d'impédance électrique intégré ou par l'intermédiaire d'un circuit de mesure de tension électrique intégré. 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'après le perçage de la croûte (2) et l'entrée en contact avec le bain de fusion (1) le burin (5) revient dans sa position initiale à la suite de l'interruption de la liaison entre la soupape (7) située du côté du fond du cylindre et la source de pression d'alimentation (8)(figure 1). 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la soupape (7) située du côté du fond du cylindre, de même que la soupape (6) du système de soupapes située du côté du couvercle du cylindre, sont configurée sous forme de soupape monostable à 3/2 voies qui toutes deux peuvent être commandées séparément par l'intermédiaire de l'unité de commande électronique (10). 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'unité de commande électronique (10) est configurée sous forme de commande à mémoire programmable (SPS). 7. Procédé pour l'exploitation d'un dispositif de perçage de croûte pour bains de fusion métalliques (1) avec un cylindre de perçage de croûte à double effet (3) actionné par un fluide, dont la tige de piston (4) est déplacée entre une position initiale en retrait et une position de perçage déployée agissant par l'intermédiaire d'un burin antérieur (2) sur la croûte (5) du bain de fusion métallique devant être percée, caractérisé en ce que pour le déploiement initial de la tige de piston (4) une soupape (8) du système de soupapes, située du côté du fond du cylindre, réalise une liaison avec une source de pression d'alimentation (7) et qu'en même temps une soupape (8) du système de soupapes, située du côté du couvercle du cylindre réalise également une liaison avec la source de pression d'alimentation (6), de sorte que le faible diamètre actif de la surface de piston située du côté de la tige de piston par rapport à la surface de piston se trouvant en face engendre un lent mouvement de déploiement de la tige de piston (4) avec un faible effort, moyennant quoi après la détection d'une entrée en contact du burin (5) avec la croûte (2) une augmentation de la force d'action intervient par interruption de la liaison entre la soupape (6) située du côté du couvercle du cylindre et la source de pression d'alimentation (8) ainsi que l'évacuation de l'air d'échappement dans l'atmosphère pour percer la croûte (2). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'entrée en contact du burin (5) avec la croûte non-conductrice d'électricité (2) ou avec le bain de fusion conducteur d'électricité (1) est détectée par une surveillance du potentiel électrique entre le burin (5) mis à la terre et le potentiel de tension existant du bain de fusion (1). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'après le perçage de la croûte (2) et l'entrée en contact avec le bain de fusion (1) le burin (5) revient dans sa position initiale à la suite de l'interruption de la liaison entre la soupape (7) située du côté du fond du cylindre et la source de pression d'alimentation (8).