LU88110A1 - Dispositif pour mesure en continu de la temperature d'un bain metallique - Google Patents

Description

DISPOSITIF POUR LA MESURE EN CONTINU DE LA TEMPERATURE D'UN

BAIN METALLIQUE

La présente invention concerne un dispositif pour la mesure en continu de la temperature d'un matériau fondu, notamment d'un bain métallique et plus particulièrement de l'acier liquide contenu dans un répartiteur de coulée continue. Un tel dispositif comprend une sonde avec un thermocouple et un dispositif de suspension installé au-dessus dudit bain métallique.

Au cours du procédé de coulée continue il est extrêmement important pour l'opérateur de connaître à tout moment la température exacte du bain métallique contenu dans la répartiteur de coulée continue. Une température de coulée optimale est importante aussi bien pour la productivité de l'installation, que pour la qualité du produit.

En effet si la température du bain devient trop basse, on a une mauvaise coulabilité et l'acier risque de se figer dans le répartiteur. D'autre part une température trop haute du bain dans le répartiteur peut provoquer des percées du brin dans ou sous la lingotière et de plus elle accroît la ségrégation de certains elements (p.ex. C, Mn, S, P,...) vers le noyau du brin de coulée.

Suivant la qualité de l'acier coulé, l'écart entre la température limite supérieure et la température limite inférieure admissibles peut être de l'ordre de 10°C, pour une température moyenne du bain d'environ 1500°C. Il faut en conséquence que la mesure de température se fasse avec une précision suffisante, car une erreur absolue sur la température mesurée de 1,0°C signifie déjà une erreur relative de 10% par rapport à la plage de mesure qui intéresse l'opérateur de la coulée continue. De plus il s'agit de suivre de façon continue l'évolution dynamique de la température dans le temps tout en gardant une précision suffisante à l'intérieur de cette plage assez étroite. Ceci nécessite entre autres une réponse rapide et fiable des sondes de mesure utilisées.

Il existe actuellement plusieurs sondes de température basées sur des thermocouples qui sont utilisées pour surveiller la température du bain métallique dans le répartiteur de coulée continue.

Un dispositif de mesure communément utilise pour déterminer la température de l'acier dans le répartiteur de coulée comprend par exemple une lance munie a sa tête d'un capteur thermique remplaçable. Ce capteur est constitué d'une soudure chaude d'un thermocouple, montée sur un support en carton. Il est possible d'obtenir avec un tel dispositif des mesures ponctuelles, mais il n'est pas possible de surveiller de façon continue l'évolution de la température du bain métallique dans le répartiteur, car le capteur sans protection se consomme dans le bain métallique et doit être remplacé après chaque mesure.

Une sonde de température plus récente est constituée d'un thermocouple qui est intégré dans une cavité foree dans un corps massif constitué d'un matériau céramique réfractaire, généralement de ΙΆΙ2Ο3. Ce corps est alors soit immergé dans le bain d'acier, soit laisse flotter en un endroit donné sur le bain d'acier. Il est ainsi possible de faire des mesures de température en continu, mais la précision et le comportement dynamique du capteur laissent à désirer. En effet, pour assurer une durée de vie convenable au capteur, le corps en céramique réfractaire doit être assez massif et être constitué d'un matériau céramique qui se caractérise avant tout par une excellente résistance à l'usure par le bain métallique et surtout par la couche de laitier flottant sur ce bain. Ces exigences en rapport avec la résistance à l'usure ne favorisent malheureusement pas toujours la précision et le comportement dynamique de la sonde. De plus il convient de remarquer que la simple introduction de la soudure chaude dans une cavité aménagée dans le corps réfractaire peut elle aussi fausser les mesures. En effet, ce mode de montage entraîne nécessairement une couche d'air entre la soudure chaude et le corps réfractaire, qui augmente la résistance thermique de la sonde. De plus on n'est jamais sûr de l'emplacement exact de la soudure chaude dans le canal aménagé dans le corps réfractaire. Ainsi les mesures obtenues par deux sondes différentes ne sont pas nécessairement comparables et on doit toujours craindre que les mesures obtenues sont faussées parce que la soudure chaude s'est déplacée dans ledit canal.

Le but de la présente invention est de fournir un dispositif pour la mesure en continu de la température d'un matériaux fondu, notamment d'un bain métallique, comprenant une sonde avec un thermocouple et un dispositif de suspension installé au-dessus dudit bain métallique, cet ensemble n'ayant pas les défauts prémentionnés.

Ce but est atteint par un dispositif comprenant les éléments caractéristiques de la première revendication.

Les revendication dépendantes décrivent des exécutions avantageuses.

Selon une caractéristique principale, la soudure chaude du thermocouple munie de fils de raccordement est intimement intégrée, notamment moulee, dans un premier matériau céramique pour former une cartouche oblongue de laquelle lesdits fils de raccordement émergent d'une première extrémité. Cette caractéristique permet en premier lieu une bonne transmission de la chaleur dudit premier matériau céramique sur la soudure chaude, car il n'existe plus, de joint d'air entre les deux. Le capteur et le matériau céramique sont intimement en contact et ces cartouches peuvent être produites en série de façon à avoir strictement les mêmes caractéristiques thermiques.

Selon une autre caractéristique principale, ladite cartouche oblongue est encastrée avec ladite première extrémité dans un corps massif constitué d'un second matériau réfractaire de façon que la deuxième extrémité de la cartouche soit en saillie par rapport audit corps massif.

Ce mode d'assemblage permet de réaliser une division de tâches entre la cartouche oblongue renfermant la soudure chaude et le corps massif. En effet ledit corps massif ne remplit plus aucune fonction dans la chaîne de mesure. Il sert essentiellement de liaison entre ladite cartouche et un dispositif de suspension de la sonde et il protège les fils de raccordement dudit thermocouple. Ainsi il peut être dimensionné suivant des critères d'usures sans prendre en considération des exigences thermiques. Ledit second matériau réfractaire doit en conséquence avoir une excellente résistance au bain métallique et surtout à la couche de laitier recouvrant ce dernier dans le répartiteur de coulée continue. Sa conductivité thermique et sa chaleur massique par contre ne sont qu'accessoires.

Ladite cartouche enrobant la soudure chaude pourra quant à elle être dimensionnée essentiellement suivant des critères thermiques. Bien entendu ledit premier matériau réfractaire constituant cette cartouche devra encore avoir une bonne résistance aux températures élevées et a l'usure par le bain métallique, mais ce caractère est devenu accessoire. En effet, cette cartouche n'est que faiblement exposée au bain métallique et, grâce à un montage de son extrémité saillante vers le bas, elle n'est pas du tout en contact avec le laitier flottant sur la surface. De plus la durée de vie de cette cartouche peut être différente de la. durée de vie du corps réfractaire massif, car ces éléments peuvent être échangés a faible coût et sans modifier les caractéristiques de l'ensemble de mesure.

Il en résulte que le premier matériau réfractaire, dans lequel la soudure chaude est intégrée pour former une cartouche oblongue, est de préférence un matériau qui a une très bonne conductivité thermique et une résistance électrique élevée, en comparaison audit second matériau qui a plutôt de meilleures caractéristiques du point de vue usure.

Il faut aussi noter que l'emplacement de la soudure chaude dans la sonde selon la présente invention est exactement défini par un siège étudié de ladite cartouche oblongue dans ledit corps massif. Ce siège garantit une très bonne reproductibilité des mesures en cas de remplacement de ladite cartouche. De plus un scellement de ladite cartouche dans ledit corps massif garantit que 1'emplacement de la soudure chaude dans la sonde ne peut plus varier pendant son utilisation. Il est d'ailleurs facile de vérifier si cet emplacement est exactement le même pour deux sondes différentes. A cet effet il faut simplement comparer la longueur de l'extrémité saillante de leur cartouche.

Dans une première réalisation d'un dispositif de mesure selon la présente invention, ledit corps massif a la forme d'un corps allongé, par exemple un cylindre droit, et ladite cartouche est intégrée dans une de ses deux extrémités. On peut alors immerger la soudure chaude profondément dans le bain métallique si tel est désire.

Dans une deuxième réalisation ledit corps massif a la forme d'un cône tronqué et ladite cartouche est encastrée du côté de la petite base dudit cône tronqué. Cette exécution de la sonde est conçue pour flotter sur la surface du bain métallique. Le corps massif sert de flotteur qui, tout en pouvant être retenu et guidé par un dispositif de suspension, suit les variations de niveau du bain métallique dans le répartiteur de coulée. On obtient ainsi des mesures à une profondeur d'immersion strictement constante, bien que le niveau de l'acier dans le répartiteur de coulée soit essentiellement variable. Il sera apprécié que la forme tronconique du corps massif permet une bonne flottabilité dans une position stable et assure en même temps une couche d'usure maximale au niveau de la couche de laitier particulièrement agressive.

Reste à noter que ladite cartouche oblongue est avantageusement réalisée en nitrure de bore qui est un excellent isolant électrique et qui a une conductivité thermique élevée et une bonne résistance aux températures élevées et aux chocs thermiques. Ledit corps massif est par contre avantageusement réalisé en un matériau réfractaire sur base de AI2O3. Ces matériaux réfractaires ont depuis longtemps fait leurs preuves dans des applications analogues en métallurgie. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description à titre d'illustration, de formes d'exécutions préférées, représentées par les dessins en annexe, dont : - la Figure 1 montre une coupe à travers une sonde . tronconique; - la Figure 2 montre une sonde cylindrique attachée à un dispositif de suspension.

La Figure 1 montre une coupe longitudinale d'une sonde tronconique 10 selon la présente invention. Elle comprend un corps massif 12 réalisé en un matériau réfractaire sur base de AI2O3, qui a sensiblement la forme d'un tronc de cône droit ayant une petite base 13 et une grande base 15. De la petite base 13 saillit une cartouche 14. Cette cartouche 14 est fabriquée en nitrure de bore qui est un des rares matériaux qui possèdent une très bonne conductibilité thermique en même temps qu'une résistivité électrique élevée. Ces caractéristiques permettent d'incorporer une soudure chaude d'un thermocouple directement dans la cartouche en contact intime avec le nitrure de bore. Le nitrure de bore a, par ailleurs, les propriétés d'être pratiquement insensible aux chocs thermiques, de présenter une bonne résistance à l'oxydation et de ne pas avoir de mouillabilité par l'acier et la scorie. De plus, le nitrure de bore se laisse travailler à façon moyennant des outils traditionnels. Toutes ces propriétés font que la protection de la soudure chaude peut être rendue durable et fiable. On prendra toutefois la précaution de munir le .thermocouple d'un revêtement de protection pour éviter entre autres une nitruration éventuelle.

La cartouche 14 renfermant la soudure chaude du thermocouple est logée, dans cet exemple, sur environ deux tiers de sa longueur dans un alésage traversant axialement ledit corps massif 12, tandis que l'autre tiers est en saillie par rapport à la petite base 13 du corps 12. A proximité de la petite base 13 l'alésage axial, dans lequel la cartouche 14 est logée, est élargi de façon que cette dernière puisse être scellée solidement dans le corps 12 à l'aide d'un ciment réfractaire 16. Afin de procurer à la cartouche 14 dans ledit alésage axial un siège impeccable, qui garantit une définition précise de sa position dans cet alésage, l'extrémité de la cartouche 14 se trouve logée dans un manchon 18, qui est encastré dans ledit corps massif 12. Ce manchon 18 a un diamètre intérieur qui correspond au diamètre de la cartouche 14 et est fermé par un anneau 20 qui constitue une butée axiale pour la cartouche 14. Le manchon 20 définit en conséquence exactement la position de la cartouche 14 par rapport au corps 12 lors du montage et du scellement de cette dernière à l'aide dudit ciment 16.

Dans la grande base 15 du corps 12 est encastré un tube 22 dont l'extrémité, qui est en saillie par rapport à la grande base 15, peut être accouplée à un dispositif de suspension de la sonde qui est installé au-dessus du bain métallique. Ce tube 22 et le manchon 18 sont reliés coaxialement par un deuxième tube 24 de diamètre plus petit. Le manchon 18, le tube 22 et le tube 24, constituent ainsi une conduite métallique qui est solidement ancrée dans le matériau réfractaire dudit corps massif 12. A travers cette conduite sont acheminés les fils de raccordement de la soudure chaude qui émergent axialement de l'extrémité de la cartouche 14 qui est contenue dans le manchon 18.

Cette sonde 10 est placée avec la petite base 13 tournée vers le bas dans le répartiteur de coulée continue qui contient l'acier en fusion. Vu la différence entre les densités relatives du corps réfractaire 12 et de l'acier, cette sonde 10 peut flotter sur la surface^ du^ bain métallique. La cartouche 14 est' ainsi immergee a^ une profondeur strictement constante dans le bain métallique. Il convient de noter que cette profondeur d'immersion de la soudure chaude n'est pas affectée par les variations de niveau dans le répartiteur, car la sonde 10 flottant sur l'acier liquide suit toutes ces variations de niveau.

La Figure 2 montre une sonde cylindrique 10' suspendue à un dispositif de suspension 11. La sonde 10' se distingue de la sonde 10 de la Figure 1 uniquement en ce que le corps 12' est un corps oblong de forme cylindrique ayant une base inférieure 13' et une base supérieure 15'.

Une cartouche 14' renfermant la soudure chaude d'un thermocouple est en saillie par rapport à ladite base inférieure 13'. De la base supérieure 15' sort un tube métallique 22' qui est accouplé à une conduite 28 par l'intermédiaire d'un accouplement 26. Dans cet accouplement 26 est entre autres logée la soudure froide, qui est de préférence refroidie par un flux d'air ou d'un autre gaz traversant la conduite 28.

La conduite 28, qui sert à la fois de gaine de protection pour les conduites électriques et de conduite pour le gaz de refroidissement pour la soudure froide, a une forme en portique; c'est-à-dire elle est composée d'un premier tube vertical 29 prolongeant l'accouplement 26 vers le haut, d'un deuxieme tube 30 s'étendant horizontalement jusqu'au bord du répartiteur de coulée continue et d'un troisième tube 31 descendant verticalement dans un quatrième tube 34, dans lequel il peut coulisser verticalement.

Le tube horizontal 30 est supporté par un appui 32 qui est déplaçable verticalement dans un support vertical 33. En déplaçant le support 32 en hauteur on sait descendre plus ou moins profondément la sonde 10' dans le bain métallique. Par contre en laissant coulisser l'appui 32 librement dans le support vertical 33 une sonde du genre de celle montrée sur la Figure 1 pourra suivre librement les variations de niveau du bain métallique.

Il sera apprécié que la présente invention propose un dispositif pour la mesure en continue de la température d'un matériau fondu, notamment d'un bain métallique et plus particulièrement de l'acier liquide contenu dans un répartiteur de coulée continue, qui se distingue par une plus grande durabilité de la sonde et qui permet en même temps de faire des mesures continues plus précises que des dispositifs à thermocouples utilisés jusqu'à présent.

Claims (7)

1. Dispositif pour la mesure en continu de la température d'un matériau fondu, notamment d'un bain métallique, comprenant une sonde avec un thermocouple muni de fils de raccordement et un dispositif de suspension de la sonde installé au-dessus dudit bain métallique, caractérisé en ce que la soudure chaude du thermocouple est intégrée dans un premier matériau céramique pour former une cartouche oblongue .(14) de laquelle les fils de raccordement émergent d'une première extrémité, en ce que cette cartouche est encastrée avec cette première extrémité dans un corps massif (12), constitué d'un second matériau céramique réfractaire, de façon que la seconde extrémité de la cartouche (14) soit en saillie par rapport audit corps massif (12), et en ce que ce dernier est solidaire dudit dispositif de suspension (11) de façon que l'extrémité saillante de ladite cartouche (14) soit tournée vers le bas.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps massif (12') a la forme d'un corps allongé, en ce que ladite cartouche (14') est intégrée dans une de ses deux extrémités (13') et que l'autre extrémité (15') est solidaire dudit dispositif de suspension (11) au-dessus du bain métallique.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit corps massif (12) a la forme d'un cône tronqué, en ce que ladite cartouche (14) est encastrée du côte de la petite base (13) dudit cone tronque et que l'autre base (15) est solidaire dudit dispositif de suspension (11).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit corps massif (12) fait office de flotteur nageant sur le bain et que ledit dispositif de suspension (11) permet audit corps massif de suivre des variations de niveau du bain liquide, la cartouche (14) étant en permanence immergée dans la phase métallique du bain.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier matériau céramique est du nitrure de bore.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second matériau céramique est un matériau réfractaire sur base de AI2O3.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite première extrémité de la cartouche (14) est introduite dans un manchon métallique (18) qui est encastré dans le corps massif (12) et définit exactement la position de la cartouche (14) par rapport au corps (12), lors du montage et du scellement de la cartouche (14) avec un ciment réfractaire.