LU87768A1 - Procede de mesure de la temperature d'un bain de metal en fusion - Google Patents
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Description
Procédé de mesure de la température d'un bain de métal en fusion.
La présente invention concerne un procédé de mesure de la température d'un bain de métal en fusion, en particulier d'un bain d'acier dans un convertisseur.
On sait que la température du métal en fusion est un paramètre qu'il est important de connaître et de surveiller, notamment pendant l'élaboration d'un métal tel que l'acier.
D'une manière générale, la mesure pyrométrique est la seule technique qui permet de connaître la température d'un corps sans nécessiter de contact avec ce corps. Elle repose sur l'observation de la surface de ce corps et de ce fait, elle requiert que la surface observée soit représentative du corps tout entier. En d'autres termes, il faut que la température de la surface observée traduise fidèlement la température de tout le corps.
Dans un récipient métallurgique, et en particulier dans un convertisseur d'aciérie, le bain de métal en fusion, en l'occurrence le bain d'acier, est généralement recouvert d'une couche de scorie; cette couche de scorie, dont le rôle est par ailleurs multiple, empêche cependant la visée directe de la surface supérieure du bain de métal.
Parmi différents procédés pour mesurer la température d'un tel bain de métal, il a notamment été proposé de placer un tube de diamètre intérieur relativement faible à travers Ta paroi du récipient, sous le niveau du bain de métal, et de viser la petite plage de la surface latérale du bain de métal apparaissant à l'extrémité de ce tube. Il faut évidemment insuffler un gaz sous pression dans ce tube pour supporter le métal liquide et éviter ainsi qu'il pénètre dans le tube. A cet effet, on utilise un gaz neutre, tel que l'azote, l'argon, ou un de leurs mélanges, afin de ne pas modifier la composition du bain de métal.
On a cependant constaté qu'une telle injection de gaz neutre provoque, au débouché de ce tube de visée, un refroidissement local important du bain, qui se traduit par la formation d'un champignon de métal solidifié. Ce phénomène entraîne deux inconvénients majeurs. D'une part, le champignon de métal solidifié obstrue au moins partiellement le tube de visée et, de ce fait, il perturbe sérieusement l'écoulement du gaz neutre dans le tube de visée. D'autre part, il fausse complètement la mesure puisqu'il conduit à mesurer la température du métal solidifié au lieu de celle du métal fondu.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé qui ne présente pas ces inconvénients et qui assure une mesure fiable de la température d'un métal en fusion. Ce procédé est particulièrement intéressant pour surveiller la température de l'acier en fusion pendant son élaboration au convertisseur. Il est cependant évident que l'invention n'est absolument pas limitée à cette seule application.
Conformément à la présente invention, un procédé de mesure de la température d'un bain de métal en fusion contenu dans un récipient métallurgique, dans lequel on vise ledit métal à travers un trou percé dans la paroi dudit récipient métallurgique, sous le niveau supérieur dudit bain de métal est caractérisé en ce que l'on insuffle, dans le trou de visée, un mélange gazeux sous pression composé d'un gaz neutre et d'un gaz oxydant.
La présence d'un gaz oxydant, en particulier d'oxygène pur, permet de réchauffer la zone de visée en provoquant la combustion d'éléments thermogènes contenus dans le métal et ainsi d'empêcher la solidification locale de ce métal.
Pour que la température lue au pyromètre corresponde à tout instant à la température réelle du métal, il faut que la quantité de chaleur apportée au métal par la combustion des éléments thermogènes précités soit égale à la quantité de chaleur cédée par le métal au mélange gazeux insufflé.
Au cours de ses essais, le demandeur a constaté que la quantité d'oxygène nécessaire à cet effet dépendait non seulement du débit du mélange gazeux insufflé mais aussi de la teneur en chaque élément thermogène du bain de métal en fusion. Ces teneurs ne sont d'ailleurs généralement pas constantes, en particulier pendant l'élaboration de l'acier au convertisseur, où elles varient assez rapidement avec le temps.
Il convient dès lors de déterminer, à chaque mesure de température, la quantité d'oxygène à incorporer au mélange gazeux en fonction de l'état thermique du métal au moment de la mesure.
Dans le cadre de l'invention, cette détermination peut être effectuée par un calcul relativement simple.
La condition d'égalité des quantités de chaleur peut s'écrire : ou encore
où : D est le débit total du mélange gazeux (m3N/h); R est le rapport du débit d'oxygène au débit du mélange gazeux (%); qQ^ est la quantité de chaleur apportée à l'acier par la combustion de ses éléments thermogènes avec l'oxygène (kcal/m3N); qg est la quantité de chaleur cédée par le bain d'acier au mélange gazeux (kcal/m3N).
Le rapport R est ainsi donné par l'expression : R = x 100 qui est indépendante du débit D de mélange gazeux.
En fait, le rapport R des quantités de chaleur dépend faiblement du débit de mélange gazeux en raison de la variation des conditions hydrodynamiques provoquée par l'insufflation de ce mélange dans le bain d'acier. Cette influence est négligeable si les variations du débit nominal de mélange gazeux sont limitées en amplitude.
La quantité de chaleur qg^ peut être déterminée à tout instant à partir de la composition instantanée du bain d'acier et des chaleurs de réaction des éléments dissous avec l'oxygène gazeux.
La quantité de chaleur qg est égale à la variation d'enthalpie du mélange gazeux entre la température ambiante et la température du bain de métal.
Ces deux quantités de chaleur peuvent varier plus ou moins fortement au cours du temps, notamment selon l'état du bain d'acier en cours d'élaboration. Il faut donc déterminer le rapport R à chaque mesure de température au cours du soufflage.
Suivant une caractéristique particulière, le procédé de l'invention permet de déterminer la valeur de R à utiliser à chaque instant pour que la mesure de la température de l'acier ne soit pas perturbée.
Cette caractéristique particulière porte sur la mise en oeuvre d'un cycle de mesure dans lequel : (a) à un instant initial t0, avec un débit nominal de mélange gazeux D0 et un rapport R0 connus, on lit la température initiale T0 du bain de métal; (b) à un instant tj = t0 + (Δΐ)χ avec le même débit nominal D0 et vec un rapport Ri = R0 + AR, également connu, on lit la température Ti du bain de métal; (c) à un instant tz = t0 + (At)2* avec un débit nominal Di = D0 + AD connu et avec le rapport R0, on lit la température T2 du bain de métal; (d) à partir de ces valeurs du débit D, de la température T et du rapport R, on calcule une nouvelle valeur du rapport R, qui conduit à un effet thermique nul du mélange gazeux insufflé; (e) on applique cette nouvelle valeur du rapport R avec le débit nominal D0 et on lit la température réelle Tr du bain de métal.
En principe, les intervalles de temps (At)j et (At)£ doivent être choisis aussi courts que possible. En pratique toutefois, les variations des quantités de chaleur sont continues et relativement lentes; ces intervalles de temps peuvent dès lors atteindre plusieurs secondes sans risquer de conduire à des erreurs de mesure appréciables sur la température du bain de métal.
L'invention sera mieux comprise au moyen de la description suivante, consacrée à la mesure de la température d'un bain d'acier, et qui fait référence aux dessins annexés, dans lesquels la
Fig. 1 montre un exemple d'évolution de la composition d'un bain d'acier au cours du soufflage d'oxygène; la Fig. 2 illustre l'évolution de la quantité de chaleur apportée au bain d'acier par l'oxygène, respectivement cédée par le bain au mélange gazeux, au cours du soufflage d'oxygène; la Fig. 3 exprime l'évolution de la teneur en oxygène nécessaire dans le mélange gazeux insufflé au cours du soufflage d'oxygène; et la
Fig. 4 montre le schéma du système de mesure de la température et de régulation de la composition du mélange gazeux insufflé.
Pour fixer les idées, cette description est consacrée à la mesure de la température d'un bain d'acier au cours de son élaboration dans un convertisseur à soufflage d'oxygène. Elle n'a aucun effet limitatif sur la portée de l'invention, qui s'applique en fait à tout métal en fusion dont on veut mesurer la température.
Dans le cas présent, on a disposé à travers le fond du convertisseur un tube ouvert, qui requiert un débit total de mélange gazeux D pour empêcher la pénétration de l'acier dans le tube. Pour assu rer une mesure non perturbée de la température, ce mélange doit contenir une proportion R d'oxygène. On a montré plus haut que cette proportion est donnée par la relation R = qg/qQ^.
La quantité de chaleur dégagée par la combustion des éléments thermogènes, soit dépend de l'état instantané du bain d'acier. Cet état est par exemple donné par la Fig. 1, pour les teneurs en C, Mn, Si ainsi qu'en fer oxydé.
Grâce aux chaleurs de réaction des éléments thermogènes dissous (C, Mn, Si), avec l'oxygène gazeux, on peut calculer cette quantité de chaleur à tout instant. La courbe (a) de la Fig. 2 indique l'évolution de cette quantité de chaleur au cours du soufflage d'un bain d'acier. On remarque la valeur élevée de cette quantité de chaleur au début du soufflage.
La quantité de chaleur cédée par le bain d'acier au mélange gazeux, soit qg, est égale à la variation d'enthalpie de ce gaz entre la température ambiante et la température du bain d'acier. Dans le cas de l'insufflation d'azote, cette quantité de chaleur varie peu pendant l'affinage de l'acier, comme le montre la courbe (b) de la Fig. 2.
On fera remarquer ici qu'un fond de convertisseur peut avoir une épaisseur importante, par exemple 1,5 m. Le mélange gazeux traversant un tel fond peut dès lors subir un échauffement avant d'atteindre l'acier en fusion. Il en résulte une certaine diminution du refroidissement de l'acier. Ce préchauffage, qu'il est par ailleurs possible de calculer, peut influencer le rapport des deux quantités de chaleur précitées.
A l'aide des quantités de chaleur calculées à la Fig. 2, on peut déterminer l'évolution du rapport R pendant l'affinage de l'acier. La Fig. 3 montre un exemple d'une telle évolution, sans (courbe a) et avec (courbe b) prise en compte de 1'échauffement du mélange gazeux.
La Fig. 4 représente schématiquement un montage simple permettant la mise en oeuvre rapide du procédé de l'invention, c'est-à-dire la mesure de la température du bain d'acier tout en supprimant tout effet perturbateur dû au mélange gazeux.
Un convertisseur 1 est équipé, dans le fond ou dans une paroi latérale, d'un tube 2 qui permet de viser le bain d'acier 3 au moyen d'un pyromètre 4. Le tube est relié, par des conduites 5, 6 ayant éventuellement un tronçon commun, à une source d'azote et à une source d'oxygène. Chacune de ces conduites est pourvue d'un débitmètre 7, 8 et d'une vanne de régulation 9, 10; ceux-ci, ainsi que le pyromètre 4, sont raccordés à un ensemble électronique de mesure et de régulation 11.
Le processus de mesure applicable avec ce montage ne nécessite pas explicitement la détermination de l'état du bain d'acier ni le calcul des différentes quantités de chaleur précitées.
Il est basé sur des variations judicieuses du rapport R et du débit de mélange gazeux D.
Avant de présenter ce processus de mesure, il convient de transformer l'expression donnant la valeur du rapport R.
La température T0, lue au pyromètre 4 à un instant initial arbitraire, peut s'écrire, en fonction de la température réelle de l'acier à cet instant et de l'erreur provoquée par l'insufflation du mélange gazeux :
T0 = Tr + k.Q
où ; T0 ; est la température lue au pyromètre à l'instant initial t0 (’C);
Tr : est la température réelle de l'acier à cet instant (*C); Q : est la quantité de chaleur résiduelle acquise ou cédée par le bain d'acier lors de l'insufflation du mélange gazeux (kcal/m^N); k : est un facteur de proportionnalité qui tient compte notamment de l'influence des conditions hydrodynamiques de l'insufflation du mélange gazeux sur le transfert de chaleur dans la zone de visée.
Compte tenu de la valeur de Q définie plus haut, on peut écrire :
(D
En faisant successivement varier le rapport R de R0 à Rj et le débit D de D0 à Dj, respectivement aux instants tj = t0 + (At)i et t2 - t0 + (At)2» on lira au pyromètre 4 les températures suivantes :
et
(2) (3)
En résolvant le système d'équations (1), (2), (3), on obtient la valeur des quantités de chaleur que l'on peut introduire dans la relation initiale donnant le rapport R :
Cette nouvelle valeur de R se calcule aisément. Il suffit alors de la substituer à la valeur de R0 dans l'équation (1) et on obtient alors la valeur de la température réelle de l'acier, avec le débit de mélange gazeux D0.
Les intervalles de temps (At)j et (At)2 doivent être relativement courts, de l'ordre de quelques secondes au maximum, pour que l'état du bain d'acier n'ait pas pu varier de manière sensible.
Cette condition est aisément réalisée par le système électronique 11, qui commande automatiquement le mouvement des vannes 9, 10 et les mesures de débit et de température.
En marche continue, la dernière mesure de température d'un cycle de mesure constitue de préférence la première mesure du cycle suivant.
La fréquence des cycles de mesure doit être choisie en tenant compte de la vitesse de variation de la température du bain de métal, ainsi que des temps de réponse des composants utilisés. Plus la variation de la température est rapide, plus les appareils de mesure et de régulation devront offrir des performances élevées de rapidité et de fiabilité.
Claims (8)
1. Procédé de mesure de la température d'un bain de métal en fusion contenu dans un récipient métallurgique, dans lequel on vise ledit métal à travers un trou percé dans la paroi dudit récipient métallurgique, sous le niveau supérieur dudit bain de métal, caractérisé en ce que l'on insuffle, dans le trou de visée, un mélange gazeux sous pression composé d'un gaz neutre et d'un gaz oxydant.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion R de gaz oxydant dans ledit mélange gazeux est telle qu'elle provoque un réchauffement local dudit bain de métal qui compense le refroidissement local dudit bain de métal provoqué par le gaz neutre.
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'à chaque mesure de la température du bain de métal, on détermine l'état thermique de ce bain de métal, c'est-à-dire sa teneur en éléments thermogènes, en ce que l'on calcule la quantité de chaleur dégagée par la combustion desdits éléments thermogènes avec un volume unitaire de gaz oxydant, en ce que l'on calcule la quantité de chaleur cédée par le bain de métal à un volume unitaire de gaz neutre, et en ce que l'on insuffle un mélange gazeux dont les composants sont proportionnés de façon à exercer sur le bain de métal un effet thermique sensiblement nul.
4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que : (a) à un instant initial t0, avec un débit nominal de mélange gazeux D0 et un rapport R0 connus, on lit la température initiale T0 du bain de métal; (b) à un instant tj = t0 + (At)i avec le même débit nominal D0 et avec un rapport Rj = R0 + AR, également connu, on lit la température Tj du bain de métal; (c) à un instant t£ = t0 + (At)£ » avec un débit nominal Dj = D0 + AD connu et avec le rapport R0, on lit la température T2 du bain de métal; (d) à partir de ces valeurs du débit D, de la température T et du rapport R, on calcule une nouvelle valeur du rapport R, qui conduit à un effet thermique nul du mélange gazeux insufflé; (e) on applique cette nouvelle valeur du rapport R avec le débit nominal D0 et on lit la température réelle Tr du bain de métal.
5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'on répète de manière ininterrompue le cycle d'opérations (a) à (e), la dernière mesure (e) d'un cycle constituant la première mesure du cycle suivant.
6. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit gaz oxydant est de l'oxygène pur en mélange ou non avec de l'air.
7. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz neutre est choisi parmi l'azote, l'argon et leurs mélanges.
8. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit bain de métal en fusion est un bain d'acier dans un convertisseur.
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