EP4689521A1 - Four metallurgique suivi par reflectometrie electrique - Google Patents

Four metallurgique suivi par reflectometrie electrique

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Publication number
EP4689521A1
EP4689521A1 EP24716739.8A EP24716739A EP4689521A1 EP 4689521 A1 EP4689521 A1 EP 4689521A1 EP 24716739 A EP24716739 A EP 24716739A EP 4689521 A1 EP4689521 A1 EP 4689521A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
waveguide
less
target
measuring part
support
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24716739.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thibault Champion
Mickaël BOINET
Jérôme SANT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Original Assignee
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS filed Critical Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Publication of EP4689521A1 publication Critical patent/EP4689521A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D21/00—Arrangement of monitoring devices; Arrangement of safety devices
    • F27D21/0021—Devices for monitoring linings for wear
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Definitions

  • the present invention relates to a metallurgical furnace, in particular a foundry furnace, more particularly an induction furnace, equipped with a device for monitoring the state of a part of such a furnace, in particular the state of the refractory lining of the furnace enclosure.
  • It also relates to a manufacturing method and a method of measuring the condition of the refractory lining of such a furnace.
  • Figure 1 schematically represents in cross section, a crucible 8 of an induction furnace of a metallurgical furnace.
  • This crucible comprises a side wall 10 which extends, substantially vertically, from a bottom 41 delimiting an enclosure 9.
  • the side wall 10 of the crucible conventionally comprises, from the outside to the inside of the crucible:
  • refractory coating 22 of rammed earth which may comprise an unconsolidated region 28, preferably in the form of a compacted powder, and a consolidated region 29 in metal contact, defining the interior surface 28 of the crucible.
  • thermal insulation 17 and electrical insulation 22 are not limiting.
  • the electrically insulating layer 22 is made of a dielectric mineral material, for example mica, and has the function of electrically insulating the inductor and the refractory coating.
  • the thermal insulation layer 17 may in particular be a ceramic fibrous mat, in particular made of an aluminosilicate.
  • a ceramic fibrous mat in particular made of an aluminosilicate.
  • the bottom or “sole” 41 conventionally comprises, from the outside to the inside of the crucible: a first layer of refractory blocks 13, substantially horizontal; - a refractory coating 22' itself comprising an unconsolidated layer 28', preferably in the form of a compacted powder, and a consolidated layer 29', defining the interior surface, or hot face 37 of the crucible.
  • the 22 or 22’ refractory lining is also called the “first layer”.
  • the other layers form the “back layer” and can each be considered as “sub-layers” of the back layer.
  • the furnace can be fixed but is usually mobile so that the molten metal it contains can be poured into different tanks or foundry molds.
  • US5139671 describes an array of electrodes arranged in the thermal insulation layer between the inductor and the refractory layer in contact with the molten metal. This technology involves an impedance likely to interact with the inductor and disrupt the operation of the furnace. In addition, this technology is expensive due to the large number of electrodes and the numerous connections it requires.
  • W02004/015349A2 describes a non-resistive device comprising optical waveguides. This technology has the merit of avoiding any electrical interaction but it is not reliable enough due to the fragility of optical fibers, even when protected by a fibrous mat. In addition, in service, the performance of this device is limited in temperature.
  • JPH11264706A or JP3395886B2 is a device for measuring the residual thickness of the lining of a blast furnace placed in the thickness of the lining.
  • This device is very invasive and significantly increases the risk of the lining breaking through. In addition, its spatial resolution is very low.
  • EP0065583A1 describes a metallurgical furnace equipped with an electrical reflectometry device for determining a residual thickness by measuring the travel time of a reflected wave in a waveguide placed perpendicular to a hot face.
  • Documents US3078707A, US3532797, US3307401 or US3512413 cited by EP0065583A1 envisage the measurement of the residual thickness of a furnace lining by the variation of resistance or electrical potential of a network of electrical conductors oriented perpendicular to the hot face or of an electrically conductive plate perpendicular to the hot face.
  • DE2461804, also cited by EP0065583A1 relates to a device comprising a waveguide and a reflector positioned between a target part whose thickness is measured by injecting, with an electromagnetic radiation generator, two signals of different high frequencies.
  • One aim of the invention is to meet, at least partially, this need.
  • a metallurgical furnace preferably a foundry furnace, preferably an induction furnace, comprising:
  • each waveguide comprising, between an input end and an output end, first and second electrical conductors, preferably metallic, electrically insulated from each other, preferably by a dielectric material,
  • a measuring portion of the waveguide comprising a plurality of impedance discontinuities and extending parallel to the hot face and at a depth (distance behind said hot face relative to the interior of the enclosure) greater than 10 cm, preferably greater than 15 cm, or greater than 20 cm; preferably less than 200 cm, preferably less than 100 cm;
  • an interrogator electrically connected to the input end and configured to inject an interrogation signal through said input end, receive a response signal reflected by said waveguide in response to said injection, analyze the response signal and transmit a message on the state of the target based on said analysis.
  • the waveguide network also makes it possible to track a target of any size in a metallurgical furnace.
  • the target preferably comprises the monolithic rammed earth refractory lining 22, 22’ defining the hot face of the side wall of the furnace crucible.
  • said impedance discontinuities comprise “basic discontinuities”:
  • cleats made of a dielectric material, the cleats preferably having a length of less than 10 cm, preferably less than 5 cm, preferably less than 3 cm, more preferably less than 2 cm and/or greater than 0.5 cm, and/or
  • variations in the structure and/or composition of the environment around the first and second electrical conductors or between the first and second electrical conductors preferably variations in the structure and/or composition of a dielectric material of a support, preferably a ceramic matrix composite, preferably by the random dispersion of particles and/or fibers of a dielectric material within the support, and in particular within the matrix of the ceramic matrix composite, or between the first and second electrical conductors.
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • FDR Frequency Domain Reflectometry
  • the basic discontinuities are capable of generating basic secondary echoes in response to the injection of the interrogation signal, i.e. in service, to monitor the state of the target.
  • the amplitudes of the echoes are preferably measured under conditions similar or identical to those experienced by the measuring part in the service position, preferably at a temperature greater than 500°C, preferably greater than 600°C, preferably greater than 700°C, preferably greater than 800°C and/or less than 1300°C, preferably less than 1200°C, more preferably less than 1100°C.
  • the basic discontinuities are randomly distributed at least along the measurement portion of the waveguide, or even along the entire length of the waveguide.
  • the random distribution avoids interference resonance phenomena.
  • the basic discontinuities are:
  • cleats for example in the form of beads or cylinders preferably with a circular base
  • the cleats preferably having a length of less than 10 cm, preferably less than 5 cm, preferably less than 3 cm, more preferably less than 2 cm and/or greater than 0.5 cm, and/or - local variations in the distance between the first and second electrical conductors.
  • the conductors may be sandwiched between two textiles made of a ceramic matrix composite or may be attached to the surface of a ceramic matrix composite textile, a dielectric material, for example in the form of a regular pattern, preferably extending over a surface of one or more of said textiles.
  • the dielectric material may for example result from a deposit of a slip and then a hardening of the slip.
  • the aforementioned sandwiches have a thickness greater than 5 mm, greater than 8 mm, greater than 10 mm and/or less than 50 mm.
  • a textile preferably each of the aforementioned textiles, has a thickness greater than 0.5 mm, greater than 1 mm, and/or less than 10 mm, less than 5 mm or less than 2 mm.
  • the basic discontinuities generated by texturing generate more than 80% of said basic secondary echoes.
  • the cleat(s) are preferably arranged less than 1 mm from the first and/or second electrical conductor, preferably in contact with the first electrical conductor and/or the second electrical conductor.
  • the cleat(s) are threaded, in the measuring part, onto the first electrical conductor and/or onto the second electrical conductor.
  • bead-shaped lugs made of a dielectric material are threaded, in the measurement portion, onto the first electrical conductor and/or the second electrical conductor, and the lugs are arranged to together form a segmented protective sheath extending throughout the measurement portion of the waveguide.
  • the cleat(s) are preferably spacers made of a dielectric material, arranged to maintain the first electrical conductor at a distance from the second electrical conductor.
  • the cleat(s) are movable relative to the first electrical conductor and/or the second electrical conductor.
  • the cleat(s) are made of a thermally and electrically insulating material.
  • the thermally insulating material preferably has a thermal conductivity of less than 30 W/m.K, less than 20 W/m.K, less than 10 W/m.K, or even less than 5 W/m.K, at a temperature between 20°C and 1000°C.
  • the cleat(s) have a melting point greater than 300°C, greater than 500°C, or greater than 1000°C, and preferably are made of a material selected from mica, mica derivatives, titanium, barium, mullite, cordierite and alumina.
  • discontinuities are created by making said measuring portion integral with a said support.
  • the support may surround the measuring portion, in the manner of a sheath, or sandwich the measuring portion.
  • the measuring portion may be sandwiched between two textiles, preferably woven, stiffened by a ceramic matrix. The irregularities of the textiles and the matrix of such a ceramic matrix composite advantageously and unexpectedly make it possible to create basic discontinuities.
  • the impedance discontinuities are spaced apart from each other by a distance, measured along the waveguide, at least 10 times, preferably at least 15 times, preferably at least 20 times less than the reference wavelength, equal to the propagation speed of the interrogation signal, of approximately 200,000 km/s for an electromagnetic wave, divided by the frequency of the highest peak of the frequency spectrum of the interrogation signal.
  • the invention further relates to a method for manufacturing a furnace according to the first main embodiment, said method comprising the following steps: i) modifying a measuring part of at least one waveguide, preferably a coaxial cable, so as to create basic discontinuities randomly distributed along the waveguide; ii) integrating said at least one modified waveguide obtained in or against a wall of an enclosure of a glassmaking furnace; iii) connecting a said interrogator to an input end of said at least one modified waveguide, said at least one modified waveguide constituting a said wired electromagnetic waveguide, so as to obtain a glassmaking furnace according to the first main embodiment.
  • the person skilled in the art knows how to modify a waveguide, and in particular a coaxial cable, to create basic discontinuities.
  • step i) comprises, preferably consists of, a modification of the outer surface of a waveguide, preferably of a coaxial cable, preferably by texturing the outer surface of the waveguide and/or segmentation, for example by threading cleats.
  • the waveguide that is the subject of the modification in step (a) may be a commercial waveguide.
  • Step i) may be replaced by a step i') in which the basic discontinuities are created simultaneously with the manufacture of the waveguide. They may be created, in particular, by texturing the outer surface of the waveguide and/or segmentation, for example by threading cleats onto the waveguide, but also by modifying the composition of the dielectric interposed between the first and second electrical conductors and/or by modifying the composition of at least one of the first and second electrical conductors, and/or by creating reliefs on the surface of said dielectric material and/or at least one of the first and second electrical conductors.
  • the furnace further comprises one or more of the following optional features, preferably all of the following optional features: a) the measuring part of each of the waveguides of said network extends parallel to the hot face and at a distance adapted so that in service, that is to say when the furnace is in normal operation, said measuring part is at a temperature greater than 500°C, preferably greater than 600°C, preferably greater than 700°C, preferably greater than 800°C and/or less than 1300°C, preferably less than 1200°C, more preferably less than 1100°C; b) the maximum distance between two measuring parts of any two waveguides of the array is greater than 20 cm, preferably greater than 30 cm, preferably greater than 50 cm, preferably greater than 70 cm, preferably greater than 90 cm, and preferably less than 500 cm; c) at least one, preferably each waveguide of the array is inserted into an orifice of the target, the orifice being configured to provide a thermal expansion space for the waveguide; d) the equivalent diameter
  • the measuring part of the measuring part of a waveguide preferably of each waveguide, preferably not having a bend;
  • the maximum curvature of the measuring part is such that its radius of curvature is at least 3 times, preferably at least 5 times, preferably at least 10 times, greater than the equivalent diameter of said measuring part, which reduces the mechanical stresses on the measuring part.
  • the measuring part of at least one waveguide is slidably mounted relative to the target and/or relative to the support.
  • the inventors discovered that this combination of features, which results from research on a multitude of parameters, provides a solution adapted to the specific constraints of a metallurgical furnace. In particular, it allows:
  • the first and second conductors are fixed to or integrated into a support, preferably in the form of a plate, preferably made of a ceramic matrix composite, preferably are fixed by means of an interfacing layer or refractory tapes, staples or wires or are integrated into said composite.
  • a support preferably in the form of a plate, preferably made of a ceramic matrix composite, preferably are fixed by means of an interfacing layer or refractory tapes, staples or wires or are integrated into said composite.
  • integrated is meant that they are incorporated into the composite, for example by being weft or warp threads of the textile of the composite.
  • the support is preferably arranged between the first layer and the back layer (which preferably includes a heating system, for example an inductor).
  • the support preferably comprises, is constituted by a ceramic matrix composite, and the first and second conductors are integrated within the textile of the ceramic matrix composite, preferably.
  • the conductive threads preferably arranged substantially parallel at a predetermined distance, can for example constitute a part of the weft threads.
  • the other threads of said textile are preferably made of a dielectric material, so as to avoid any contact or electrical short circuit between said conductive threads.
  • the other wires of a dielectric material may be randomly modified, for example by abrasion or chemical etching to generate random base discontinuities.
  • the first and second conductors are randomly modified, for example by abrasion or chemical etching to generate random base discontinuities.
  • At least one of the first and second conductors is physically associated with one or more wires made of a dielectric material, for example randomly wound to generate random base discontinuities.
  • yarns of a dielectric material are added to the textile in a random manner.
  • the first and second conductors are integrated into the textile by weaving so that the distance between said conductors is variable along the conductors.
  • the distance between two said basic discontinuities is then less than 10 cm, preferably less than 5 cm and/or greater than 0.5 cm, preferably greater than 1 cm.
  • the distance between two successive points of passage of the first and second conductors over or under the sheet of weft threads or the sheet of warp threads of the woven textile, possibly overlapping several weft or warp threads, preferably the distance between two successive picks is less than 10 cm, preferably less than 5 cm and/or greater than 0.5 cm, preferably greater than 1 cm.
  • particles and/or fibers of random size and/or random shape and/or random dimensions and/or randomly spatially distributed are arranged in contact with said textile before impregnation by the matrix precursor.
  • An irregularly textured fabric web can also be used as a textile.
  • the first and second conductors are fixed to the surface of the support and, preferably, the support comprises, preferably is constituted by a ceramic matrix composite.
  • the conductors, preferably the measuring part, of at least one waveguide, preferably of each waveguide are fixed on the support by means of an interface layer.
  • An interface layer is a layer made of a material having a coefficient of thermal expansion (CTE) intermediate between that of the support, in particular that of the ceramic matrix of the support, and that of the material constituting the conductors.
  • the interface layer comprises, or even is made of, a NiCrAlY.
  • the conductors, preferably the measuring part, of at least one waveguide, preferably of each waveguide are attached or fixed to the support, preferably in the form of a plate, by means of refractory tapes, staples or wires.
  • the measuring part is protected by a sheath made of a dielectric material, preferably polymer or more preferably ceramic, said sheath surrounding the conductors, the conductors preferably being separated by a dielectric material.
  • Said sheath can be straight or curved. It can be flexible, or rigid to give a shape to the measuring part, or even to the transmission part.
  • the measuring part is protected by a sheath, made of polymer or preferably ceramic in a dielectric material, said sheath surrounding the conductors preferably separated by a dielectric material.
  • Said sheath can be straight or curved. It can be flexible, or rigid to give a shape to the measuring part, or even to the transmission part.
  • a support precursor preferably constituted by a ceramic matrix composite precursor 40', conventionally a prepreg, is wound around the first and second conductors, at least in the measuring part.
  • the instrumented support precursor or the instrumented support is preferably inserted into a protective sheath 27, preferably ceramic.
  • Attaching to or embedding the measuring portion of a waveguide in a ceramic matrix composite is particularly advantageous, not only because the ceramic matrix composite protects the measuring portion, but also because, by construction, even when the ceramic matrix composite includes a woven textile, it has an irregular microstructure that generates many basic discontinuities.
  • the measuring part of at least one waveguide is movable so that its dimensions can change under the effect of a temperature variation in service.
  • the measuring part is mounted so as to slide relative to the target, preferably so as to slide in a housing, in particular an orifice, provided in the target or, preferably, in the support.
  • the housing provides a thermal expansion space, preferably generated by removal of a sacrificial material around which at least a portion of the target or support has been formed.
  • Sliding can also result from the presence of a solid lubricant, preferably graphite, around the measuring part.
  • a solid lubricant preferably graphite
  • the lack of adhesion of the measuring part to the wall of the housing may also result from an incompatibility between the material of the target or the support defining the housing on the one hand, and the measuring part on the other hand, for example from a high porosity of the material of the target defining the housing.
  • Sliding can also result from the insertion of the measuring part into a protective sheath, preferably not segmented.
  • the segmentation of a protective sheath by the succession of dielectric beads along the measuring part tends to increase the attenuation of the signals.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an oven according to the invention, said method comprising, for at least one, preferably for each waveguide of the network, the following successive steps:
  • the sacrificial material is the material of a sacrificial sheath sheathing the measuring portion, and, to interpose the sacrificial material,
  • the target or support is manufactured around the measuring part, preferably by casting and then sintering a precursor of the target around the measuring part, or by inserting the measuring part into a support precursor and then sintering the support precursor around the measuring part;
  • a housing in the form of a groove or a hole (or "orifice"), passing through or not, in the target or in a precursor of the target or in the support or in the support precursor, then the measuring part is inserted into the housing, then the housing is filled with an unshaped refractory product (i.e. a powder or a paste) containing a binder, preferably a hydraulic binder, preferably a cement, and capable of setting into mass by activation of the binder, preferably a refractory concrete, then the unshaped refractory product is hardened.
  • an unshaped refractory product i.e. a powder or a paste
  • the target precursor may be a preform intended to be sintered or a powder mixture capable of setting by chemical reaction.
  • the support precursor may be a ceramic matrix composite precursor comprising a textile and a matrix precursor impregnating the textile, or “prepreg”.
  • the measuring portion provided with the sacrificial sheath may be embedded in the target or support precursor at the time of its manufacture.
  • a housing may be provided in the target or target precursor or support or support precursor, and the measuring portion provided with the sacrificial sheath be embedded in the unshaped refractory material.
  • the sacrificial material is a filling material independent of the waveguide, that is to say which, unlike a sacrificial sheath, is not initially integral with the waveguide and, to interpose the sacrificial material,
  • a housing in the form of a groove or a hole, through or not, in the target or in a precursor of the target or in a support or in a precursor of a support, then
  • the housing is filled with the filling material so as to drown the measuring part, the quantity of filling material being adapted to provide the expansion space, then
  • the housing is filled with a so-called unshaped refractory product, preferably refractory concrete, then
  • the sacrificial material is preferably removed by heat treatment, preferably by consolidation heat treatment of the target precursor or support, preferably by sintering.
  • the sacrificial material is preferably removed by heat during quenching of the furnace and/or during sintering of the unshaped refractory product or target precursor or support precursor at a temperature preferably between 400°C and 1200°C. Sintering may result from quenching of the furnace.
  • Removal of the sacrificial material can be accomplished by vaporization or combustion.
  • the sacrificial material thus leaves room for thermal expansion.
  • the sacrificial material is an organic material, preferably a polymer.
  • a sacrificial material advantageously generates residual carbon which limits the oxidation of the first and second conductors, which allows its use in an oxidizing atmosphere.
  • the manufacturing process may further include one or more of the following optional and preferred features:
  • step 1) and/or step 2) are carried out in situ, i.e. at the location of the furnace at which the measuring part is intended to be used in the furnace;
  • the housing is provided in the support or in a precursor of the support, but it can also be provided in a rear layer of the target or in a precursor of the rear layer;
  • the sacrificial sheath of a waveguide is made of a polymer, preferably a polymer comprising no halogen and/or no nitrogen and/or no silicon, preferably a polyalkylene, preferably a polyethylene or one of its derivatives;
  • the filling material is a resin
  • the removal of the sacrificial material is simultaneous with a hardening of the precursor of the target or of the support leading to said target or said support, respectively.
  • step 1) comprises the following steps:
  • At least one, preferably each measuring part is protected by a protective sheath, preferably ceramic.
  • the sacrificial sheath then covers the protective sheath.
  • the waveguide comprises a protective sheath for the first and second electrical conductors.
  • the protective sheath may be rigidly secured to the conductors, provided that it is segmented, or constitute a rigid sheath serving as a housing for the waveguide.
  • the waveguide may be inserted into the sheath after the sheath has been placed in service position.
  • the sheath may be included in the target at the time of manufacture of said target, for example placed in position before being embedded in a concrete constituting the target.
  • the waveguide can move freely within the sheath.
  • the protective sheath may also provide an expansion space as described above.
  • a rigid sheath can advantageously guide the waveguide to give it a predetermined shape, for example straight or bent, or guide it over a long length during its insertion.
  • the waveguide is protected by two protective sheaths, namely a segmented protective sheath, preferably consisting of several cleats placed end to end, and a rigid protective sheath serving as housing for the waveguide.
  • the segmented protective sheath may for example result from threading a multitude of beads.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a metallurgical furnace according to the invention, said method comprising, for at least one waveguide of the network, preferably for each waveguide of the network, the following steps:
  • step C) installation of the instrumented support if step C) is subsequent to step B) or installation of the instrumented support precursor if step C) is prior to step B), preferably between a rear layer defining the hot face and a heating system of the furnace, preferably substantially parallel to said hot face.
  • a connector is fitted capable of electrically connecting said conductors to an interrogator.
  • the measuring part, or even the transmission part is protected by a said sheath, before fixing or integration into the support.
  • step B) the baking is such that the temperature of the instrumented support precursor is between 400 and 1200°C.
  • step B) is carried out, prior to step C), in an oven or furnace, preferably in air and preferably in a controlled atmosphere.
  • an instrumented support precursor is installed on or in a target precursor, and in step B), the instrumented support precursor is simultaneously consolidated by transforming the ceramic matrix precursor into a ceramic matrix and the target precursor to transform it into said target.
  • step C) the instrumented support or instrumented support precursor, preferably in the form of a plate, is disposed between
  • the waveguide network of a metallurgical furnace according to the invention may also include one or more of the following optional and preferred features:
  • the waveguide network extends at least partially, preferably completely, within
  • a refractory rear layer extending behind a first layer consisting of an assembly of refractory blocks defining the hot face of the target or
  • the measuring portion of a waveguide extends in said back layer or in a sublayer of said back layer, preferably behind the barrier sublayer;
  • said underlayer is a thermally insulating underlayer in contact with the cold face of the target, intended to define the thermal profile of the coating, or preferably , an electrically insulating underlayer intended to electrically insulate the first layer, or even, and preferably when the target is the sole, between the thermally insulating underlayer and the electrically insulating underlayer;
  • the measuring portion of a waveguide of the array preferably of each waveguide of the array, extends into a housing, preferably in the form of an orifice, provided in the target and defining a thermal expansion space for said waveguide;
  • the thermal expansion space is adapted so that in service, the measuring part of the waveguide is not compressed by the target under the effect of the modifications dimensional variations of the target and of said measuring part resulting from temperature variations;
  • the ratio of the equivalent diameter of the housing to the equivalent diameter of the measuring part is greater than 1.05, preferably greater than 1.10, preferably greater than 1.20, and/or less than 3.00, preferably less than 2.50;
  • said housing is an orifice, the diameter of the orifice being less than the thickness of said layer or sub-layer in which said measuring part is placed;
  • the diameter of said orifice is less than 70%, or even less than 50% of the thickness of said layer or sub-layer;
  • the measuring part of a waveguide preferably of each waveguide, except the bends, extends at least partially, preferably completely parallel to the measuring part of another waveguide;
  • the measuring part of at least one waveguide, preferably of each waveguide of the network, is free of bends;
  • the maximum distance between the measuring parts of any two waveguides is less than 200 cm;
  • the measuring parts of said sheet are spaced from each other by a distance greater than 1 cm, greater than 5 cm, greater than 10 cm, greater than 20 cm, and/or less than 100 cm, less than 80 cm, or less than 50 cm;
  • the furnace comprises more than 1, more than 2, preferably more than 3, preferably more than 5 said layers, said layers being preferably parallel to each other, preferably parallel to the hot face, and preferably regularly spaced apart in a direction perpendicular to the hot face, the distance between two successive layers being preferably less than 10 cm, 5 cm, or 2 cm, which, advantageously, makes it possible to evaluate thermal flows through the target;
  • the radius of curvature of the measuring part of a waveguide, preferably of each waveguide of the network is at any point at least 3 times, preferably at least 5 times, preferably at least 10 times, greater than the equivalent diameter of said measuring part;
  • each waveguide of the network opens onto a cold face of the target, opposite the hot face, or onto a side face of the target (in particular when the target is the bottom of the oven) colder than said hot face.
  • the skilled person knows how to determine the dimensions of a housing for a measuring part in order to reserve a suitable thermal expansion space. For example, for a sole, he will take into account the thermal gradient in the sole, the coefficient of thermal expansion of the slabs and the measuring part, as well as their dimensions.
  • the housing is also sized so that the target and the waveguide can expand independently of each other, and in particular so that an elongation or a narrowing of the target does not cause stresses on the waveguide, and vice versa.
  • each waveguide of the array may further comprise one or more of the following optional and preferred features:
  • the waveguide satisfies the Rayleigh scattering condition, which facilitates the localization of the regions having reflected the basic secondary echoes;
  • At least one spacer made of an electrically insulating material and more deformable than the material of the cleats, is arranged between two adjacent cleats, preferably between the cleats of each pair of two adjacent cleats, at least in the measuring part;
  • each said spacer preferably each said spacer:
  • - is made of an elastically compressible material, like a spring and/or
  • - comprises and/or is made of an organic material, preferably a polymer material, for example based on polyethylene or silicone, preferably chosen from elastomers, thermoplastic materials and heat-shrinkable materials, for example in the form of a foam or a putty;
  • a polymer material for example based on polyethylene or silicone, preferably chosen from elastomers, thermoplastic materials and heat-shrinkable materials, for example in the form of a foam or a putty;
  • the length of the measuring part and/or the waveguide is greater than 1 meter, preferably greater than 2 meters, preferably greater than 3 meters, or even greater than 10 meters and/or less than 30 meters, preferably less than 20 meters;
  • the length of the transmission part is preferably greater than 0.1 m and/or less than 5 meters, or even less than 2 meters;
  • the first and second electrical conductors are coaxial, which limits the size and reinforces the stability of the inter-conductor distance, the dielectric material holding the two coaxial conductors in position;
  • the first and second electrical conductors are straight, which facilitates integration into the target;
  • the equivalent diameter of said first and second conductors is greater than 0.4 mm, greater than 0.5 mm, preferably greater than 1 mm and/or less than 50 mm, preferably less than 20 mm, preferably less than 10 mm, preferably less than 5 mm, which makes it possible to improve the quality of the signal (low attenuation) while reducing the risk of weakening or breaking the target;
  • the first and second electrical conductors are separated from each other by a dielectric material belonging to the target, for example an electrically insulating layer;
  • the first and second electrical conductors comprise, preferably are made of a refractory metal, for example F Silver usable up to 800°C, for example Inconel (for example alloys 625 and 690), usable up to 1100°C, Kanthal of the FeCr type, for example KANTHAL APM, usable up to 1425°C or a noble metal, preferably chosen from Platinum, Tungsten, F Gold, Palladium, Rhodium, Ruthenium, iridium, or an alloy of these elements, the Platinum being able to be doped, preferably with 0.001% to 5% of zirconium oxide, hafnium, calcium, magnesium or yttrium;
  • a refractory metal for example F Silver usable up to 800°C, for example Inconel (for example alloys 625 and 690), usable up to 1100°C, Kanthal of the FeCr type, for example KANTHAL APM, usable up to 1425°C or a noble metal, preferably chosen from Platinum,
  • a dielectric material comprising, preferably consisting of an oxide of at least one element chosen from Al, Zr, Mg and Si, separates said first and second conductors;
  • the material constituting the first and second electrical conductors has an electrical resistivity of less than 10 micro-ohm.m in the temperature range of the environment of the measuring part in service, preferably between 20 and 1000°C;
  • the dielectric material which separates the first and second conductors has a dielectric constant or relative electrical permittivity with respect to vacuum at 25°C and atmospheric pressure, preferably measured at 1 MHz, greater than 3 and/or less than 30, of preference less than 15;
  • the dielectric material comprises an oxide of at least one element chosen from Al, Zr, Mg, Ca, Ti and Si;
  • a protective part for example in the form of a tube or a pierced or grooved brick, preferably a protective sheath, preferably ceramic, partially, preferably completely surrounding said measuring part;
  • said protective sheath is made of an oxide material of at least one element chosen from Al, Zr, Mg, Ca Ti and Si;
  • the waveguide is connected to an interrogator at each of its two ends;
  • the waveguide opens onto a cold face of the target, opposite the hot face, or onto a lateral face of the target colder than said hot face;
  • the first and second conductors are fixed to a plate-shaped support, preferably made of a ceramic matrix composite, preferably by means of an interfacing layer or refractory tapes, staples or wires or are integrated into said composite.
  • At least one spacer made of a material more deformable than the material of the cleats is preferably arranged between two adjacent cleats.
  • a spacer is arranged between the cleats of each pair of adjacent cleats, at least in the measuring portion.
  • the material of the spacers is elastically compressible, in the manner of a spring.
  • a spacer, preferably each spacer preferably has the shape of a spring or the shape of a washer.
  • a spacer, preferably each spacer comprises or is made of an organic material, preferably a polymer material, preferably thermoplastic or heat-shrinkable, or a polymer foam.
  • the spacers are threaded, in the measuring part, onto the first electrical conductor and/or onto the second electrical conductor.
  • Inserting spacers between the cleats advantageously makes it possible to guarantee a minimum spacing between said cleats, in particular when said waveguide is curved.
  • the spacers limit the risk of breakage when winding the guide. waves, for example on a mandrel or a reel, for its transport, and when placing it in the service position.
  • the interrogator may further include one or more of the following optional and preferred features:
  • the interrogator is configured to determine, based on the analysis of the response signals, a temperature, a wear level and/or a wear rate of the target;
  • the interrogator is configured to predict the occurrence of a breakthrough or infiltration of the target by molten metal, or of a sudden movement or degradation of the coating;
  • the oven preferably comprises at least one thermocouple arranged less than 10 cm from a waveguide, preferably from any waveguide, for example in a zone of the oven at a temperature between 500°C and 1500°C when the oven is in service, in order to calibrate said waveguide for an indirect measurement of the temperature.
  • the invention also relates to a method for monitoring the state of a target of a metallurgical furnace according to the invention, said method comprising the following steps: a. manufacturing a metallurgical furnace according to the invention; b. for each waveguide, controlling the interrogator to which the waveguide is connected, so that it injects an interrogation signal through the input end of said waveguide; c. analyzing the response signal so as to determine information relating to the state of the target in the region of the measurement part of said waveguide.
  • the information relating to the state of the target is the residual thickness of refractory or a temperature at one or more points of the target.
  • Figure 1 shows a schematic half-cross section of an induction metallurgical furnace
  • Figure 2 schematically represents an example of a tracking device according to the invention, in a service position;
  • Figure 3 illustrates different possible embodiments for a waveguide comprising beads;
  • Figure 4 illustrates, in cross section, an arrangement of a waveguide in an induction metallurgical furnace in a first, preferred embodiment
  • Figure 5 illustrates a support in the form of a plate, integrating a measuring part according to a first embodiment according to the invention
  • Figure 6 illustrates a support in the form of a plate, integrating a measuring part according to another embodiment according to the invention
  • Figure 7 illustrates the fabrication of a support by winding a support precursor around a measuring part
  • Figure 8 shows an example of a response signal.
  • target refers to a refractory part of the furnace equipped with a tracking device.
  • the target is preferably an element of the refractory lining of the furnace or “first layer” (seen from inside the furnace), conventionally obtained by assembling blocks or by ramming refractory rammed earth, for example an element of the refractory lining of a side wall of a crucible, a wall, a vault or a sole.
  • the first refractory layer is conventionally made of a molten material or a dense sintered material in order to resist the temperature but also corrosion by the molten metal or its slag.
  • the “hot face” is the face of a target that is exposed to a space in the furnace that contains, in service, molten metal or is intended to contain molten metal.
  • the hot face may be in contact, or is intended to be in contact with molten metal and/or its slag.
  • the hot face is thus the face of the target that is subjected or is intended to be subjected to the highest temperatures.
  • All the hot faces of the blocks or rammed earth of the side wall of the metal melting crucible may also, by extension, be referred to as the “hot face”.
  • the upper surface of the hearth may also be referred to as the “hot face”.
  • the adjective “hot” is used for the sake of clarity.
  • the "thickness" of a target is its dimension measured in a direction perpendicular to its hot face, or "depth” direction.
  • depth direction perpendicular to its hot face
  • the thickness is measured in a substantially horizontal direction directed towards the bath of molten metal.
  • the thickness is measured in a vertical direction.
  • Two objects have “substantially the same composition” when at least 80%, preferably at least 90%, of their components are identical.
  • Concrete is typically made up of a set of coarse grains, having a size greater than 50 pm, typically between 50 pm and 25 mm, bound by a matrix, said matrix ensuring a substantially continuous structure between the coarse grains.
  • the matrix is made up of "matrix particles" having a size less than or equal to 50 pm.
  • Activation is the process of setting fresh concrete into mass. It typically results from moistening a particulate mixture containing a hydraulic binder, with water or another liquid, preferably by adding more than 3% water, as a percentage by mass.
  • fresh concrete is preferably poured, vibro-poured, if the mixture is not self-flowing, or even sprayed.
  • a "hydraulic binder” means a binder that, upon activation, generates a hydraulic setting and hardening, generally at room temperature.
  • a cement is a hydraulic binder.
  • An aluminous cement is an example of a cement.
  • a calcium aluminate cement is an example of an aluminous cement.
  • a refractory “rammed earth” is a refractory mixture containing a chemical and/or ceramic and/or organic binder, conventionally shaped after possible humidification, by tamping or compacting or beading, by hand or using appropriate mechanical means.
  • the particulate mixture is not humidified (“dry” implementation) or humidified with less than 3% water, in mass percentage).
  • the “support” is a part added to the target and on which or in which the measuring part of one or more waveguides is arranged.
  • the support physically protects the measuring part, preferably creates basic discontinuities and preferably allows sliding of the measuring part, in particular under the effect of temperature.
  • the support or support precursor is sometimes called "instrumented” when it carries the measuring part of at least one waveguide.
  • a plate typically has two substantially parallel major faces, the thickness between the two major faces typically being less than 1/2, or even less than 1/3, or even less than 1/5, or even less than 1/10, or even less than 1/100 of the width of the major faces.
  • a plate may be flat or curved.
  • the shape of a plate-shaped support is preferably adapted to match the shape of the target to which it is intended to be attached.
  • Ceramic Matrix Composite we conventionally mean a product composed of fibers and/or threads bonded together by a ceramic matrix, preferably representing at least 30% of the ceramic matrix composite by volume.
  • the fibers and/or threads are chosen according to the environment in which the ceramic matrix composite is to be placed, in particular according to the temperature, corrosion, thermal cycling, expansion conditions, and according to the nature of the target to be equipped.
  • the arrangement of the fibers and/or wires, which constitute the reinforcing structure for the matrix is chosen according to the desired shape for the ceramic matrix composite, and the ease of fixing the waveguide there.
  • a stack of woven fabrics or fiber sheets is well suited for simple plates
  • a filament winding is well suited for plates having a geometry of revolution
  • a filament placement is well suited for complex shapes of large dimensions.
  • a ceramic matrix composite is typically manufactured by heating, preferably to above 600°C, preferably to above 700°C, preferably by sintering.
  • the fibers and/or threads are classically in the form of a textile.
  • the ceramic matrix composite can then be described as a “ceramic matrix textile”.
  • a textile can be:
  • a textile is distinguished in particular from a fibrous mat, in which the organization of the fibers or threads is random in the three dimensions of space.
  • a “fiber” is a filament whose length is greater than 5 times its equivalent diameter.
  • the “diameter” of a fiber is the diameter of a disk of the same surface area as its cross-section at mid-length.
  • a “thread” is an assembly of fibers which, in cross-section, contains more than 10 and preferably less than 500,000 fibers, and whose length is greater than 5 times the diameter.
  • Wire means “having the general shape of a wire”.
  • a cable has a wire shape.
  • a narrow strip, or “ribbon”, is considered wire.
  • An object having a wire shape preferably has a length greater than 10 times, 100 times or 1,000 times or 10,000 times its width (i.e. its largest dimension in a plane perpendicular to the direction of its length).
  • waveguide is meant a wired transmission line, different from the target, capable of guiding an electromagnetic wave from a very high frequency electrical signal in order to perform a measurement by time or frequency electrical reflectometry.
  • a waveguide conventionally comprises at least two electrical conductors electrically insulated from each other and which extend along the direction of the length of the waveguide.
  • the interrogation signal is conventionally a variation in the electrical potential difference between said electrical conductors.
  • the interrogation signal is injected at the input end of the waveguide, then propagates in the form of an electromagnetic wave.
  • a variation in electrical impedance causes a partial reflection of this wave.
  • the reflected response signal is also a temporal variation in the potential difference between the electrical conductors.
  • a secondary echo is thus a response of a discontinuity to the interrogation signal
  • the secondary echoes can be “noise” secondary echoes 5, “basic” secondary echoes 6 and/or “clear” secondary echoes 7 (figure 8).
  • Secondary noise echoes are secondary echoes that have an amplitude less than or equal to 0.5% of the amplitude of the background echo and preferably greater than 0.0001%, preferably greater than 0.01%, preferably greater than 0.1% of the amplitude background echo. They are classically generated by “noise” discontinuities resulting from imperfections in the waveguide, generated in particular during the manufacture of the waveguide.
  • secondary noise echoes are of low amplitude, they are therefore very quickly attenuated. In many cases, they do not allow precise monitoring of measurement changes, for example when the temperature increases or when the humidity is high.
  • Basic secondary echoes are secondary echoes generated by “basic” discontinuities generally resulting from intentional modifications made to the waveguide, for example by texturing or adding cleats. They preferably have an amplitude lower than the amplitude of the bottom echo, preferably less than 90%, preferably less than 70%, preferably less than 50%, preferably less than 30% of the amplitude of the bottom echo. When the length of the measurement part is less than 10 meters, they preferably have an amplitude greater than 0.5%, preferably greater than 1% and less than 30% of the amplitude of the bottom echo.
  • the amplitude of the secondary base echoes can be greater than 2%, 3%, or 5%, or even 10% of the amplitude of the bottom echo reflected by the output end of the waveguide.
  • Sharp secondary echoes are secondary echoes that have an amplitude greater than or equal to 30% of the amplitude of the background echo. They are generally isolated and generated by “sharp” discontinuities, typically resulting from a significant or sudden variation in the structure of the waveguide, for example resulting from unintentional degradation of the waveguide, for example by cracking (without rupture). Such sharp, local discontinuities do not allow, by analysis of the sharp secondary echoes, to measure disturbances or modifications of the environment elsewhere than at the locations of the sharp discontinuities. They therefore do not allow to locate measurement variations over the entire length of the measurement part.
  • frank secondary echoes generated by discontinuities can constitute basic secondary echoes usable for monitoring, by time or frequency electrical reflectometry, the state of a part of the furnace if the number of discontinuities which generate them, per meter of waveguide measurement part, is greater than 10, greater than 15, greater than 20, greater than 30, greater than 40, greater than 50, and preferably less than 10,000, and if these discontinuities are randomly distributed.
  • a “discontinuity” or “impedance discontinuity” is a part of the waveguide capable of returning a specific echo in response to an interrogation signal, preferably in the form of a small variation in electrical potential.
  • This echo is modified when the impedance of the discontinuity varies, in particular when it is subjected to a modification of a property of its local environment (i.e. in the region of the discontinuity).
  • the impedance of a discontinuity may in particular be modified when the shape and/or the local temperature of the waveguide, and/or the nature of the local environment, i.e. around the discontinuity, is/are modified. If only one of the modification factors of the discontinuity is modified, for example the local temperature, there is consequently a link between the impedance, and therefore the echo, and the value of this factor.
  • the discontinuity may in particular result from a local variation in the structure and/or composition of the waveguide, and in particular of one of the conductors of the waveguide and/or of a dielectric arranged between said conductors.
  • sacrificial sheath is meant a sheath capable of decomposing, at least partially, preferably by heat treatment.
  • the protective sheath intended to be kept in service and the sacrificial, or “temporary,” sheath, which is used to provide thermal expansion space for the waveguide, and which is therefore intended to be eliminated.
  • the equivalent diameter of a waveguide or measuring part or conductor or housing is the largest of the transverse diameters of that waveguide or measuring part or conductor or housing, respectively, considering all the transverse sections (i.e. perpendicular to the length direction) along that waveguide or measuring part or conductor or housing, respectively, a transverse diameter measured for a transverse section being the diameter of a disk having the same surface area as that transverse section.
  • a “bend” is a region of the measuring portion in which the measuring portion changes direction by more than 45° over a length of less than 80 cm.
  • the “precursor” of an element is an object that, during the manufacture of the furnace, transforms into that object.
  • the preform of a target is a precursor of the target, which transforms into the target during sintering.
  • preform is meant a part shaped or prefabricated from a particulate mixture such as for example concrete (conventionally by pouring and vibration) or rammed earth (conventionally by tamping) and intended to be consolidated by heat treatment, for example by sintering.
  • a particulate mixture such as for example concrete (conventionally by pouring and vibration) or rammed earth (conventionally by tamping) and intended to be consolidated by heat treatment, for example by sintering.
  • the processes for manufacturing a preform are well known to those skilled in the art. Conventionally, the particles of a refractory powder are mixed with a temporary binder and the mixture is put into the desired shape.
  • conductor means the first or second electrical conductor of a waveguide.
  • “Local” or “locally” is used to describe a characteristic or action that only affects a fraction of the waveguide, for example a fraction of a length less than 5 cm, 1 cm or 1 mm.
  • a “local” variation of a property thus means that the value of this property varies in this fraction, for example by more than 5% or more than 10%. This variation can be, for example, less than 500%.
  • ceramic material is conventionally understood to mean a material that is neither metallic nor organic.
  • an oxide glass and carbon in different forms, crystallized or not are considered as ceramic materials.
  • E-TDR electrical time domain reflectometry or electrical frequency domain reflectometry respectively
  • E-FDR electrical frequency domain reflectometry
  • a measuring part is subjected to a temperature which depends on the environment of the target, in particular the molten metal or its vapors, but also on the thickness of material which separates it from this environment. When this thickness decreases at a location on the target, the measuring part can modify its reaction locally to the reception of the interrogation signal.
  • This local reaction allows the interrogator to be informed of a reduction in the thickness of the target, or even of a breakthrough by the molten metal in the target at this location.
  • the waveguide 12 ( Figure 2) has the shape of a transmission line, for example the general shape of a strip or a cable, which extends from an input end 12e to an output end 12s. It comprises:
  • the measuring part is designed to withstand the temperatures to which it is subjected in service, preferably to withstand a temperature of 200°C, preferably a temperature of 300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C, 1100°C, or 1200°C.
  • the length of the waveguide, and preferably of the measuring part is preferably greater than 1 m, preferably greater than 2 m, preferably greater than 5 m, preferably greater than 10 m, greater than 15 m, greater than 20 m, and/or less than 200 m, or even less than 100 m, preferably less than 50 m.
  • each conductor Preferably one conductor, preferably each conductor, or even the waveguide
  • - for a conductor or waveguide having the shape of a strip has a thickness less than 10 millimeters, less than 5 mm, and/or preferably greater than 0.4 mm, preferably greater than 0.5 mm, preferably greater than 1 mm.
  • the waveguide comprises first and second electrical conductors, 12i and 122 respectively, for example in the form of a cable comprising one or more wires, a cable assembly or a strip.
  • Each driver includes:
  • the output ends are not electrically connected to each other, so the conductors do not form an electrical circuit, as in a resistive measuring device, in which direct or alternating current flows.
  • the material of the conductors is preferably a conductive metal such as Al, Cu or a steel or a metal alloy. It can also be a ceramic or a cermet. In particular, for an application in a high temperature environment, the conductors can be
  • inconel for example alloys 625 and 690, usable up to 1100°C,
  • Kanthal type FeCr for example KANTHAL APM, usable up to 1425 °C,
  • a conductor made of a metal coated with conductive refractory oxide of SnCL or Spinel Cr2O3-MgO or perovskite or metalloid or metal carbide may be suitable for very high temperatures.
  • the material of the conductors is a noble metal, preferably chosen from Platinum, Gold, Palladium, Rhodium, Iridium.
  • the electrical resistivity of the first and second conductors is preferably less than 10 micro-ohm. m in the temperature range of the environment, preferably between 20°C and 1000°C.
  • each conductor is formed of a cable formed of one or more wires.
  • the first and second conductors are non-coaxial and kept at a distance from each other by a dielectric insulator, preferably having an electrical resistivity greater than 10, 50, 100 or 1000 times that of the conductors.
  • the waveguide is formed of a coaxial cable, for example of BNC type connection, comprising an internal wire or sleeve forming the first conductor and an external sleeve forming the second conductor, the two sleeves being separated by a separator in the form of an electrically insulating intermediate sleeve.
  • the material of the intermediate sleeve preferably comprises an oxide of at least one element chosen from Al, Zr, Mg, Ca, Ti and Si.
  • said waveguide is formed of at least two linear conductors, preferably platinum wires, for example FKS platinum wires supplied by Ogussa, parallel and spaced apart by a distance greater than 1 mm, preferably greater than 2 mm, and/or preferably less than 20 mm.
  • Refractory beads preferably alumina beads, are threaded onto the conductors, preferably by first and second through-holes through which the first and second conductors pass.
  • the length of the waveguide, and preferably of the measuring part, is preferably greater than 1 m, preferably greater than 2 m, preferably greater than 3 m, or even greater than 10 m, and/or less than 30 m, or even less than 20 m.
  • the two conductors are preferably parallel except, possibly, in the areas of discontinuities. Local defects of parallelism can be provided to create discontinuities, and in particular basic discontinuities.
  • the waveguide and/or each conductor can be inserted into a protective sheath, possibly segmented, in order to protect the conductors during installation of the waveguide.
  • the protective sheath may be made of ceramic, particularly alumina, particularly for an environment at a temperature above 400°C.
  • the protective sheath is preferably made of a material having a coefficient of thermal expansion substantially identical to that of the material of the conductors.
  • the thermal expansion coefficient of the waveguide preferably at least of the measuring part, is substantially identical to that of the part of the target which receives the measuring part (+/-20%, preferably +/-10%).
  • Said protective sheath may be straight or curved, and extends around the measuring part. This sheath may be useful for giving a curved shape to the measuring part, or even to the transmission part.
  • the waveguide, and in particular at least the measuring part, can also be fixed on a support 40 (see figure 5 or 2), preferably in the form of a plate, itself in contact with the target 30.
  • a single support particularly in the form of a plate, can support several measuring parts, or even all of the measuring parts of the waveguide network.
  • the support is preferably at least partly made of a material consisting of threads and/or fibers bonded together by a ceramic matrix, called a “ceramic matrix composite”.
  • the fibers and/or wires and the ceramic matrix will be chosen according to the environment where the ceramic matrix composite is to be placed, in particular according to the conditions of temperature, corrosion, thermal cycling, expansion, and according to the nature of the target to be followed.
  • the coefficient of thermal expansion of the ceramic matrix composite can be adjusted by techniques well known to those skilled in the art, in particular by adapting the composition of the ceramic matrix composite.
  • the ceramic matrix composite has a 3-point flexural fracture toughness, measured according to ASTM C 1341-13, greater than 3 MPa, of preferably greater than 6 MPa, preferably greater than 10 MPa.
  • the mechanical resistance in particular its impact resistance, is improved.
  • a stack of woven fabrics or sheets of fibers or yarns is well suited for simple plates
  • a filament winding is well suited for plates with a geometry of revolution
  • a filament placement is well suited for complex shapes of large dimensions.
  • the ceramic matrix composite in particular in the form of a ceramic matrix textile, has a very high compressive strength of greater than 5 MPa, preferably greater than 10 MPa, which improves the stability of the sensor.
  • This compressive strength is in particular greater than that of the layers made of fiber mats (“insulating mats” in English).
  • the ceramic matrix composite has a melting or sublimation temperature greater than 800°C, preferably greater than 1000°C.
  • the thermal conductivity of the ceramic matrix composite is preferably less than 2.0 Wm ⁇ .K' 1 , between 20°C and 500°C.
  • the ceramic matrix composite comprises, in mass percentage, more than 80%, more than 90%, more than 95%, or even substantially 100% of one or more of the following oxides: AI2O3, Z1O2. HfCL, CnCh, MgO, CaO, SiCL.
  • the ceramic matrix composite has a chemical composition, in mass percentage based on the oxides, such that AI2O3 + SiCL > 80%, preferably greater than 85%, preferably greater than 90%, or even greater than 95%.
  • the matrix comprises, preferably consists of, for more than 80%, more than 90%, more than 95%, preferably substantially 100% of its mass, one or more compound(s) chosen from the group formed by AI2O3, Z1O2, Cr2O3, MgO, CaO and SiO 2 .
  • the volume of the fibers or threads represents more than 25%, preferably more than 30%, preferably more than 40%, preferably more than 50%, preferably more than 60% and/or less than 70% of the volume of the material of the ceramic matrix composite, that is to say without taking into account its porosity, the remainder to 100% being constituted by the ceramic matrix binding said fibers together.
  • the diameter of the fibers, measured at mid-length of the fibers and on average over all fibers, is preferably between 3 and 30 micrometers, preferably between 5 and 25 micrometers.
  • the support is in the form of a plate, flat or non-flat, and has, between its large faces, an average thickness that is preferably constant, preferably less than 40 mm, preferably less than 32 mm, preferably less than 28 mm, preferably less than 22 mm, preferably less than 20 mm, or even less than 18 mm or 15 mm or 10 mm, and/or preferably greater than 1 mm, preferably greater than 2 mm, or even greater than 3 mm, or greater than 5 mm.
  • the surface area of a large face of the support is preferably greater than 100 cm 2 , preferably greater than 200 cm 2 , preferably greater than 300 cm 2 , preferably greater than 400 cm 2 , and/or less than 20,000 cm 2 , preferably less than 15,000 cm 2 or even less than 10,000 cm 2 .
  • the support is in the form of a roll before being affixed to the target.
  • the support is fixed to a cold face of the target and, preferably, the support comprises an openwork zone, i.e. crossed by a plurality of orifices in order to facilitate heat exchanges with the cold face.
  • a support is particularly useful when the target belongs to or constitutes the side wall of the crucible.
  • the target can be in particular a first layer consisting of dense, fused or sintered blocks.
  • the powders are alumina and/or silica and/or mullite powders.
  • the binders are chosen from colloidal silica, sodium silicate, organic resins, organic glues and mixtures thereof.
  • the adhesive used may also be a commercial adhesive such as Fixwool FX adhesives from Unifrax.
  • the measuring portion of the waveguide is embedded within the ceramic matrix composite or the precursor of said ceramic matrix composite, preferably sandwiched between two textiles of said composite.
  • the measuring part of the waveguide is fixed on the support by means of an interface layer.
  • the interface layer may be, in particular if the temperature of the face of the target which receives the support, in particular the cold face, is less than or equal to 400°C, an adhesive comprising a thermosetting, thermoplastic or elastomeric polymer.
  • the first and second conductors of the measuring part are integrated into the arrangement of wires of the ceramic matrix composite or of the precursor of said ceramic matrix composite, for example as a weft thread, a warp thread or a knitting thread. They extend substantially parallel and at a predetermined distance.
  • the distance separating the conductors is greater than 0.3 mm, preferably greater than 0.4 mm, preferably greater than 0.5 mm and less than 30 mm, preferably less than 10 mm, preferably less than 5 mm, preferably less than 3 mm.
  • At least one wire, or even a plurality of wires made of a dielectric material may be interposed between the first and second conductors of the waveguide.
  • a single support may support multiple measuring portions of different waveguides.
  • the measuring portion is housed in a ceramic protective sheath incorporated into the support during its manufacture, or in a channel formed in the support during or after the manufacture of said support.
  • a dielectric insulator 25 for example made of mica, a mica derivative, titanium, barium, mullite, cordierite or alumina.
  • the dielectric insulator may be a single piece or may consist of an assembly of several dielectric cleats.
  • the dielectric cleats are interposed between the conductors, the cleats preferably having the form of beads threaded on at least one of the conductors, preferably on both conductors.
  • the predetermined distance between the two electrical conductors is preferably substantially constant.
  • the separator may be constituted by threads made of a dielectric material also constituting the textile.
  • the first and second conductors are weft or warp threads, they may be separated by one or more other weft or warp threads, respectively made of a dielectric material (thread 25 in FIG. 6).
  • the number of discontinuities, in particular basic discontinuities, per meter of waveguide measuring portion is preferably greater than 10, greater than 15, greater than 20, greater than 30, greater than 40, greater than 50, and/or less than 10000, less than 1000, less than 500, less than 100.
  • the distance between any two discontinuities 24, in particular any two basic discontinuities, successive along the waveguide 12 is less than 1/100 of the wavelength of the interrogation signal (equal to the propagation speed of the interrogation signal, approximately 200,000 km/s for an electromagnetic wave, divided by the frequency of the highest peak of the frequency spectrum of the interrogation signal).
  • the sensitivity of the information provided by the interrogator is advantageously improved.
  • discontinuities are added randomly in the waveguide.
  • the discontinuities are variable, that is, they do not all return the same echo when they receive the same interrogation signal.
  • the variation of the discontinuities, especially of the basic discontinuities is random.
  • the discontinuities 24, in particular the basic discontinuities, can be obtained by modification of the surface and/or of the constituent material of one or both conductors and/or of the dielectric insulator, for example by a surface modification by abrasion, by a chemical attack, by the addition of a dopant in the material, or by the addition of cleats.
  • the waveguide is formed of a coaxial cable, for example a BNC type connection, comprising a wire forming the first conductor and an external sleeve forming the second conductor, the two sleeves being separated by an electrically insulating intermediate sleeve.
  • a coaxial cable for example a BNC type connection
  • the two sleeves being separated by an electrically insulating intermediate sleeve.
  • discontinuities 24, in particular basic discontinuities by modifying the surface state of the insulating sleeve, for example by creating roughness.
  • Another way consists in creating random discontinuities, in particular basic discontinuities, on the external sleeve, for example by abrasion (without stopping the electrical conduction within the external sleeve).
  • discontinuities are surface irregularities on the separator, preferably provided opposite the connectors, preferably in at least one area of the separator in contact with the connectors. Texturing said area advantageously makes it possible to generate random discontinuities.
  • discontinuities 24, in particular basic discontinuities, preferably random by modifying the surface state of the dielectric insulator 25 (texturing), for example by creating roughness, for example by abrasion.
  • the texturing comprises the creation of reliefs with a height greater than 0.05 mm, preferably greater than 0.1 mm, preferably greater than 0.2 mm, preferably greater than 0.4 mm, preferably greater than 0.5 mm, or even greater than 0.8 mm, and/or less than 3 mm, less than 2 mm or less than 1 mm.
  • the density in reliefs, in number of reliefs relative to the textured surface is preferably greater than 1/10000 mm 2 , preferably greater than 1/1000 mm 2 , preferably greater than 0.5/100 mm 2 (or 0.5/cm 2 ) and/or less than 10/mm 2 , preferably less than 1/mm 2 , preferably less than 1/10 mm 2 (or 10/cm 2 ).
  • the predetermined distance between the two electrical conductors is preferably substantially constant.
  • the two conductors are preferably parallel except, possibly, in the areas of discontinuities. Local parallelism defects may be provided to create discontinuities, and in particular basic discontinuities.
  • dielectric cleats are arranged in contact with the first and second conductors.
  • the dielectric cleats, and in particular the beads, may have a length, measured along the length of the waveguide, greater than 10 mm, 15 mm or 20 mm and/or less than 100 mm or 50 mm.
  • the dielectric cleats, and in particular the beads preferably have a width, i.e. a largest dimension in a plane transverse to the direction of their length, greater than 1 mm, 2 mm or 3 mm and/or less than 10 mm or 5 mm.
  • Figure 3 illustrates different possible embodiments for dielectric cleats.
  • - beads 23 are threaded to form a segmented protective sheath 27 (3A, 3C-3E) or not (3B), on the two first and second conductors (3A-3D), for one (3E) or for both conductors;
  • the cleats also facilitate the identification of regions generating basic secondary echoes, and can therefore serve as identification marks.
  • composition and/or structure of a support near or around the first and second electrical conductors or between the first and second electrical conductors.
  • the composition and/or structure of the support may vary by more than 10% over less than 1 mm along the measurement portion.
  • the support may be a support integral with the waveguide, for example a support in a CMC.
  • the discontinuities are not regularly distributed along the waveguide.
  • the discontinuities, particularly base discontinuities are randomly distributed along the waveguide.
  • the random nature of the distribution or intensity of the discontinuities advantageously avoids the risk of creating an accumulation of secondary echoes of the same period, likely to significantly dampen the interrogation signal.
  • Dielectric cleats may have the same or different shapes and/or dimensions and/or be made of the same or different materials. Although dielectric cleats may appear identical, no cleat is completely identical to another.
  • Variations in the shape and composition of the cleats, particularly the beads, and variations in the positioning of the beads relative to the conductors make it possible to randomize the discontinuities they generate. It is thus possible to create basic discontinuities randomly.
  • the first and second conductors and/or the other yarns made of a dielectric material can be randomly modified by, for example, abrasion or chemical etching.
  • Yarns made of a dielectric material can also or alternatively be randomly wound around the first conductor and/or the second conductor.
  • Yarns and/or fibers and/or particles made of a dielectric material can also or alternatively be added to the textile in a random manner.
  • the waveguide preferably satisfies the Rayleigh scattering condition.
  • the regions having reflected the basic secondary echoes can be easily located.
  • the basic discontinuities 24 are spaced from each other by a distance, measured along the waveguide, at least 10 times, preferably at least 15 times, preferably at least 20 times less than the reference wavelength, equal to the propagation speed of the interrogation signal, of approximately 200,000 km/s for an electromagnetic wave, divided by the frequency of the highest peak of the frequency spectrum of the interrogation signal.
  • This distance can be defined in particular by the length of dielectric cleats, in particular beads threaded onto the waveguide.
  • the length of the cleats is preferably adapted, as a function of the reference frequency (inverse of the reference wavelength), so as to respect the Rayleigh scattering condition.
  • cleats for example beads, with a length of less than 3 cm, preferably less than 2 cm or 1 cm are well suited.
  • alumina beads with a length of less than 10 mm and threaded on platinum wires produce secondary echoes of too low amplitude, while beads with a length of more than 100 mm produce clear secondary echoes.
  • the array comprises a plurality of measuring portions, preferably parallel to each other and to the hot face of the target, such that the density of discontinuities, preferably the basic density of discontinuities, on the equipped surface is greater than 3, preferably greater than 10, preferably greater than 50, preferably greater than 100, preferably greater than 500, preferably greater than 800 discontinuities and/or less than 1,000,000, preferably less than 500,000, preferably less than 100,000, preferably less than 50,000, preferably less than 10,000, preferably less than 5000, preferably less than 2000, per m 2 of surface area of the hot face.
  • the reliability of the analysis by the interrogator is thereby improved.
  • the measuring parts form a sheet extending along a curved or flat surface, preferably flat, each waveguide preferably being connected to its own interrogator.
  • the waveguide network may comprise more than 1, more than 2, preferably more than 3, preferably more than 5 said sheets, said sheets being preferably parallel to each other and preferably regularly spaced from each other in a direction perpendicular to a surface of the assembly.
  • At least two waveguides intersect at different depths, the depth being measured from the hot face, perpendicular to the hot face.
  • the identity of the superimposed waveguides being known, it is thus advantageously possible to define a temperature profile along the depth direction, and/or to evaluate the extent of a reduction in the thickness of the target, for example of the sole, at each point of the hot face below which several waveguides are superimposed.
  • a central computer can collect the messages from the different interrogators and, knowing the spatial distribution of the waveguides, deduce a wear profile therefrom.
  • the interrogator 18 typically comprises a transmitter/receiver 21 and a control module 31 (FIG. 2).
  • the control module 31 typically comprises a processor and a memory in which a computer program is loaded. Using this computer program, the processor can control the transmission of the interrogation signals and analyze the reflected signals received in order to identify the echoes returned by the discontinuities. In one embodiment, the analysis is performed by an analysis computer 39 in communication with the interrogator.
  • the interrogator may be, for example, a voltage generator coupled to an oscilloscope enabling the reception and analysis of the reflected signals.
  • the interrogator may be a network analyzer equipped with software such as “VNA software” for generating the interrogation signal and analyzing the reflected signal.
  • a first interrogator is connected to the input end of a waveguide.
  • a second interrogator is connected to the output end of the waveguide.
  • the second interrogator therefore receives the parts of the interrogation signal injected by the first interrogator and which have not been reflected by the different discontinuities of the waveguide.
  • the second interrogator can also send an interrogation signal.
  • the presence of two interrogators advantageously makes it possible, in the event of a break in the waveguide, to obtain information on each side of the breakage zone. It therefore improves the robustness of the device.
  • E-TDR electrical time domain reflectometry
  • E-FDR electrical frequency domain reflectometry
  • Each interrogation signal preferably in the form of a pulse or "Dirac" is generated by establishing a variation in the potential difference between the two conductors of the waveguide. The latter returns a response signal, which is then analyzed in order to deduce information about the medium crossed by the pulse.
  • an impedance discontinuity for example a significant physicochemical variation of the medium leading to a local variation in impedance
  • part of the interrogation signal is reflected towards the interrogator, which makes it possible to identify and analyze this variation.
  • the interrogation signal may take the form of a periodic wave of any shape.
  • the interrogation signal may be repeated.
  • the maximum amplitude of the interrogation signal is between 0.1 V and 100 V, preferably less than 10 V, preferably less than 1 V.
  • the frequency of the highest peak in a frequency spectrum of the interrogation signal is preferably greater than 10 KHz, preferably greater than 100 KHz, preferably greater than 1 MHz, preferably greater than 100 MHz, preferably greater than 200 MHz, preferably greater than 500 MHz, preferably greater than 1 GHz, and/or less than 50 GHz, preferably less than 30 GHz, preferably less than 20 GHz, preferably less than 10 GHz, preferably less than 6 GHz, preferably less than 4 GHz.
  • the interrogation signals may be sent in the form of signal trains preferably comprising a series of periodic signals of varying frequencies depending on the periodic signal in question.
  • the frequency of the interrogation signal is conventionally adapted to the length of the measuring part.
  • the wavelength of the interrogation signal is conventionally less than the length of the measuring part of the waveguide.
  • the ratio of the wavelength of the interrogation signal to the length of the measuring part of the waveguide is preferably between 0.1 and 0.9, preferably between 0.1 and 0.5, preferably between 0.1 and 0.3.
  • the length of the measuring portion of the waveguide is not a multiple of the wavelength of the interrogation signal in order to avoid resonance problems.
  • the frequency of the interrogation signal can be 1 GHz (corresponding to a wavelength of approximately 20 cm) for a length of the measurement part of the waveguide between 10 and 15 m, for a measurement at 600°C or more.
  • Each interrogation signal propagates in the waveguide to the free end of the conductors. At each discontinuity, a part of the interrogation signal, or "echo", is reflected back to the interrogator. All the echoes returned together constitute the response signal associated with the interrogation signal and which the interrogator analyzes.
  • the emission echo returned by the input end of the waveguide the background echo returned by the output end of the waveguide, and a set of discontinuity echoes returned by the discontinuities of the waveguide.
  • the discontinuity echoes are of low amplitude, and are of various amplitudes and shapes.
  • the interrogator is programmed to analyze the reflected signals, and possibly compare them, so as to determine information relating to the state of the target in the region of the measurement part of the waveguide and, preferably, to transmit a message accordingly.
  • the message specifies:
  • a value for the physical state of the target and in particular a value for the residual thickness or an average temperature and/or a value representative of the temperature differences along the measurement part;
  • the message may be sent to a central computer and/or presented to an operator, for example on a screen and/or by activating a light and/or by emitting an audible signal.
  • At least a portion of the waveguides is capable of providing, in the response signal that it returns, a quantitative indication of the temperature that it undergoes due to the wear of the target.
  • the thickness of the target part for example the sole, is reduced, the frequency of the response signal returned by the waveguide changes.
  • This evolution advantageously makes it possible to determine the local evolution of the temperature.
  • it is thus possible to detect an abnormal change in the temperature of a waveguide, and to intervene in order to repair the target, for example by changing the refractory coating.
  • the target 30 may be all or part of the metallurgical furnace, in particular a foundry furnace, comprising a hot face, in particular the side wall of the crucible or the sole, or a block or a set of blocks belonging to the side wall of the crucible or to the sole.
  • the target may have a back layer, for example the side wall of the crucible or the sole.
  • the target can be in particular a first layer made up of refractory rammed earth or dense, melted or sintered blocks.
  • a waveguide advantageously allows exposure to high temperature, for example over 100°C, over 125°C, over 200°C or over 300°C.
  • a metal waveguide sheathed with a polymer sheath allows, for example, tracking in an environment up to 300°C.
  • the waveguides are placed in a thermal zone of the furnace at a temperature above 400°C, preferably above 500°C, preferably above 600°C and below 1300°C, preferably below 1200°C, more preferably below 1100°C.
  • a refractory support 40 in the form of a plate arranged between the hot face of the target and the rear layer, preferably between the first layer and the rear layer.
  • a metallurgical furnace according to the invention comprises a first layer 22 in contact with the molten metal, the shape of which is not limiting.
  • the support 40 containing all or part of the measuring parts of the network is arranged parallel to the surrounding or support layer 11 comprising the inductor coil 16 of the heating system.
  • the support prior to its installation in the metallurgical furnace, is sintered or baked in an oven or furnace, preferably in air and preferably in a controlled atmosphere.
  • a precursor of the support is provided in the furnace, preferably in the form of a precursor of a ceramic matrix composite.
  • the precursor of the support preferably the precursor of the matrix of the ceramic matrix composite, is consolidated during heating of the metallurgical furnace to a temperature of between 400 and 1200°C.
  • the support replaces the electrically insulating layer 19.
  • the support advantageously protects the waveguide(s) during the construction of the first layer, typically in dry refractory rammed earth.
  • one or more plate-shaped supports are provided to form layers of measuring portions, each layer consisting of several, for example more than 2, more than 5 or more than 10 measuring portions oriented parallel to each other, the layers being oriented differently so that the measuring portions of different layers intersect.
  • the invention provides a robust, easy-to-implement solution for assessing, for all areas of the furnace, continuously and in real time, the state of the refractory lining of a metallurgical furnace.
  • the waveguides can be in close contact with the target, which allows good heat exchange and limits the risk of infiltration of molten metal.
  • the protection by the support limits the stresses on the waveguides.
  • this solution offers good spatial resolution, without weakening said lining and, in particular in the case of electrical heating, without increasing the risk of electrical interaction with the furnace heating system.
  • This solution makes it possible to assess, more precisely and in real time, the residual thickness or the temperature of a refractory part of a metallurgical furnace.
  • the invention is not limited to the embodiments described and shown, provided for illustrative purposes only.

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Abstract

Four métallurgique comportant un dispositif de suivi, par réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle, au moyen d'un un réseau de guides d'ondes électromagnétiques filaires, chaque guide d'ondes comportant une partie de mesure s'étendant parallèlement à la face chaude et pourvue d'une pluralité de discontinuités, dites « discontinuités de base », - distribuées de manière aléatoire au moins le long de la partie de mesure du guide d'ondes, et - aptes à générer des échos présentant une amplitude supérieure à 0,5%, de préférence supérieure à 1% et inférieure à 30%, de l'amplitude de l'écho de fond réfléchi par l'extrémité de sortie du guide d'ondes, dits « échos secondaires de base », ou constituées par des reliefs ou des reliefs résultant d'une segmentation irrégulière d'un matériau diélectrique interposé entre les premier et deuxième conducteurs électriques, ou de variations locales de la distance entre les premier et deuxième conducteurs électriques ou de la distance entre le premier conducteur électrique et/ou le deuxième conducteur électrique d'une part, et un matériau diélectrique d'un support d'autre part, ou de variations dans la structure et/ou la composition de l'environnement autour des premier et deuxième conducteurs électriques ou entre les premier et deuxième conducteurs électriques, le nombre de discontinuités de base, par mètre de partie de mesure de guide d'ondes, étant supérieur à 10.

Description

FOUR METALLURGIQUE SUIVI PAR REFLECTOMETRIE ELECTRIQUE
Domaine
La présente invention concerne un four métallurgique, en particulier un four de fonderie, plus particulièrement un four à induction, équipé d’un dispositif de suivi de l’état d’une partie d’un tel four, en particulier de l’état du revêtement réfractaire de l’enceinte du four.
Elle concerne également un procédé de fabrication et un procédé de mesure de l’état du revêtement réfractaire d’un tel four.
Etat de la technique
La technologie des fours de fusion de métaux en particulier par induction est connue.
La figure 1 représente schématiquement en coupe transversale, un creuset 8 d’un four à induction d’un four métallurgique. Ce creuset comporte une paroi latérale 10 qui s’étend, sensiblement verticalement, à partir d’un fond 41 délimitant une enceinte 9 . La paroi latérale 10 du creuset comporte classiquement, depuis l’extérieur vers l’intérieur du creuset :
- une couche d’entourage ou de soutien 11, en général de béton, dans laquelle est fixé l’inducteur 16 ;
- au moins une couche d’isolant thermique 17 ;
- au moins une couche d’isolant électrique 19 ;
- un revêtement réfractaire 22 de pisé pouvant comporter une région non consolidée 28, de préférence sous la forme d’une poudre compactée, et une région consolidée 29 au contact métal, définissant la surface intérieure 28 du creuset.
L’ordre des couches d’isolant thermique 17 et d’isolant électrique 22 n’est pas limitatif.
La couche d’isolant électrique 22 est en un matériau minéral diélectrique, par exemple en mica, et a pour fonction d’isoler électriquement l’inducteur et le revêtement réfractaire.
La couche d’isolant thermique 17 peut être notamment un mat fibreux céramique, notamment en un aluminosilicate. Avantageusement, elle permet de compenser l’effet de la dilatation thermique du revêtement réfractaire 22 pendant la chauffe et/ou de protéger la couche d’isolant électrique.
Le fond ou « sole » 41 comporte classiquement, depuis l’extérieur vers l’intérieur du creuset : une première couche de blocs réfractaires 13, sensiblement horizontale ; - un revêtement réfractaire 22’ comportant lui-même une couche non consolidée 28’, de préférence sous la forme d’une poudre compactée, et une couche consolidée 29’, définissant la surface intérieure, ou face chaude 37 du creuset.
Le revêtement réfractaire 22 ou 22’ est aussi appelé « première couche ». Les autres couches forment la « couche arrière » et peuvent chacune être considérées comme des « sous- couches » de la couche arrière.
Le four peut être fixe mais est généralement mobile afin de pouvoir verser le métal en fusion qu’il contient dans différents réservoirs ou moules de fonderie.
Afin d’améliorer le suivi de ce type de four, US5139671 décrit un réseau d’électrodes disposé dans la couche d’isolant thermique entre l’inducteur et la couche réfractaire au contact du métal en fusion. Cette technologie implique une impédance susceptible d’interagir avec l’inducteur et de perturber le fonctionnement du four. De plus, cette technologie est coûteuse du fait du grand nombre d’électrodes et des nombreuses connexions qu’elle nécessite.
W02004/015349A2 décrit un dispositif non résistif comprenant des guides d’ondes optiques. Cette technologie a le mérite d’éviter toute interaction électrique mais elle n’est pas assez fiable du fait de la fragilité des fibres optiques, même protégées par un mat fibreux. De plus, en service, la performance de ce dispositif s’avère limitée en température.
On connait également de JPH11264706A ou JP3395886B2 un dispositif de mesure de l’épaisseur résiduelle du revêtement d’un haut-fourneau disposé dans l’épaisseur du revêtement. Ce dispositif est très invasif et accroit notablement le risque de percée du revêtement. De plus, sa résolution spatiale est très faible.
EP0065583A1 décrit un four métallurgique équipé d’un dispositif de réflectométrie électrique pour déterminer une épaisseur résiduelle en mesurant le temps de parcours d’une onde réfléchie dans un guide d’ondes placé perpendiculairement à une face chaude. Les documents US3078707A , US3532797, US3307401 ou US3512413 cités par EP0065583A1 envisagent la mesure de l’épaisseur résiduelle d’un revêtement de four par la variation de résistance ou de potentiel électrique d’un réseau de conducteurs électriques orientés perpendiculairement à la face chaude ou d’une plaque conductrice électriquement perpendiculaire à la face chaude. DE2461804, cité également par EP0065583A1, concerne un dispositif comprenant un guide d’ondes et un réflecteur positionnés entre une pièce cible dont on mesure l’épaisseur en injectant, avec un générateur de rayonnement électromagnétique, deux signaux de hautes fréquences différentes.
Il existe un besoin permanent pour une solution robuste, facile à mettre en œuvre et permettant d’évaluer, pour toutes les zones du four, de manière continue et en temps réel, l’état du revêtement réfractaire d’un four métallurgique avec une bonne résolution spatiale, sans fragiliser ledit revêtement, en particulier en cas de chauffage électrique, sans augmenter le risque d’interaction électrique avec le système de chauffage du four.
Un but de l’invention est de répondre, au moins partiellement, à ce besoin.
Résumé de l’invention
Selon l’invention, on atteint ce but au moyen d’un four métallurgique, de préférence un four de fonderie, de préférence un four à induction, comportant :
- une enceinte 9 de fusion de métaux présentant une face chaude exposée vers l’intérieur de l’enceinte ;
- un dispositif de suivi, par réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle, de l’état d’une partie du four, de préférence d’une partie de ladite enceinte, dite « cible », ledit dispositif comprenant :
- un réseau d’au moins un guide d’ondes filaire, de préférence d’une pluralité de guides d’ondes électromagnétiques filaires, chaque guide d'ondes comportant, entre une extrémité d’entrée et une extrémité de sortie, des premier et deuxième conducteurs électriques, de préférence métalliques, isolés électriquement l’un de l’autre, de préférence par un matériau diélectrique,
-une partie de mesure du guide d'ondes comportant une pluralité de discontinuités d’impédance et s’étendant parallèlement à la face chaude et à une profondeur (distance en arrière de ladite face chaude par rapport à l’intérieur de l’enceinte) supérieure à 10 cm, de préférence supérieure à 15 cm, ou supérieure à 20 cm ;de préférence inférieure à 200 cm, de préférence inférieure à 100 cm ;
- un interrogateur électriquement connecté à l’extrémité d’entrée et configuré pour injecter un signal d’interrogation par ladite extrémité d’entrée, recevoir un signal de réponse réfléchi par ledit guide d’ondes en réponse à ladite injection, analyser le signal de réponse et émettre un message sur l’état de la cible en fonction de ladite analyse. Les inventeurs ont découvert que cet agencement du guide d'ondes par rapport à la cible offre un excellent compromis entre robustesse, capacité de résolution et fiabilité, ce qui permet d’évaluer l’état du réfractaire en temps réel tout au long de la vie du four, sans fragiliser ledit revêtement et sans augmenter le risque d’interaction électrique avec le système de chauffe, par exemple un inducteur.
Le réseau de guides d'ondes permet par ailleurs de suivre une cible de dimensions quelconques d’un four métallurgique.
La cible comprend de préférence le revêtement réfractaire 22, 22’ monolithique de pisé définissant la face chaude de la paroi latérale du creuset du four.
Selon un premier mode de réalisation principal, lesdites discontinuités d’impédance comportent des « discontinuités de base » :
- qui, notamment lorsque la longueur de la partie de mesure est inférieure à 10 mètres, sont aptes à générer, en réponse à l’injection du signal d’interrogation, des échos présentant une amplitude supérieure à 0,5%, de préférence supérieure à 1%, et de préférence inférieure à 30% de l’amplitude de l’écho de fond réfléchi par l’extrémité de sortie du guide d’ondes, dits « échos secondaires de base », et/ou
- sont constituées par
- des reliefs résultant d’une texturation de la surface extérieure du guide d’ondes et/ou d’un matériau diélectrique interposé entre les premier et deuxième conducteurs électriques et/ou d’au moins un des premier et deuxième conducteurs électriques, et/ou
- des reliefs résultant d’une segmentation irrégulière dudit matériau diélectrique, de préférence au moyen de taquets en un matériau diélectrique, les taquets ayant de préférence une longueur inférieure à 10 cm, de préférence inférieure à 5 cm, de préférence inférieure à 3 cm, de manière plus préférée inférieure à 2 cm et/ou supérieure à 0,5 cm, et/ou
- des variations locales de la distance entre les premier et deuxième conducteurs électriques ; et/ou
- des variations de la distance entre le premier conducteur électrique et/ou le deuxième conducteur électrique d’une part, et un matériau diélectrique d’un support, de préférence en un composite à matrice céramique, d’autre part ; et/ou
- des variations dans la structure et/ou la composition de l’environnement autour des premier et deuxième conducteurs électriques ou entre les premier et deuxième conducteurs électriques, de préférence des variations dans la structure et/ou la composition d’un matériau diélectrique d’un support, de préférence en un composite à matrice céramique, de préférence par la dispersion aléatoire de particules et/ou de fibres en un matériau diélectrique au sein du support, et en particulier au sein de la matrice du composite à matrice céramique, ou entre les premier et deuxième conducteurs électriques.
De manière remarquable, les inventeurs ont découvert que l’analyse des échos secondaires de base par réflectométrie électrique TDR (Time Domain Reflectometry en anglais) ou FDR (Frequency Domain Reflectometry en anglais) permet un suivi de l’état de la cible en temps réel et en continu, sur une longue durée et de manière précise et fiable.
Les discontinuités de base sont aptes à générer des échos secondaires de base en réponse à l’injection du signal d’interrogation, c'est-à-dire en service, pour suivre l’état de la cible. Pour assurer ce suivi, les amplitudes des échos sont de préférence mesurées dans des conditions similaires ou identiques à celles subies par la partie de mesure dans la position de service, de préférence à une température supérieure à 500°C, de préférence supérieure à 600°C, de préférence supérieure à 700°C, de préférence supérieure à 800°C et/ou inférieure à 1300°C, de préférence inférieure à 1200°C, de manière plus préférée inférieure à 1100°C.
De préférence, les discontinuités de base sont distribuées de manière aléatoire au moins le long de la partie de mesure du guide d’ondes, voire selon toute la longueur du guide d’ondes. Avantageusement, la distribution aléatoire évite des phénomènes de résonance par interférence.
De préférence, les discontinuités de base sont :
- des reliefs résultant d’une texturation de la surface extérieure du guide d’ondes et/ou d’un matériau diélectrique interposé entre les premier et deuxième conducteurs électriques et/ou d’au moins un des premier et deuxième conducteurs électriques, par exemple par abrasion et/ou attaque chimique, et/ou
- des reliefs résultant d’une segmentation irrégulière dudit matériau diélectrique, de préférence au moyen de taquets (par exemple sous la forme de perles ou de cylindres de préférence de base circulaire) en un matériau diélectrique, les taquets ayant de préférence une longueur inférieure à 10 cm, de préférence inférieure à 5 cm, de préférence inférieure à 3 cm, de manière plus préférée inférieure à 2 cm et/ou supérieure à 0,5 cm, et/ou - des variations locales de la distance entre les premier et deuxième conducteurs électriques.
Les conducteurs peuvent être pris en sandwich entre deux textiles en un composite à matrice céramique ou être fixés à la surface d’un textile composite à matrice céramique, un matériau diélectrique, par exemple sous la forme d’un motif régulier, s’étendant de préférence sur une surface d’un ou des dits textiles. Le matériau diélectrique peut par exemple résulter d’un dépôt d’une barbotine puis d’un durcissement de la barbotine.
Dans un mode de réalisation, les sandwichs susmentionnés présentent une épaisseur supérieure à 5 mm, supérieure à 8 mm, supérieure à 10 mm et/ou inférieure à 50 mm.
Dans un mode de réalisation, un textile, de préférence chaque textile susmentionné présente une épaisseur supérieure à 0,5 mm, supérieure à 1 mm, et/ou inférieure à 10 mm, inférieure à 5 mm ou inférieure à 2 mm.
De préférence, les discontinuités de base générées par texturation génèrent plus de 80% desdits échos secondaires de base.
Le ou les taquets sont de préférence disposés à moins de 1 mm du premier et/ou du deuxième conducteur électrique, de préférence en contact avec le premier conducteur électrique et/ou le deuxième conducteur électrique.
De préférence, le ou les taquets sont enfilés, dans la partie de mesure, sur le premier conducteur électrique et/ou sur le deuxième conducteur électrique.
Dans un mode de réalisation, des taquets sous la forme de perles et en un matériau diélectrique sont enfilés, dans la partie de mesure, sur le premier conducteur électrique et/ou sur le deuxième conducteur électrique, et les taquets sont disposés de manière à former ensemble une gaine de protection segmentée s’étendant tout au long de la partie de mesure du guide d’ondes.
Le ou les taquets sont de préférence des espaceurs en un matériau diélectrique, disposés de manière à maintenir le premier conducteur électrique à distance du deuxième conducteur électrique.
Dans un mode de réalisation, le ou les taquets sont mobiles par rapport au premier conducteur électrique et/ou au deuxième conducteur électrique. De préférence, le ou les taquets sont en un matériau isolant thermiquement et électriquement.
Le matériau isolant thermiquement présente de préférence une conductivité thermique inférieure à 30 W/m.K, inférieure à 20 W/m.K, inférieure à 10 W/m.K, voire inférieure à 5 W/m.K, à une température comprise entre 20°C et 1000°C.
De préférence, le ou les taquets ont un point de fusion supérieur à 300°C, supérieur à 500°C, ou supérieur à 1000°C, et de préférence sont en un matériau choisi parmi le mica, les dérivés de mica, le titane, le baryum, la mullite, la cordiérite et l’alumine.
Dans un mode de réalisation, des discontinuités, de préférence des discontinuités de base, sont créées en rendant ladite partie de mesure solidaire d’un dit support. En particulier, le support peut entourer la partie de mesure, à la manière d’une gaine, ou prendre en sandwich la partie de mesure. En particulier, la partie de mesure peut être prise en sandwich entre deux textiles, de préférence tissés, rigidifiés par une matrice céramique. Les irrégularités des textiles et de la matrice d’un tel composite à matrice céramique permettent avantageusement et de manière inattendue de créer des discontinuités de base.
De préférence, les discontinuités d’impédance sont écartées les unes des autres d’une distance, mesurée le long du guide d’ondes, au moins 10 fois, de préférence au moins 15 fois, de préférence au moins 20 fois inférieure à la longueur d’onde de référence, égale à la vitesse de propagation du signal d’interrogation, d’environ 200 000 km/s pour une onde électromagnétique, divisée par la fréquence du pic le plus élevé du spectre de fréquence du signal d’interrogation.
L’invention concerne encore un procédé de fabrication d’un four selon le premier mode de réalisation principal, ledit procédé comportant les étapes suivante : i) modification d’une partie de mesure d’au moins un guide d’ondes, de préférence d’un câble coaxial, de manière à créer des discontinuités de base distribuées aléatoirement le long du guide d’ondes ; ii) intégration dudit au moins un guide d’ondes modifié obtenu dans ou contre une paroi d’une enceinte d’un four de verrerie ; iii) connexion d’un dit interrogateur à une extrémité d’entrée dudit au moins un guide d’ondes modifié, ledit au moins un guide d’ondes modifié constituant un dit guide d’onde électromagnétique filaire, de manière à obtenir un four de verrerie selon le premier mode de réalisation principal. La personne du métier sait modifier un guide d’ondes, et en particulier un câble coaxial, pour créer des discontinuités de base. Par de simples essais, elle peut facilement vérifier si les échos renvoyés par des discontinuités constituent des échos secondaires de base et adapter lesdites discontinuités, par exemple en renforçant la texturation si les discontinuités renvoient des échos d’amplitude insuffisante pour que lesdits échos soient des échos secondaires de base.
De préférence, l’étape i) comporte, de préférence consiste en une modification de la surface extérieure d’un guide d’ondes, de préférence d’un câble coaxial, de préférence par une texturation de la surface extérieure du guide d’ondes et/ou une segmentation, par exemple par enfilage de taquets.
Le guide d’ondes qui fait l’objet de la modification à l’étape a) peut être un guide d’ondes du commerce.
L’étape i) peut être remplacée par une étape i’) dans laquelle les discontinuités de base sont créées simultanément à la fabrication du guide d’ondes. Elles peuvent être créées, en particulier, par une texturation de la surface extérieure du guide d’ondes et/ou une segmentation, par exemple par enfilage de taquets sur le guide d’ondes, mais aussi par une modification de la composition du diélectrique interposé entre les premier et deuxième conducteurs électriques et/ou par une modification de la composition d’au moins un des premier et deuxième conducteurs électriques, et/ou par une création de reliefs à la surface dudit matériau diélectrique et/ou d’au moins un des premier et deuxième conducteurs électriques.
Selon un deuxième mode de réalisation principal, le four comporte encore une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, de préférence toutes les caractéristiques optionnelles suivantes : a) la partie de mesure de chacun des guides d’ondes dudit réseau s’étend parallèlement à la face chaude et à une distance adaptée pour qu’en service, c'est-à-dire lorsque le four est en fonctionnement normal, ladite partie de mesure soit à une température supérieure à 500°C, de préférence supérieure à 600°C, de préférence supérieure à 700°C, de préférence supérieure à 800°C et/ou inférieure à 1300°C, de préférence inférieure à 1200°C, de manière plus préférée inférieure à 1100°C ; b) la distance maximale entre deux parties de mesure de deux guides d’ondes quelconques du réseau est supérieure à 20 cm, de préférence supérieure à 30 cm, de préférence supérieure à 50 cm, de préférence supérieure à 70 cm, de préférence supérieure à 90 cm, et de préférence inférieure à 500 cm ; c) au moins un, de préférence chaque guide d'ondes du réseau est inséré dans un orifice de la cible, l’orifice étant configuré pour ménager un espace d’expansion thermique pour le guide d'ondes ; d) le diamètre équivalent de la partie de mesure d’au moins un, de préférence de chaque guide d'ondes du réseau est supérieur à 0,6 mm, de préférence supérieur à 0,8 mm, de préférence supérieur à 1 mm et inférieur à 50 mm, de préférence inférieur à 20 mm, de préférence inférieur à 10 mm, de préférence inférieur à 5 mm ; e) la distance séparant les premier et deuxième conducteurs électriques de la partie de mesure d’au moins un, de préférence de chaque guide d'ondes du réseau, est supérieure à 0,3 mm, de préférence supérieure à 0,4 mm, de préférence supérieure à 0,5 mm et inférieure à 30 mm, de préférence inférieure à 10 mm, de préférence inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 3 mm, ce qui améliore la fiabilité et la résolution spatiale ; f) ladite partie de mesure présente un nombre de coudes :
- inférieur à 2 par mètre de longueur de partie de mesure si la longueur de ladite partie de mesure est inférieure à 3 mètres ;
- inférieur à 1 coude par mètre, de préférence inférieur à 0,5 coudes par mètre, de manière plus préférée inférieur à 0,1 coude par mètre de partie de mesure, si la longueur de ladite partie de mesure est supérieure ou égale à 3 mètres, ce qui améliore l’intégration du guide d’ondes tout en minimisant le risque de rupture du guide d’ondes lors de son installation dans le four, la partie de mesure de la partie de mesure d’un guide d’ondes, de préférence de chaque guide d’ondes, ne présentant de préférence pas de coude ;
- la courbure maximale de la partie de mesure est telle que son rayon de courbure est au moins 3 fois, de préférence au moins 5 fois, de préférence au moins 10 fois, supérieur au diamètre équivalent de ladite partie de mesure, ce qui réduit les contraintes mécaniques sur la partie de mesure.
De préférence, la partie de mesure d’au moins un guide d’ondes, de préférence de chaque guide d’ondes, est montée coulissante par rapport à la cible et/ou par rapport au support. Les inventeurs ont découvert que cette combinaison de caractéristiques, qui résulte d’une recherche sur une multitude de paramètres, fournit une solution adaptée aux contraintes spécifiques d’un four métallurgique. En particulier, elle permet :
- une installation en limitant le risque de détérioration des guides d’ondes,
- un suivi d’une cible de grandes dimensions, comme le cylindre d’un four de fonderie
- une grande robustesse en service ;
- une bonne résolution spatiale ;
- une fiabilité élevée de la mesure ;
- un suivi en temps réel tout au long de la vie du four, sans fragiliser ladite cible et sans augmenter le risque d’interaction électrique avec le système de chauffe.
Selon un troisième mode de réalisation principal, les premier et deuxième conducteurs sont fixés à ou intégrés dans un support, de préférence en forme de plaque, de préférence constitué par un composite à matrice céramique, de préférence sont fixés au moyen d’une couche d’interfaçage ou de rubans, d’agrafes ou de fils réfractaires ou sont intégrés au dit composite. Par « intégrés », on entend qu’ils sont incorporés dans le composite, par exemple en étant des fils de trame ou de chaine du textile du composite.
La fixation des conducteurs dans ou sur un support permet de les protéger. Le support est de préférence disposé entre la première couche et la couche arrière (qui comprend de préférence un système de chauffe, par exemple un inducteur).
Selon une première configuration préférée, le support comprend, de préférence est constitué par un composite à matrice céramique, et les premier et deuxième conducteurs sont intégrés au sein du textile du composite à matrice céramique, de préférence. Les fils conducteurs, de préférence disposés sensiblement parallèlement à une distance prédéterminée, peuvent par exemple constituer une partie des fils de trame. Les autres fils dudit textile (autres que les premier et deuxième conducteurs) sont de préférence en un matériau diélectrique, de manière à éviter tout contact ou court-circuit électrique entre lesdits fils conducteurs.
Dans un mode de réalisation, les autres fils en un matériau diélectrique (ou « fils non conducteurs ») peuvent être modifiés de manière aléatoire, par exemple par abrasion ou attaque chimique afin de générer des discontinuités de base aléatoires. Dans un mode de réalisation complémentaire ou alternatif, les premier et deuxième conducteurs sont modifiés de manière aléatoire, par exemple par abrasion ou attaque chimique afin de générer des discontinuités de base aléatoires.
Dans un mode de réalisation, au moins un des premier et deuxième conducteurs est physiquement associé à un ou plusieurs fils en un matériau diélectrique, par exemple enroulé(s) de manière aléatoire afin de générer des discontinuités de base aléatoires.
Dans un mode de réalisation, des fils en un matériau diélectrique sont ajoutés au textile de manière aléatoire.
Dans un mode de réalisation, afin de générer des discontinuités, en particulier des discontinuités de base, aléatoires, les premier et deuxième conducteurs sont intégrés au textile par tissage de manière à ce que la distance entre lesdits conducteurs soit variable le long des conducteurs. De préférence la distance entre deux dites discontinuités de base est alors inférieure à 10 cm, de préférence inférieure à 5 cm et/ou supérieure 0,5 cm, de préférence supérieure à 1 cm. De préférence, la distance entre deux points de passage successifs des premier et deuxième conducteurs par-dessus ou par dessous la nappe des fils de trame ou la nappe des fils de chaîne du textile tissé, éventuellement en chevauchant plusieurs fils de trame ou de chaîne, de préférence la distance entre deux duites successives, est inférieure à 10 cm, de préférence inférieure à 5 cm et/ou supérieure 0,5 cm, de préférence supérieure à 1 cm.
Dans un mode de réalisation, afin de générer des discontinuités de base aléatoires, des particules et/ou des fibres de taille aléatoire et/ou de forme aléatoire et/ou de dimensions aléatoires et/ou distribuées spatialement de manière aléatoire sont disposées au contact dudit textile avant imprégnation par le précurseur de matrice. Une nappe de tissus texturée irrégulièrement peut être également utilisée comme textile.
Selon une deuxième configuration, les premier et deuxième conducteurs sont fixés à la surface du support et, de préférence, le support comprend, de préférence est constitué par un composite à matrice céramique.
Selon un mode possible, les conducteurs, de préférence la partie de mesure, d’au moins un guide d’ondes, de préférence de chaque guide d’ondes sont fixés sur le support au moyen d’une couche d’interfaçage. Une couche d’interfaçage est une couche en un matériau présentant un coefficient d’expansion thermique (CTE) intermédiaire entre celui du support, en particulier celui de la matrice céramique du support, et celui du matériau constituant les conducteurs. De préférence la couche d’interfaçage comporte, voire est constituée en un NiCrAlY.
Selon un autre mode possible, les conducteurs, de préférence la partie de mesure, d’au moins un guide d’ondes, de préférence de chaque guide d’ondes sont attachés ou fixés au support, de préférence sous la forme d’une plaque, au moyen de rubans, d’agrafes ou de fils réfractaires.
Dans un mode de réalisation, la partie de mesure, est protégée par une gaine en un matériau diélectrique, de préférence en polymère ou de préférence encore en céramique, ladite gaine entourant les conducteurs, les conducteurs étant de préférence séparés par un matériau diélectrique. Ladite gaine peut être droite ou courbée. Elle peut être souple, ou rigide pour donner une forme à la partie de mesure, voire à la partie de transmission.
Dans un mode de réalisation, la partie de mesure, est protégée par une gaine, en polymère ou de préférence en céramique en un matériau diélectrique, ladite gaine entourant les conducteurs de préférence séparés par un matériau diélectrique. Ladite gaine peut être droite ou courbée. Elle peut être souple, ou rigide pour donner une forme à la partie de mesure, voire à la partie de transmission. Dans un mode de réalisation, comme cela est représenté par la figure 7, un précurseur de support, de préférence constitué par un précurseur de composite à matrice céramique 40’, classiquement un préimprégné, est enroulé autour des premier et deuxième conducteurs, au moins dans la partie de mesure. Avant ou après durcissement du précurseur de matrice, le précurseur de support instrumenté ou le support instrumenté est de préférence inséré dans une gaine de protection 27, de préférence céramique.
La fixation sur ou l’intégration de la partie de mesure d’un guide d’ondes dans un composite à matrice céramique est particulièrement avantageuse, non seulement parce que le composite à matrice céramique protège la partie de mesure, mais aussi parce que, par construction, même lorsque le composite à matrice céramique comporte un textile tissé, il présente une microstructure irrégulière qui génère de nombreuses discontinuités de base.
Selon un quatrième mode de réalisation principal, la partie de mesure d’au moins un guide d’ondes, de préférence de chaque guide d’ondes est mobile de manière que ses dimensions puissent évoluer sous l’effet d’une variation de température en service. De préférence, la partie de mesure est montée coulissante par rapport à la cible, de préférence coulissante dans un logement, en particulier un orifice, ménagé dans la cible ou, de préférence dans le support.
De préférence encore, le logement réserve un espace d’expansion thermique, de préférence généré par élimination d’un matériau sacrificiel autour duquel au moins une partie de la cible ou du support a été formée.
Le coulissement peut également résulter de la présence d’un lubrifiant solide, de préférence du graphite, autour de la partie de mesure.
L’absence d’adhérence de la partie de mesure sur la paroi du logement peut encore résulter d’une incompatibilité entre le matériau de la cible ou du support définissant le logement d’une part, et la partie de mesure d’autre part, par exemple d’une porosité élevée du matériau de la cible définissant le logement.
Le coulissement peut aussi résulter de l’insertion de la partie de mesure dans une gaine de protection, de préférence non segmentée. La segmentation d’une gaine de protection par la succession de perles diélectriques le long de la partie de mesure tend en effet à accroitre l’atténuation des signaux.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un four selon l’invention, ledit procédé comportant, pour au moins un, de préférence pour chaque guide d’ondes du réseau, les étapes successives suivantes :
1) interposition d’un matériau sacrificiel entre
- la partie de mesure du guide d’ondes et
- la cible ou un précurseur de la cible, ou un support, en particulier un composite à matrice céramique ou un précurseur de support, puis
2) après ou simultanément à la fabrication de la cible ou du support pour le cas où le matériau sacrificiel a été interposé dans un précurseur de la cible ou dans un précurseur du support, respectivement, élimination du matériau sacrificiel de manière à créer un dit espace d’expansion pour la partie de mesure.
Dans un mode de réalisation, le matériau sacrificiel est le matériau d’une gaine sacrificielle gainant la partie de mesure, et, pour interposer le matériau sacrificiel,
- on fabrique la cible ou le support autour de la partie de mesure, de préférence par coulage puis frittage d’un précurseur de la cible autour de la partie de mesure, ou par insertion de la partie de mesure dans un précurseur du support puis frittage du précurseur de support autour de la partie de mesure ;
- on ménage un logement, sous la forme d’une rainure ou d’un trou (ou « orifice »), traversant ou non, dans la cible ou dans un précurseur de la cible ou dans le support ou dans le précurseur de support, puis on insère la partie de mesure dans le logement, puis on comble le logement avec un produit réfractaire non façonné (c'est-à-dire une poudre ou une pâte) contenant un liant, de préférence un liant hydraulique, de préférence un ciment, et apte à prendre en masse par activation du liant, de préférence un béton réfractaire, puis on durcit le produit réfractaire non façonné.
Le précurseur de la cible peut être une préforme destinée à être frittée ou un mélange pulvérulent apte à prendre en masse par réaction chimique. Le précurseur de support peut être un précurseur de composite à matrice céramique comportant un textile et un précurseur de matrice imprégnant le textile, ou « préimprégné ».
La partie de mesure pourvue de la gaine sacrificielle peut être noyée dans le précurseur de la cible ou du support au moment de sa fabrication. Alternativement, un logement peut être ménagé dans la cible ou le précurseur de la cible ou le support ou le précurseur de support, et la partie de mesure pourvue de la gaine sacrificielle être noyée dans le matériau réfractaire non façonné.
Dans un mode de réalisation, le matériau sacrificiel est un matériau de remplissage indépendant du guide d’ondes, c'est-à-dire qui, à la différence d’une gaine sacrificielle, n’est initialement pas solidaire du guide d’ondes et, pour interposer le matériau sacrificiel,
- on ménage un logement, sous la forme d’une rainure ou d’un trou, traversant ou non, dans la cible ou dans un précurseur de la cible ou dans un support ou dans un précurseur de support, puis
- on insère la partie de mesure dans le logement, puis
- on remplit le logement avec le matériau de remplissage de manière à noyer la partie de mesure, la quantité de matériau de remplissage étant adaptée pour ménager l’espace d’expansion, puis
- on comble le logement avec un dit produit réfractaire non façonné, de préférence un béton réfractaire, puis
- on durcit le produit réfractaire non façonné. A l’étape 2), le matériau sacrificiel est de préférence éliminé par un traitement thermique, de préférence par un traitement thermique de consolidation du précurseur de la cible ou du support, de préférence par frittage. Le matériau sacrificiel est de préférence éliminé par la chaleur lors de l’attrempage du four et/ou lors d’un frittage du produit réfractaire non façonné ou du précurseur de cible ou du précurseur du support à une température de préférence comprise entre 400°C et 1200°C. Le frittage peut résulter de l’attrempage du four.
L’élimination du matériau sacrificiel peut être réalisée par vaporisation ou combustion.
Le matériau sacrificiel laisse ainsi place à un espace d’expansion thermique.
De préférence, le matériau sacrificiel est un matériau organique, de préférence un polymère. En se dégradant, un tel matériau sacrificiel génère avantageusement du carbone résiduel qui limite l’oxydation des premier et deuxième conducteurs, ce qui autorise son utilisation dans une atmosphère oxydante.
Le procédé de fabrication peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles et préférées suivantes :
- l’étape 1) et/ou l’étape 2) sont réalisées in situ, c'est-à-dire à l’emplacement du four auquel la partie de mesure est destinée à être utilisée dans le four ;
- le logement est ménagé dans le support ou dans un précurseur du support, mais il peut aussi être ménagé dans une couche arrière de la cible ou dans un précurseur de la couche arrière ;
- la gaine sacrificielle d’un guide d'ondes, de préférence de chaque guide d'ondes est en un polymère, de préférence un polymère ne comprenant pas d’halogène et/ou pas d’azote et/ou pas de silicium, de préférence un polyalkylène, de préférence un polyéthylène ou un de ses dérivés ;
- le matériau de remplissage est une résine ;
- l’élimination du matériau sacrificiel est simultanée à un durcissement du précurseur de la cible ou du support conduisant à ladite cible ou audit support, respectivement.
Dans un mode de réalisation, l’étape 1) comporte les étapes suivantes :
- mise en position de service du précurseur de réseau, c'est-à-dire disposition de la ou des parties de mesure dans la position de service souhaitée lors du fonctionnement du four ;
- préparation d’une charge de départ présentant la composition souhaitée pour la cible ou le support, en ne considérant que les oxydes réfractaires ;
- dépôt de la charge de départ afin de noyer le précurseur de réseau et obtenir le précurseur de la cible ou du support.
Dans un mode de réalisation, au moins une, de préférence chaque partie de mesure est protégée par une gaine de protection, de préférence céramique. La gaine sacrificielle vient alors recouvrir la gaine de protection.
Selon un cinquième mode de réalisation principal, le guide d’ondes comporte une gaine de protection des premier et deuxième conducteurs électriques.
La gaine de protection peut être solidaire rigidement des conducteurs sous réserve d’être segmentée, ou constituer un fourreau rigide servant de logement au guide d’ondes. Le guide d’ondes peut être inséré dans le fourreau après mise en position de service du fourreau. En particulier, le fourreau peut être inclus dans la cible au moment de la fabrication de ladite cible, par exemple mis en position avant d’être noyé par un béton constitutif de la cible.
De préférence, le guide d’ondes peut se déplacer librement dans le fourreau. La gaine de protection peut également ménager un espace d’expansion tel que décrit ci-dessus.
Un fourreau rigide peut avantageusement guider le guide d’ondes pour lui donner une forme prédéterminée, par exemple rectiligne ou coudée, ou le guider sur une grande longueur lors de son insertion.
De préférence, le guide d’ondes est protégé par deux gaines de protection, à savoir une gaine de protection segmentée, de préférence constituée de plusieurs taquets mis bout à bout, et une gaine de protection rigide servant de logement au guide d’ondes. La gaine de protection segmentée peut par exemple résulter d’un enfilage d’une multitude de perles.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un four métallurgique selon l’invention, ledit procédé comportant, pour au moins un guide d’ondes du réseau, de préférence pour chaque guide d’ondes du réseau, les étapes suivantes :
A) préparation d’un précurseur d’un composite à matrice céramique comportant un précurseur de matrice céramique, de préférence sous la forme d’une plaque, et intégration de la partie de mesure du guide d’ondes dans ou sur le précurseur de composite à matrice céramique de manière à obtenir un précurseur de support instrumenté ;
B) durcissement et/ou cuisson, de préférence frittage, dudit précurseur de support instrumenté, de préférence lors de la montée en température du four, de manière à obtenir ledit support instrumenté par consolidation du précurseur de matrice céramique, de préférence sous la forme d’une plaque instrumentée ;
C) installation du support instrumenté si l’étape C) est postérieure à l’étape B) ou installation du précurseur de support instrumenté si l’étape C) est antérieure à l’étape B), de préférence entre une couche arrière définissant la face chaude et un système de chauffe du four, de préférence de manière sensiblement parallèle à ladite face chaude.
De préférence, l’étape A) comprend de préférence les étapes suivantes : a) préparation du précurseur de matrice céramique sous une forme d’une barbotine comportant des particules céramiques et/ou des précurseurs de particules céramiques, le matériau desdites particules céramiques présentant une constante diélectrique ou permittivité électrique relative par rapport au vide à 25°C et à pression atmosphérique, de préférence mesurée à 1 MHz, supérieure à 3 et/ou inférieure à 30, de préférence inférieure à 15; b) indépendamment de l’étape a), fixation ou intégration des premier et deuxième conducteurs électriques de ladite partie de mesure à un textile, de préférence sous forme d’un ou plusieurs tissus ou nappes de fils, de préférence de fils céramiques, le matériau dudit textile présentant un matériau de constante diélectrique ou permittivité électrique relative par rapport au vide à 25°C et à pression atmosphérique, de préférence mesurée à 1 MHz, supérieure à 3 et/ou inférieure à 30, de préférence inférieure à 15; c) imprégnation du textile par ladite barbotine.
Avant ou de préférence après l’étape B), on pose un connecteur apte à connecter électriquement lesdits conducteurs à un interrogateur.
Dans un mode de réalisation, on protège la partie de mesure, voire la partie de transmission, par une dite gaine, avant fixation ou intégration au support.
Dans un mode de réalisation, à l’étape B), la cuisson est telle que la température du précurseur de support instrumenté est comprise entre 400 et 1200°C.
Dans un mode de réalisation particulier, l’étape B) est réalisée, préalablement à l’étape C), dans une dans une étuve ou un four, de préférence sous air et de préférence sous une atmosphère contrôlée. Dans un mode de réalisation, à l’étape C), on installe un précurseur de support instrumenté sur ou dans un précurseur de la cible, et à l’étape B), on consolide simultanément le précurseur de support instrumenté en transformant le précurseur de matrice céramique en matrice céramique et le précurseur de la cible pour le transformer en ladite cible.
Dans un mode de réalisation, à l’étape C), le support instrumenté ou le précurseur de support instrumenté, de préférence sous la forme d’une plaque, est disposé entre
- ladite partie de mesure et
- la cible ou un précurseur de la cible.
Bien entendu, les caractéristiques des différents aspects principaux peuvent être combinées. Elles sont de préférence combinées.
Quel que soit le mode de réalisation principal, le réseau de guides d'ondes d’un four métallurgique selon l’invention peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles et préférées suivantes :
- le réseau de guides d’ondes s’étend au moins partiellement, de préférence complètement, au sein
- d’une couche arrière réfractaire s’étendant derrière une première couche constituée par un assemblage de blocs réfractaires définissant la face chaude de la cible ou
- d’une sous-couche réfractaire de ladite couche arrière ;
- la partie de mesure d’un guide d'ondes, de préférence de chaque guide d'ondes, s’étend dans ladite couche arrière ou dans une sous-couche de ladite couche arrière, de préférence derrière la sous-couche barrière ;
- ladite sous-couche est une sous-couche isolante thermiquement au contact de la face froide de la cible, destinée à définir le profil thermique du revêtement, ou7 de préférence, une sous-couche isolante électriquement destinée à isoler électriquement la première couche, voire, et de préférence lorsque la cible est la sole, entre la sous-couche isolante thermiquement et la sous-couche isolante électriquement ;
- la partie de mesure d’un guide d’ondes du réseau, de préférence de chaque guide d'ondes du réseau, s’étend dans un logement, de préférence sous la forme d’un orifice, ménagé dans la cible et définissant un espace d’expansion thermique pour ledit guide d’ondes ;
- l’espace d’expansion thermique est adapté de manière qu’en service, la partie de mesure du guide d’ondes ne soit pas comprimée par la cible sous l’effet des modifications dimensionnelles de la cible et de ladite partie de mesure résultant des variations de température ;
- de préférence, le rapport du diamètre équivalent du logement sur le diamètre équivalent de la partie de mesure est supérieur à 1,05, de préférence supérieur à 1,10, de préférence supérieur à 1,20, et/ou inférieur à 3,00 de préférence inférieur à 2,50 ;
- ledit logement est un orifice, le diamètre de l’orifice étant inférieur à l’épaisseur de ladite couche ou sous-couche dans laquelle est placée ladite partie de mesure ;
- le diamètre dudit orifice est inférieur à 70%, voire est inférieur à 50% de l’épaisseur de ladite couche ou sous-couche ;
- la partie de mesure d’un guide d'ondes, de préférence de chaque guide d'ondes, hormis les coudes, s’étend au moins partiellement, de préférence complètement parallèlement à la partie de mesure d’un autre guide d'ondes ;
- la partie de mesure d’au moins un guide d'ondes, de préférence de chaque guide d'ondes du réseau est dépourvue de coude ;
- la distance maximale entre les parties de mesure de deux guides d’ondes quelconques est inférieure à 200 cm ;
- des parties de mesures des guides d’ondes forment ensemble une nappe s’étendant suivant une surface courbe ou plane, de préférence plane ;
- les parties de mesure de ladite nappe sont écartées les unes des autres d’une distance supérieure à 1 cm, supérieure à 5 cm, supérieure à 10 cm, supérieure à 20 cm, et/ou inférieure à 100 cm, inférieure à 80 cm, ou inférieure à 50 cm ;
- lesdites parties de mesure de la nappe s’étendent parallèlement les unes aux autres ou se croisent sans se toucher ;
- le four comporte plus de 1, plus de 2, de préférence plus de 3, de préférence plus de 5 dites nappes, lesdites nappes étant de préférence parallèles les unes aux autres, de préférence parallèles à la face chaude, et de préférence régulièrement écartées suivant une direction perpendiculaire à la face chaude, la distance entre deux nappes successives étant de préférence inférieure à 10 cm, 5 cm, ou 2 cm, ce qui, avantageusement, permet d’évaluer des flux thermiques à travers la cible ;
- au moins une partie de mesure, de préférence plus de la moitié des parties de mesures du réseau s’étendent selon une direction perpendiculaire à la direction d’écoulement du métal en fusion en service ; - le rayon de courbure de la partie de mesure d’un guide d'ondes, de préférence de chaque guide d'ondes du réseau est en tout point au moins 3 fois, de préférence au moins 5 fois, de préférence au moins 10 fois, supérieur au diamètre équivalent de ladite partie de mesure ;
- le guide d’ondes, de préférence chaque guide d'ondes du réseau débouche sur une face froide de la cible, opposée à la face chaude, ou sur une face latérale de la cible (notamment lorsque la cible est la sole du four) plus froide que ladite face chaude.
L'homme du métier sait déterminer les dimensions d’un logement pour une partie de mesure afin de réserver un espace d’expansion thermique adapté. Par exemple, pour une sole, il tiendra compte du gradient thermique dans la sole, du coefficient de dilatation thermique des dalles et de la partie de mesure, ainsi que de leurs dimensions.
Le logement est également dimensionné pour que la cible et le guides d’ondes puissent se dilater indépendamment l’un de l’autre, et en particulier pour qu’un allongement ou un rétrécissement de la cible n’entrainent pas de contraintes sur le guide d’ondes, et réciproquement.
Quel que soit le mode de réalisation principal, un guide d'ondes, de préférence chaque guide d'ondes du réseau peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles et préférées suivantes :
- le guide d’ondes satisfait à la condition de diffusion de Rayleigh, ce qui facilite la localisation des régions ayant réfléchi les échos secondaires de base ;
- au moins une entretoise, en un matériau isolant électriquement et plus déformable que le matériau des taquets est disposée entre deux taquets adjacents, de préférence entre les taquets de chaque couple de deux taquets adjacents, au moins dans la partie de mesure ;
- ladite entretoise, de préférence chaque dite entretoise :
- est en un matériau compressible élastiquement, à la manière d’un ressort et/ou
- comprend et/ou est constituée en un matériau organique, de préférence en un matériau polymère, par exemple à base de polyéthylène ou de silicone, de préférence choisi parmi les élastomères, les matériaux thermoplastiques et les matériaux thermo-rétractables, par exemple sous la forme d’une mousse ou d’un mastic ;
- la longueur de la partie de mesure et/ou du guide d’ondes est supérieure à 1 mètre, de préférence supérieure 2 mètres, de préférence supérieure 3 mètres, voire supérieure à 10 mètres et/ou inférieure à 30 mètres, de préférence inférieure à 20 mètres ;
- la longueur de la partie de transmission est de préférence supérieure à 0,1 m et/ou inférieure à 5 mètres, voire inférieure 2 mètres ;
- les premier et deuxième conducteurs électriques sont parallèles, ce qui confère de la robustesse, de l’efficacité et un coût réduit ;
- les premier et deuxième conducteurs électriques sont coaxiaux, ce qui limite l’encombrement et renforce la stabilité de la distance inter-conducteurs, le matériau diélectrique maintenant en position les deux conducteurs coaxiaux ;
- les premier et deuxième conducteurs électriques sont rectilignes, ce qui facilite l’intégration dans la cible ;
- le diamètre équivalent desdits premier et deuxième conducteur est supérieur à 0,4 mm, supérieur à 0,5 mm, de préférence supérieur à 1 mm et/ou inférieur à 50 mm, de préférence inférieur à 20 mm, de préférence inférieur à 10 mm, de préférence inférieur à 5 mm, ce qui permet d’améliorer la qualité du signal (faible atténuation) tout en réduisant le risque de fragilisation ou de rupture de la cible ;
- les premier et deuxième conducteurs électriques sont séparés l’un de l’autre par un matériau diélectrique appartenant à la cible, par exemple à une couche isolante électriquement ;
- les premier et deuxième conducteurs électriques comportent, de préférence sont constitués en un métal réfractaire, par exemple de F Argent utilisable jusqu’à 800°C, par exemple de l’inconel (par exemple les alliages 625 et 690), utilisable jusqu’à 1100°C, du Kanthal de type FeCr, par exemple le KANTHAL APM, utilisable jusqu’à 1425 °C ou un métal noble, de préférence choisi parmi le Platine, le Tungstène, F Or, le Palladium, le Rhodium, le Ruthénium, l’iridium, ou en un alliage de ces éléments, le Platine pouvant être dopé, de préférence par 0,001% à 5% d’oxyde de zirconium, d’hafnium, de calcium, de magnésium ou d’yttrium ;
- un matériau diélectrique comprenant, de préférence constitué en un oxyde d’au moins un élément choisi parmi Al, Zr , Mg et Si, sépare lesdits premier et deuxième conducteurs ;
- le matériau constituant les premier et deuxième conducteurs électriques a une résistivité électrique inférieure à 10 micro-ohm.m dans le domaine de température de l’environnement de la partie de mesure en service, de préférence entre 20 et 1000°C ;
- le matériau diélectrique qui sépare les premier et deuxième conducteurs a une constante diélectrique ou permittivité électrique relative par rapport au vide à 25°C et à pression atmosphérique, de préférence mesurée à 1 MHz, supérieure à 3 et/ou inférieure à 30, de préférence inférieure à 15;
- le matériau diélectrique comprend un oxyde d’au moins un élément choisi parmi Al, Zr, Mg, Ca, Ti et Si ;
- au moins une fraction de la partie de mesure, de préférence au moins dans une région de la partie du guide d’ondes qui sort de la cible, est protégée par une pièce de protection, par exemple sous la forme d’un tube ou d’une brique percée ou rainurée, de préférence une gaine de protection, de préférence céramique, entourant partiellement, de préférence complètement ladite partie de mesure ;
- ladite gaine de protection est en un matériau oxyde d’au moins un élément choisi parmi Al, Zr, Mg, Ca Ti et Si ;
- le guide d’ondes est connecté à un interrogateur à chacune de ses deux extrémités ;
- le guide d’ondes débouche sur une face froide de la cible, opposée à la face chaude, ou sur une face latérale de la cible plus froide que ladite face chaude ;
- les premier et deuxième conducteurs sont fixés à un support en forme de plaque, de préférence constitué par un composite à matrice céramique, de préférence au moyen d’une couche d’interfaçage ou de rubans, d’agrafes ou de fils réfractaires ou sont intégrés au dit composite.
Quel que soit le mode de réalisation principal, au moins une entretoise en un matériau plus déformable que le matériau des taquets est de préférence disposée entre deux taquets adjacents. De préférence, une entretoise est disposée entre les taquets de chaque couple de taquets adjacents, au moins dans la partie de mesure. De préférence, le matériau des entretoises est compressible élastiquement, à la manière d’un ressort. Une entretoise, de préférence chaque entretoise, présente de préférence la forme d’un ressort ou la forme d’une rondelle. Une entretoise, de préférence chaque entretoise, comprend ou est constituée en un matériau organique, de préférence en un matériau polymère, de préférence thermoplastique ou thermo-rétractable, ou en une mousse de polymère.
De préférence, les entretoises sont enfilées, dans la partie de mesure, sur le premier conducteur électrique et/ou sur le deuxième conducteur électrique.
Intercaler des entretoises entre les taquets permet avantageusement de garantir un espacement minimal entre lesdits taquets, notamment lorsque ledit guide d’ondes est courbé. En particulier, les entretoises limitent le risque de rupture lors de l’enroulement du guide d’ondes, par exemple sur un mandrin ou une bobine, pour son transport, et lors de sa mise en position de service.
Quel que soit le mode de réalisation principal, l’interrogateur peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles et préférées suivantes :
- l’interrogateur est configuré pour déterminer, en fonction de l’analyse des signaux de réponse, une température, un niveau d’usure et/ou une vitesse d’usure de la cible ;
- l’interrogateur est configuré pour prévoir l’occurrence d’une percée ou d’une infiltration de la cible par du métal en fusion, ou d’un mouvement ou d’une dégradation brusque du revêtement ;
- le four comporte de préférence au moins un thermocouple disposé à moins de 10 cm d’un guide d’ondes, de préférence de tout guide d'ondes, par exemple dans une zone du four à une température comprise entre 500°C et 1500°C lorsque le four est en service, afin d’étalonner ledit guide d'ondes en vue d’une mesure indirecte de la température.
L’invention concerne aussi un procédé de suivi de l’état d’une cible d’un four métallurgique selon l’invention, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a. fabrication d’un four métallurgique selon l’invention ; b. pour chaque guide d’ondes, commande de l’interrogateur auquel le guide d’ondes est connecté, de manière qu’il injecte un signal d’interrogation par l’extrémité d’entrée dudit guide d’ondes ; c. analyse du signal de réponse de manière à déterminer une information relative à l’état de la cible dans la région de la partie de mesure dudit guide d’ondes.
Selon un mode particulier, l’information relative à l’état de la cible est l’épaisseur résiduelle de réfractaire ou une température en un ou plusieurs points de la cible.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l’examen du dessin annexé dans lequel :
- [Fig 1] la figure 1 représente une demi-coupe transversale schématique d’un four métallurgique à induction ;
- [Fig 2] la figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif de suivi selon l’invention, dans une position de service ; - [Fig 3] la figure 3 illustre différents modes de réalisation possibles pour un guide d’ondes comportant des perles ;
- [Fig 4] la figure 4 illustre, en coupe transversale, un agencement d’un guide d’ondes dans un four métallurgique à induction dans un premier mode de réalisation, préféré ;
- [Fig 5] la figure 5 illustre un support sous la forme d’une plaque, intégrant une partie de mesure selon un premier mode de réalisation selon l’invention ;
- [Fig 6] la figure 6 illustre un support sous la forme d’une plaque, intégrant une partie de mesure selon un autre mode de réalisation selon l’invention ;
- [Fig 7] la figure 7 illustre la fabrication d’un support par enroulement d’un précurseur de support autour d’une partie de mesure ;
- [Fig 8 ] la figure 8 représente un exemple de signal de réponse.
Dans les différentes figures, des références identiques sont utilisées pour désigner des organes identiques ou analogues.
Définitions
Par « cible », on désigne une partie réfractaire du four équipée d’un dispositif de suivi. La cible est de préférence un élément du revêtement réfractaire du four ou « première couche » (vue de l’intérieur du four), obtenue classiquement par assemblage de blocs ou par damage d’un pisé réfractaire, par exemple un élément du revêtement réfractaire d’une paroi latérale d’un creuset, d’une paroi, d’une voûte ou d’une sole. La première couche réfractaire est classiquement en un matériau fondu ou en un matériau fritté dense afin de résister à la température mais aussi à la corrosion par le métal en fusion ou son laitier.
La « face chaude » est la face d’une cible qui est exposée à un espace du four contenant, en service, du métal en fusion ou destinée à contenir du métal en fusion. La face chaude peut être en contact, ou destinée à être en contact avec du métal en fusion et/ou avec son laitier. La face chaude est ainsi la face de la cible qui est soumise ou est destinée à être soumise aux températures les plus élevées. L’ensemble des faces chaudes des blocs ou du pisé de la paroi latérale du creuset de fusion du métal peut également, par extension, être qualifiée de « face chaude ». La surface supérieure de la sole peut aussi être qualifiée de « face chaude ». L’adjectif « chaud » est utilisé à des fins de clarté.
Classiquement, « l’épaisseur » d’une cible est sa dimension mesurée selon une direction perpendiculaire à sa face chaude, ou direction de la « profondeur ». Par exemple, pour un bloc latéral de creuset d’un four métallurgique en contact avec du métal en fusion, l’épaisseur est mesurée suivant une direction sensiblement horizontale dirigée vers le bain de métal en fusion. Pour une sole, l’épaisseur est mesurée suivant une direction verticale.
Deux objets ont « sensiblement la même composition » lorsqu’au moins 80%, de préférence au moins 90% de leurs composants sont identiques.
Un béton est classiquement constitué d'un ensemble de grains grossiers, présentant une taille supérieure à 50 pm, typiquement comprise entre 50 pm et 25 mm, liés par une matrice, ladite matrice assurant une structure sensiblement continue entre les grains grossiers. La matrice est constituée de « particules matricielles » présentant une taille inférieure ou égale à 50 pm.
L’activation est le processus de prise en masse du béton frais. Elle résulte classiquement d’une humidification d’un mélange particulaire comportant un liant hydraulique, avec de l’eau ou un autre liquide, de préférence par ajout de plus de 3% d’eau, en pourcentage massique. Pour être mis en forme, le béton frais est de préférence coulé, vibro-coulé, si le mélange n’est pas autocoulable, voire projeté.
Par « liant hydraulique », on entend un liant qui, lors de l’activation, génère une prise et un durcissement hydraulique, généralement à température ambiante. Un ciment est un liant hydraulique. Un ciment alumineux est un exemple de ciment. Un ciment d’aluminate(s) de calcium est un exemple de ciment alumineux.
Un « pisé » réfractaire est un mélange réfractaire contenant un liant chimique et/ou céramique et/ou organique, classiquement mis en forme après humidification éventuelle, par damage ou compactage ou tringlage, à la main ou à l’aide de moyens mécaniques appropriés. De préférence, le mélange particulaire n’est pas humidifié (mise en œuvre « à sec ») ou humidifié avec moins de 3% d’eau, en pourcentage massique).
Le « support » est une pièce ajoutée à la cible et sur laquelle ou dans laquelle la partie de mesure d’un ou plusieurs guides d’ondes est disposée. Le support protège physiquement la partie de mesure, de préférence crée des discontinuités de base et de préférence autorise un coulissement de la partie de mesure, en particulier sous l’effet de la température.
Le support ou le précurseur de support est parfois qualifié « d’instrumenté » lorsqu’il porte la partie de mesure d’au moins un guide d’ondes. Une plaque présente typiquement deux grandes faces sensiblement parallèles, l’épaisseur entre les deux grandes faces étant typiquement inférieure à 1/2, voire inférieure à 1/3, voire inférieure à 1/5, voire inférieure à 1/10, voire inférieure à 1/100 de la largeur des grandes faces. Une plaque peut être plane ou courbe. La forme d’un support en forme de plaque est de préférence adaptée pour épouser la forme de la cible à laquelle elle est destinée à être fixée.
Par « Composite à Matrice Céramique », ou « CMC », on entend classiquement un produit composé de fibres et/ou de fils liés entre eux par une matrice céramique, représentant en volume de préférence au moins 30% du composite à matrice céramique. Les fibres et/ou fils sont choisis selon l’environnement où doit être placé le composite à matrice céramique, notamment en fonction des conditions de température, de corrosion, de cyclage thermique, de dilatation, et suivant la nature de la cible à équiper.
L’agencement des fibres et/ou fils, qui constituent la structure de renforcement pour la matrice, est choisi en fonction de la forme souhaitée pour le composite à matrice céramique, et de la facilité pour y fixer le guide d’ondes. Par exemple, un empilement de tissés ou de nappes de fibres est bien adapté pour des plaques simples, un enroulement filamentaire est bien adapté pour des plaques ayant une géométrie de révolution, un placement filamentaire est bien adapté pour des formes complexes de grandes dimensions.
Un composite à matrice céramique est classiquement fabriqué sous l’effet d’un chauffage, de préférence à plus de 600°C, de préférence à plus de 700°C, de préférence sous l’effet d’un frittage.
Les fibres et/ou fils sont classiquement sous la forme d’un textile. Le composite à matrice céramique peut être alors qualifié de « textile à matrice céramique ».
Un textile peut être :
- une structure bidimensionnelle organisée de fibres ou de fils, notamment un tricot, une tresse, un tissu, ou
- une structure bidimensionnelle aléatoire de fibres ou de fils, cette structure aléatoire n’étant pas préférée.
Un textile se distingue en particulier d’un mat fibreux, dans lequel l’organisation des fibres ou des fils est aléatoire dans les trois dimensions de l’espace. ZI
Une « fibre » est un filament dont la longueur est supérieure à 5 fois son diamètre équivalent. Le « diamètre » d’une fibre est le diamètre d’un disque de même surface que sa section transversale à mi-longueur.
Un « fil » est un assemblage de fibres qui, en section transversale, comporte plus de 10 et de préférence moins de 500 000 fibres, et dont la longueur est supérieure à 5 fois le diamètre.
Par « filaire », on entend « présentant la forme générale d’un fil ». Un câble présente par exemple une forme filaire. Une bande étroite, ou « ruban », est considérée comme filaire. Un objet ayant une forme filaire présente de préférence une longueur supérieure à 10 fois, 100 fois ou 1 000 fois ou 10000 fois sa largeur (c'est-à-dire sa plus grande dimension dans un plan perpendiculaire à la direction de sa longueur).
Par « guide d’ondes », on entend une ligne de transmission filaire, différente de la cible, apte à guider une onde électromagnétique issue d’un signal électrique à très haute fréquence afin de réaliser une mesure par réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle. Un guide d’ondes comporte classiquement au moins deux conducteurs électriques isolés électriquement l’un de l’autre et qui s’étendent suivant la direction de la longueur du guide d’ondes. Le signal d’interrogation est classiquement une variation de différence de potentiel électrique entre lesdits conducteurs électriques. Le signal d’interrogation est injecté à l’extrémité d’entrée du guide d’ondes, puis se propage sous la forme d’une onde électromagnétique. Une variation d’impédance électrique provoque une réflexion partielle de cette onde. Le signal de réponse réfléchi est également une variation temporelle de différence de potentiel entre les conducteurs électriques.
On appelle « écho » la partie d’un signal de réponse qui est renvoyée :
- par une discontinuité (écho secondaire),
- par l’extrémité d’entrée du guide d’ondes, au niveau du connecteur (écho d’émission) ou
- par l’extrémité de sortie du guide d’ondes (écho de fond 4 - voir figure 8).
Un écho secondaire est ainsi une réponse d’une discontinuité au signal d’interrogation, les échos secondaires peuvent être échos secondaires « de bruit » 5, des échos secondaires « de base » 6 et ou des échos secondaires « francs » 7 (figure 8).
Les échos secondaires de bruit sont les échos secondaires qui présentent une amplitude inférieure ou égale à 0,5% de l’amplitude de l’écho de fond et de préférence supérieure à 0,0001%, de préférence supérieure à 0,01%, de préférence supérieure à 0,1% de l’amplitude de l’écho de fond. Ils sont classiquement générés par des discontinuités « de bruit » résultant d’imperfections dans le guide d’ondes, générées en particulier lors de la fabrication du guide d’ondes.
Les échos secondaires de bruit étant de faible amplitude, ils sont donc très vite atténués. Dans de nombreux cas, ils ne permettent pas de réaliser un suivi précis des évolutions de mesure, par exemple lorsque la température augmente ou lorsque l’humidité est élevée.
Les échos secondaires de base sont les échos secondaires générés par des discontinuités « de base » résultant généralement de modifications volontaires apportées au guide d’ondes, par exemple par texturation ou ajout de taquets. Ils présentent de préférence une amplitude inférieure à l’amplitude de l’écho de fond, de préférence inférieure à 90%, de préférence inférieure à 70%, de préférence inférieure à 50%, de préférence inférieure à 30% de l’amplitude de l’écho de fond. Lorsque la longueur de la partie de mesure est inférieure à 10 mètres, ils présentent de préférence une amplitude supérieure à 0,5%, de préférence supérieure à 1% et inférieure à 30% de l’amplitude de l’écho de fond.
L’amplitude des échos secondaires de base peut être supérieure à 2%, à 3%, ou à 5%, voire à 10% de l’amplitude de l’écho de fond réfléchi par l’extrémité de sortie du guide d’ondes.
Les échos secondaires francs sont les échos secondaires qui présentent une amplitude supérieure ou égale à 30% de l’amplitude de l’écho de fond. Ils sont généralement isolés et générés par des discontinuités « franches », classiquement résultant d’une variation importante ou brusque de la structure du guide d’ondes, par exemple résultant d’une dégradation involontaire du guide d’ondes, par exemple par fissuration (sans rupture). De telles discontinuités franches, locales, ne permettent pas, par analyse des échos secondaires francs, de mesurer des perturbations ou des modifications de l’environnement ailleurs qu’aux emplacements des discontinuités franches. Elles ne permettent donc pas de localiser des variations de mesure sur toute la longueur de la partie de mesure.
Des études récentes réalisées par les inventeurs ont cependant démontré que des échos secondaires francs générés par des discontinuités peuvent constituer des échos secondaires de base exploitables pour le suivi, par réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle, de l’état d’une partie du four si le nombre de discontinuités qui les génèrent, par mètre de partie de mesure de guide d’ondes, est supérieur à 10, supérieur à 15, supérieur à 20, supérieur à 30, supérieur à 40, supérieur à 50, et de préférence inférieur à 10 000, et si ces discontinuités sont réparties de manière aléatoires.
Une « discontinuité » ou « discontinuité d’impédance » est une partie du guide d’ondes apte à renvoyer un écho spécifique en réponse à un signal d’interrogation, de préférence sous la forme d’une faible variation de potentiel électrique. Cet écho est modifié lorsque l’impédance de la discontinuité varie, notamment lorsqu’elle est soumise à une modification d’une propriété de son environnement local (c'est-à-dire dans la région de la discontinuité). L’impédance d’une discontinuité peut en particulier être modifiée lorsque la forme et/ou la température locale du guide d’ondes, et/ou la nature de l’environnement local, c'est-à-dire autour de la discontinuité, est/sont modifié(s). Si un seul des facteurs de modification de la discontinuité est modifié, par exemple la température locale, il existe par conséquent un lien entre l’impédance, et donc l’écho, et la valeur de ce facteur.
La discontinuité peut en particulier résulter d’une variation locale de la structure et/ou de la composition du guide d’ondes, et en particulier d’un des conducteurs du guide d’ondes et/ou d’un diélectrique disposé entre lesdits conducteurs.
Par « gaine sacrificielle", on entend une gaine apte à se décomposer, au moins partiellement, de préférence par traitement thermique.
A des fins de clarté, on distingue la gaine de protection destinée à être conservée en service, et la gaine sacrificielle, ou « temporaire », qui est utilisée pour ménager un espace d’expansion thermique au guide d’ondes, et qui a donc vocation à être éliminée.
Le diamètre équivalent d’un guide d’ondes ou d’une partie de mesure ou d’un conducteur ou d’un logement est le plus grand des diamètres transversaux de ce guide d’ondes ou de cette partie de mesure ou de ce conducteur ou de ce logement, respectivement, en considérant l’ensemble des sections transversales (c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de la longueur) le long de ce guide d’ondes ou de cette partie de mesure ou de ce conducteur ou de ce logement, respectivement, un diamètre transversal mesuré pour une section transversale étant le diamètre d’un disque présentant la même surface que cette section transversale.
Lorsque la section transversale est constante, le diamètre équivalent est donc égal au diamètre transversal quelle que soit la section transversale considérée. Un « coude » est une région de la partie de mesure dans laquelle ladite partie de mesure change de direction de plus 45° sur une longueur inférieure à 80 cm.
Le « précurseur » d’un élément est un objet qui, lors de la fabrication du four, se transforme en cet objet. Par exemple, la préforme d’une cible est un précurseur de la cible, qui se transforme en la cible lors du frittage.
Par « préforme », on entend une pièce façonnée ou préfabriquée à partir d’un mélange particulaire tel que par exemple un béton (classiquement par coulage et vibration) ou un pisé (classiquement par damage) et destinée à être consolidée par traitement thermique, par exemple par frittage. Les procédés de fabrication d’une préforme sont bien connus de l’homme du métier. Classiquement, les particules d’une poudre réfractaire sont mélangées à un liant temporaire et le mélange est mis sous la forme souhaitée.
Les adjectifs « premier » et « deuxième » ne sont utilisés qu’à des fins de clarté.
Sauf indication contraire, « conducteur » désigne le premier ou le deuxième conducteur électrique d’un guide d’ondes.
« Local » ou « localement » servent à qualifier une caractéristique ou une action qui ne porte que sur une fraction du guide d’ondes, par exemple sur une fraction d’une longueur inférieure à 5 cm, 1 cm ou 1 mm. Une variation « locale » d’une propriété signifie ainsi que la valeur de cette propriété varie dans cette fraction, par exemple de plus de 5% ou de plus de 10%. Cette variation peut être, par exemple, inférieure 500%.
On entend classiquement par « matériau céramique » un matériau qui n’est ni métallique, ni organique. Dans un mode de réalisation préféré, un verre d’oxydes et le carbone (sous différentes formes, cristallisée ou non) sont considérés comme des matériaux céramiques.
« Comporter », « présenter » ou « comprendre » doivent être interprétés de manière large, non limitative. détaillée
L’invention utilise les principes bien connus de la réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle (« electrical time domain reflectometry » ou « electrical frequency domain reflectometry » en anglais respectivement, ou « E-TDR » ou « E-FDR », respectivement). Classiquement, un émetteur émet un signal d’interrogation, sous la forme d’une impulsion, dans le milieu conducteur électriquement. Ce dernier renvoie un signal de réponse réfléchi, qui est ensuite analysé afin d’en déduire des informations sur le milieu conducteur.
En particulier, une partie de mesure est soumise à une température qui dépend de l’environnement de la cible, en particulier du métal en fusion ou de ses vapeurs, mais également de l’épaisseur de matière qui la sépare de cet environnement. Lorsque cette épaisseur diminue à un endroit de la cible, la partie de mesure peut modifier sa réaction localement à la réception du signal d’interrogation.
Cette réaction locale permet à l’interrogateur d’être ainsi informé d’une réduction de l’épaisseur de la cible, voire d’une percée par le métal en fusion dans la cible à cet endroit.
Dispositif de suivi
Guide d’ondes électromagnétiques
Le guide d’ondes 12 (figure 2) présente la forme d’une ligne de transmission, par exemple la forme générale d’une bande ou d’un câble, qui s’étend depuis une extrémité d’entrée 12e jusqu’à une extrémité de sortie 12s. Il comporte :
- une partie de mesure 14, qui comporte les discontinuités utilisées pour la mesure, et
- une partie de transmission 15, qui est utilisée pour connecter la partie de mesure 14 à un interrogateur 18.
La partie de mesure est conçue pour résister aux températures auxquelles elle est soumise en service, de préférence pour résister à une température de 200°C, de préférence à une température de 300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C, 1100°C, ou 1200°C.
La longueur du guide d’ondes, et de préférence de la partie de mesure, est de préférence supérieure à 1 m, de préférence supérieure à 2 m, de préférence supérieure à 5 m, de préférence supérieure à 10 m, supérieure à 15 m, supérieure à 20 m, et/ou inférieure à 200 m, voire inférieure à 100 m, de préférence inférieure à 50 m.
De préférence, un conducteur, de préférence chaque conducteur, voire le guide d’ondes
- présente un diamètre équivalent ou,
- pour un conducteur ou un guide d’ondes présentant la forme d’une bande, présente une épaisseur inférieur(e) à 10 millimètres, inférieur(e) à 5 mm, et/ou de préférence supérieur(e) à 0,4mm, de préférence supérieure à 0,5mm de préférence supérieure à 1 mm.
Le guide d’ondes comporte des premier et deuxième conducteurs électriques, 12i et 122 respectivement, par exemple sous la forme d’un câble comportant un ou plusieurs fils, d’un assemblage de câbles ou d’une bande.
Chaque conducteur comporte :
- une extrémité d’entrée (c'est-à-dire à l’extrémité d’entrée du guide d’ondes) électriquement connectée à une borne respective de l’interrogateur 18, et,
- à l’extrémité de sortie du guide d’ondes, une extrémité de sortie libre.
Les extrémités de sortie ne sont pas électriquement connectées l’une à l’autre, de sorte que les conducteurs ne forment pas un circuit électrique, comme dans un dispositif de mesure résistive, dans lequel un courant continu ou alternatif circule.
Le matériau des conducteurs est de préférence un métal conducteur tel que Al, Cu ou un acier ou un alliage métallique. Il peut être également une céramique ou un cermet. En particulier, pour une application dans un environnement à haute température, les conducteurs peuvent être
- en inconel (par exemple les alliages 625 et 690), utilisable jusqu’à 1100°C,
- en platine,
- en Kanthal de type FeCr, par exemple le KANTHAL APM, utilisable jusqu’à 1425 °C,
- en tungstène,
- en rhodium,
- en ruthénium,
- en palladium,
- en iridium
Un conducteur en un métal revêtu d’oxyde réfractaire conducteur de SnCL ou de Spinelle Cr2Û3-MgO ou de pérovskite ou de carbure de métalloïde ou de métal peut convenir à des très hautes températures.
De préférence, le matériau des conducteurs est un métal noble, de préférence choisi parmi le Platine, F Or, le Palladium, le Rhodium, l’iridium. La résistivité électrique des premier et deuxième conducteurs est de préférence inférieure à 10 micro-ohm. m dans le domaine de température de l’environnement, de préférence entre 20°C et 1000°C.
Selon un premier mode de réalisation, chaque conducteur est formé d’un câble formé d’un ou plusieurs fils. Les premier et deuxième conducteurs sont non coaxiaux et maintenus à distance l’un de l’autre par un isolant diélectrique, de préférence présentant une résistivité électrique supérieure à 10, 50, 100 ou 1000 fois celles des conducteurs.
Selon un deuxième mode de réalisation, qui est préféré, le guide d’ondes est formé d’un câble coaxial, par exemple de connexion de type BNC, comprenant un fil ou manchon interne formant le premier conducteur et un manchon externe formant le deuxième conducteur, les deux manchons étant séparés par un séparateur sous la forme d’un manchon intermédiaire isolant électriquement. De préférence, le matériau du manchon intermédiaire comprend de préférence constitué en un oxyde d’au moins un élément choisi parmi Al, Zr , Mg, Ca, Ti et Si.
Dans un mode de réalisation, ledit guide d’ondes est formé d’au moins deux conducteurs linéaires, de préférence des fils de platine, par exemple des fils de platine FKS fournis par Ogussa, parallèles et écartés d’une distance supérieure à 1 mm, de préférence supérieure à 2 mm, et/ou de préférence inférieure à 20 mm. Des perles réfractaires, de préférence des perles d’alumine, sont enfilées sur les conducteurs, de préférence par des premier et deuxième orifices traversant par lesquels passent les premier et deuxième conducteurs.
La longueur du guide d’ondes, et de préférence de la partie de mesure, est de préférence supérieure à 1 m, de préférence supérieure à 2 m, de préférence supérieure à 3 m, voire supérieure à 10 m, et/ou inférieure à 30 m, voire inférieure à 20 m.
Les deux conducteurs sont de préférence parallèles hormis, éventuellement, dans les zones des discontinuités. Des défauts locaux de parallélisme peuvent être ménagés pour créer des discontinuités, et en particulier des discontinuités de base.
De préférence, notamment avant fixation ou intégration à un support, de préférence sous la forme d’une plaque, le guide d’ondes et/ou chaque conducteur peut être inséré dans une gaine de protection, éventuellement segmentée, afin de protéger les conducteurs lors de l’installation du guide d’ondes.
La gaine de protection peut être notamment en céramique, notamment en alumine, notamment pour un environnement à une température supérieure à 400°C.
La gaine de protection est de préférence en un matériau présentant un coefficient d’expansion thermique sensiblement identique à celui du matériau des conducteurs.
De préférence, le coefficient d’expansion thermique du guide d’ondes, de préférence au moins de la partie de mesure, est sensiblement identique à celui de la partie de la cible qui reçoit la partie de mesure (+/-20%, de préférence +/-10%).
Ladite gaine de protection peut être droite ou courbée, et s’étend autour de la partie de mesure. Cette gaine peut être utile pour donner une forme courbe à la partie de mesure, voire à la partie de transmission.
Le guide d’ondes, et en particulier au moins la partie de mesure, peut également être fixé sur un support 40 (voir figure 5 ou 2), de préférence sous la forme d’une plaque, lui-même au contact de la cible 30.
Un même support, en particulier sous la forme d’une plaque, peut supporter plusieurs parties de mesure, voire l’ensemble des parties de mesure du réseau de guides d’ondes.
Le support est de préférence au moins en partie en un matériau constitué de fils et/ou de fibres liées entre elles par une matrice céramique, dit « composite à matrice céramique ».
Les fibres et/ou fils et la matrice céramique seront choisies selon l’environnement où le composite à matrice céramique doit être placé, notamment en fonction des conditions de température, de corrosion, de cyclage thermique, de dilatation, et suivant la nature de la cible à suivre.
Le coefficient de dilatation thermique du composite à matrice céramique peut être ajusté par les techniques bien connues de l’homme du métier, notamment en adaptant la composition du composite à matrice céramique.
De préférence, le composite à matrice céramique présente une résistance à la rupture en flexion 3 points, mesurée suivant la norme ASTM C 1341- 13, supérieure à 3 MPa, de préférence supérieure à 6 MPa, de préférence supérieure à 10 MPa. Avantageusement, la résistance mécanique, notamment sa résistance aux chocs, en est améliorée.
Par exemple, un empilement de tissés ou de nappes de fibres ou de fils est bien adapté pour des plaques simples, un enroulement filamentaire est bien adapté pour des plaques ayant une géométrie de révolution, un placement filamentaire est bien adapté pour des formes complexes de grandes dimensions.
De préférence encore, le composite à matrice céramique, en particulier sous la forme d’un textile à matrice céramique, présente une résistance à l’écrasement en compression très élevée supérieure à 5 MPa, de préférence supérieure à 10 MPa, ce qui améliore la stabilité du capteur. Cette résistance à l’écrasement en compression est notamment supérieure à celle des couches constituées de nappes de fibres (« insulating mats » en anglais).
De préférence, le composite à matrice céramique présente une température de fusion ou de sublimation supérieure à 800 °C, de préférence supérieure à 1000°C.
La conductivité thermique du composite à matrice céramique est de préférence inférieure à 2,0 W.m^.K'1, entre 20°C et 500°C.
De préférence, le composite à matrice céramique comporte, en pourcentage massique, plus de 80%, plus de 90%, plus de 95%, voire sensiblement 100% d’un ou plusieurs des oxydes suivants : AI2O3, Z1O2. HfCL, CnCh, MgO, CaO, SiCL.
Dans un mode de réalisation, le composite à matrice céramique présente une composition chimique, en pourcentage massique sur la base des oxydes, telle que AI2O3 + SiCL > 80%, de préférence supérieure à 85%, de préférence supérieure à 90%, voire supérieure à 95%.
Dans un mode de réalisation, la matrice comporte, de préférence est constituée, pour plus de 80%, plus de 90%, plus de 95%, de préférence sensiblement 100% de sa masse, d’un ou plusieurs composé(s) choisi(s) dans le groupe formé par AI2O3, Z1O2, Cr2Û3, MgO, CaO et SiO2.
De préférence, le volume des fibres ou des fils représente plus de 25%, de préférence plus de 30%, de préférence plus de 40%, de préférence plus de 50%, de préférence plus de 60% et/ou moins de 70% du volume de la matière du composite à matrice céramique, c'est-à-dire sans prendre en compte sa porosité, le complément à 100% étant constitué par la matrice céramique liant entre elles lesdites fibres. Le diamètre des fibres, mesuré à mi-longueur des fibres et en moyenne sur l’ensemble de fibres, est de préférence compris entre 3 et 30 micromètres, de préférence entre 5 et 25 micromètres.
De préférence, le support est sous la forme d’une plaque, plane ou non plane, et présente, entre ses grandes faces, une épaisseur moyenne de préférence constante, de préférence inférieure à 40 mm, de préférence inférieure à 32 mm, de préférence inférieure à 28 mm, de préférence inférieure à 22 mm, de préférence inférieure à 20 mm, voire inférieure à 18 mm ou à 15 mm ou à 10 mm, et/ou de préférence supérieure à 1 mm, de préférence supérieure à 2 mm, voire supérieure à 3 mm, ou supérieure à 5 mm.
La surface d’une grande face du support est de préférence supérieure à 100 cm2, de préférence supérieure à 200 cm2, de préférence supérieure à 300 cm2, de préférence supérieure à 400 cm2, et/ou inférieure à 20 000 cm2, de préférence inférieure 15 000 cm2 voire inférieure à 10000 cm2.
Dans un mode de réalisation, le support se présente sous la forme d’un rouleau avant d’être apposé contre la cible. Dans un mode de réalisation, le support est fixé sur une face froide de la cible et, de préférence, le support comporte une zone ajourée, c'est-à-dire traversée par une pluralité d’orifices afin de faciliter les échanges thermiques avec la face froide.
Un support est particulièrement utile lorsque la cible appartient à ou constitue la paroi latérale du creuset. La cible peut être en particulier une première couche constituée de blocs denses, fondus ou frittés.
Dans un mode de réalisation, le support est collé sur la face froide de la cible. De préférence, l’adhésif utilisé pour fixer le guide d'ondes sur le support et/ou le support sur la cible est choisi parmi les mélanges de poudres céramiques et de liants, de préférence appliqués sous une forme liquide.
De préférence, les poudres sont des poudres d’alumine et/ou de silice et/ou de mullite. De préférence, les liants sont choisis parmi la silice colloïdale, le silicate de soude, les résines organiques, les colles organiques et leurs mélanges. L’adhésif utilisé peut également être un adhésif commercial comme les adhésifs Fixwool FX de la société Unifrax.
Dans un mode de réalisation, la partie de mesure du guide d’ondes est noyée au sein du composite à matrice céramique ou du précurseur dudit composite à matrice céramique, de préférence pris en sandwich entre deux textiles dudit composite. Selon un premier mode de réalisation particulier, la partie de mesure du guide d’ondes est fixée sur le support au moyen d’une couche d’interfaçage. La couche d’interfaçage peut être, en particulier si la température de la face de la cible qui reçoit le support, en particulier la face froide, est inférieure ou égale à 400°C, une colle comportant un polymère thermodurcissable, thermoplastique ou élastomère.
Dans un mode de réalisation, la partie de mesure du guide d’ondes est fixée au support au moyen de rubans, d’agrafes ou de fils réfractaires.
Dans un mode de réalisation illustré par la figure 6, les premier et deuxième conducteurs de la partie de mesure sont intégrés dans l’agencement de fils du composite à matrice céramique ou du précurseur dudit composite à matrice céramique, par exemple comme fil de trame, fil de chaîne ou fil de tricot. Ils s’étendent sensiblement de manière parallèle et à une distance prédéterminée. De préférence, la distance séparant les conducteurs est supérieure à 0,3 mm, de préférence supérieure à 0,4 mm, de préférence supérieure à 0,5 mm et inférieure à 30 mm, de préférence inférieure à 10 mm, de préférence inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 3 mm.
Afin de maintenir une distance entre les deux conducteurs, au moins un fil, voire une pluralité de fils en un matériau diélectrique peuvent être interposés entre les premier et deuxième conducteurs du guide d’ondes.
Dans un mode de réalisation, un même support peut supporter plusieurs parties de mesure de différents guides d’ondes.
Dans un mode de réalisation, la partie de mesure est logée dans une gaine de protection céramique incorporée dans le support pendant sa fabrication, ou dans un canal ménagé dans le support pendant ou après la fabrication dudit support.
Quel que soit le mode de réalisation, l’absence de contact électrique direct entre les deux conducteurs peut être facilitée par l’interposition d’un isolant diélectrique 25, ou « séparateur », par exemple en mica, en un dérivé de mica, en titane en baryum, en mullite, en cordiérite ou en alumine.
L’isolant diélectrique peut être monobloc ou être constitué d’un assemblage de plusieurs taquets diélectriques. De préférence, les taquets diélectriques sont interposés entre les conducteurs, les taquets présentant de préférence la forme de perles enfilées sur au moins un des conducteurs, de préférence sur les deux conducteurs.
Les taquets sont décrits plus en détail dans la suite de la description.
La distance prédéterminée entre les deux conducteurs électriques est de préférence sensiblement constante.
Lorsque les premier et deuxième conducteurs sont intégrés dans le textile d’un composite à matrice céramique et constituent des fils constitutifs du textile, par exemple des fils de trame ou de chaîne, le séparateur peut être constitué par des fils en un matériau diélectrique également constitutif du textile. Par exemple, si les premier et deuxième conducteurs sont des fils de trame ou de chaîne, ils peuvent être séparés par un ou plusieurs autres fils de trame ou de chaîne, respectivement en un matériau diélectrique (fil 25 sur la figure 6).
Discontinuités
Le nombre de discontinuités, en particulier de discontinuités de base, par mètre de partie de mesure de guide d’ondes est de préférence supérieur à 10, supérieur à 15, supérieur à 20, supérieur à 30, supérieur à 40, supérieur à 50, et/ou inférieur à 10000, inférieur à 1000, inférieur à 500, inférieur à 100. Avantageusement, il est ainsi possible d’évaluer la propriété de l’environnement de la partie de mesure sensiblement sur toute sa longueur, et avec une bonne précision.
De préférence, la distance entre deux discontinuités 24 quelconques, en particulier de deux discontinuités de base quelconques, successives le long du guide d’ondes 12, est inférieure à 1/100 de la longueur d’onde du signal d’interrogation (égale à la vitesse de propagation du signal d’interrogation, d’environ 200000 km/s pour une onde électromagnétique, divisée par la fréquence du pic le plus élevé du spectre de fréquence du signal d’interrogation).
Cette distance est de préférence supérieure à 10 mm, 15 mm ou 20 mm et/ou inférieure à 100 mm ou 50 mm.
La sensibilité de l’information fournie par l’interrogateur en est avantageusement améliorée.
L’utilisation des discontinuités renvoyant une faible variation de potentiel électrique permet d’éviter de devoir créer des fortes discontinuités, susceptibles d’amortir fortement le signal d’interrogation, et donc d’empêcher un suivi sur toute la longueur de la partie de mesure du guide d’ondes. De préférence, plus de 50%, de préférence plus de 80%, de préférence plus de 90% des discontinuités renvoient des échos secondaires de base et/ou de bruit, de préférence des échos secondaires de base.
L’exploitation de ces faibles variations aléatoires de potentiel électrique va à l’encontre des développements de la réflectométrie électrique, ces variations étant considérées comme préjudiciables. De préférence, on ajoute des discontinuités de manière aléatoire dans le guide d’ondes.
Les discontinuités sont variables, c'est-à-dire qu’elles ne renvoient pas tous le même écho lorsqu’elles reçoivent un même signal d’interrogation. De préférence encore, la variation des discontinuités, en particulier de discontinuités de base, est aléatoire.
Les discontinuités 24, en particulier les discontinuités de base, peuvent être obtenues par modification de la surface et/ou du matériau constitutif d’un ou des deux conducteurs et/ou de l’isolant diélectrique, par exemple par une modification superficielle par abrasion, par une attaque chimique, par l’ajout d’un dopant dans le matériau, ou par l’ajout de taquets.
Dans un mode de réalisation, le guide d’ondes est formé d’un câble coaxial, par exemple de connexion de type BNC, comprenant un fil formant le premier conducteur et un manchon externe formant le deuxième conducteur, les deux manchons étant séparés par un manchon intermédiaire isolant électriquement. Il est possible de créer des discontinuités 24, en particulier des discontinuités de base, en modifiant l’état de surface du manchon isolant, par exemple en créant des rugosités. Une autre voie consiste à créer des discontinuités aléatoires, en particulier des discontinuités de base, sur le manchon externe, par exemple par abrasion (sans stopper la conduction électrique au sein du manchon externe).
Dans un mode de réalisation, des discontinuités, en particulier des discontinuités de base, sont des irrégularités de surface sur le séparateur, de préférence ménagées en face des connecteurs, de préférence dans au moins une zone du séparateur en contact avec les connecteurs. Une texturation de ladite zone permet avantageusement de générer des discontinuités aléatoires.
Il est aussi possible de créer des discontinuités 24, en particulier des discontinuités de base, de préférence aléatoires, en modifiant l’état de surface de l’isolant diélectrique 25 (texturation), par exemple en créant des rugosités, par exemple par abrasion. De préférence, la texturation comporte la création de reliefs d’une hauteur supérieure à 0,05 mm, de préférence supérieure à 0, 1 mm, de préférence supérieure à 0,2 mm, de préférence supérieure à 0,4 mm, de préférence supérieure à 0,5 mm, voire supérieure à 0,8 mm, et/ou inférieure à 3 mm, inférieure à 2 mm ou inférieure à 1 mm.
La densité en reliefs, en nombre de reliefs par rapport à la surface texturée (en particulier par rapport à la surface du matériau diélectrique et/ou à la surface d’au moins un desdits premier et deuxième conducteurs électriques) est de préférence supérieure à 1/10000 mm2 , de préférence supérieure à 1/1000 mm2, de préférence supérieure à 0,5/100 mm2 (ou 0,5/cm2) et/ou inférieure à 10/mm2, de préférence inférieure à 1/mm2 , de préférence inférieure à 1/10 mm2 (ou 10/cm2).
La distance prédéterminée entre les deux conducteurs électriques est de préférence sensiblement constante. Les deux conducteurs sont de préférence parallèles hormis, éventuellement, dans les zones des discontinuités. Des défauts locaux de parallélisme peuvent être ménagés pour créer des discontinuités, et en particulier des discontinuités de base.
De préférence, pour créer une discontinuité de base par variation de la distance
- entre les deux conducteurs électriques ou
- entre le premier conducteur électrique et/ou le deuxième conducteur électrique d’une part, et un matériau diélectrique d’un dit support d’autre part, on fait varier cette distance de plus de 0,1 mm sur moins de 2mm, de préférence moins 1 mm, le long de la partie de mesure.
De préférence, pour créer des discontinuités, des taquets diélectriques sont disposés en contact avec les premier et deuxième conducteurs.
Les taquets diélectriques, et en particulier les perles, peuvent présenter une longueur, mesurée suivant la longueur du guide d’ondes, supérieure à 10 mm, 15 mm ou 20 mm et/ou inférieure à 100 mm ou 50 mm.
Les taquets diélectriques, et en particulier les perles, présentent de préférence une largeur, c'est-à-dire une plus grande dimension dans un plan transversal à la direction de leur longueur, supérieure à 1 mm, 2 mm ou 3 mm et/ou inférieure à 10 mm ou 5 mm. La figure 3 illustre différents modes de réalisation possibles pour des taquets diélectriques.
En particulier, elle illustre des modes de réalisation dans lesquels :
- des perles 23 sont enfilées sur un seul des premier et deuxième conducteurs (3E) ou sur les deux premier et deuxième conducteurs (3A-3D) ;
- des perles 23 sont enfilées pour former une gaine de protection 27 segmentée (3A, 3C- 3E) ou non (3B), sur les deux premier et deuxième conducteurs (3A-3D), pour un (3E) ou pour les deux conducteurs ;
- des perles 23 de forme identiques (3 A, 3D) ou différentes (3B, 3C, 3E) sont enfilées ;
- des perles 23 ayant des surfaces texturées de la même façon (3A-3C, 3E) ou non (3D) sont enfilées ;
- un ou plusieurs des conducteurs s’étendent symétriquement par rapport à l’axe de chaque perle 23 (3 A, 3B, 3C, 3D) ou non (3E) ;
- un ou plusieurs des conducteurs s’étendent parallèlement à l’axe de chaque perle 23 (3A- 3E) ou non.
Les taquets facilitent également l’identification de régions générant des échos secondaires de base, et peuvent donc servir de marques d’identification.
De préférence, pour créer une discontinuité de base, il est également possible de modifier la composition et/ou la structure d’un support à proximité ou autour des premier et deuxième conducteurs électriques ou entre les premier et deuxième conducteurs électriques. En particulier, la composition et/ou la structure du support peuvent varier de plus de 10% sur moins de 1 mm le long de la partie de mesure. Par exemple, il est possible de déformer localement la structure du support pour créer des creux ou des bosses, par exemple mécaniquement ou par fusion locale, et/ou de faire varier la composition du support.
Le support peut être un support solidaire du guide d’ondes, par exemple d’un support en un CMC.
Par exemple, le guide d’ondes peut être fixé sur support qui n’est pas une masse homogène de matière mais présente des variations du fait de la présence de pores, traversants ou non, par exemple du fait qu’il comporte un textile tissé. La succession des fils, irrégulière, crée des discontinuités de base aléatoires. Par exemple, le guide d’ondes est fixé sur ou noyé dans un support qui comporte des inclusions, chaque inclusion, par exemple sous la forme d’une particule ou d’une fibre, le long de la partie de mesure conduisant à une variation de la composition dudit support.
Distribution aléatoire des discontinuités
De préférence, les discontinuités ne sont pas distribuées régulièrement le long du guide d’ondes. De préférence, les discontinuités, en particulier de discontinuités de base, sont distribuées aléatoirement le long du guide d’ondes.
Le caractère aléatoire de la distribution ou de l’intensité des discontinuités évite avantageusement le risque de créer une accumulation d’échos secondaires de même période, susceptible d’amortir fortement le signal d’interrogation.
Les taquets diélectriques peuvent présenter des formes et/ou des dimensions identiques ou différentes et/ou être en des matériaux identiques ou différents. Même si les taquets diélectriques apparaissent identiques, aucun taquet n’est complètement identique à un autre.
Les variations de forme et de composition des taquets, en particulier des perles, et les variations de positionnement des perles par rapport aux conducteurs permettent de rendre aléatoires les discontinuités qu’ils génèrent. Il est ainsi possible de créer des discontinuités de base de manière aléatoire.
Pour générer des discontinuité aléatoires, en particulier des discontinuités de base, dans le mode de réalisation dans lequel les premier et deuxième conducteurs de la partie de mesure sont intégrés dans l’agencement de fils d’un support en un composite à matrice céramique, par exemple comme fil de trame, fil de chaîne ou fil de tricot, les premier et deuxième conducteurs et/ou les autres fils en un matériau diélectrique (ou fils non conducteurs) peuvent être modifiés de manière aléatoire par exemple abrasion ou attaque chimique. Des fils en un matériau diélectrique peuvent être également ou alternativement enroulés de manière aléatoire autour du premier conducteur et/ou du deuxième conducteur. Des fils et/ou des fibres et/ou des particules en un matériau diélectrique peuvent être également ou alternativement ajoutés au textile de manière aléatoire. Des particules de taille ou de forme variable ou placées de manière inégale peuvent être encore, en complément ou alternativement aux autres possibilités décrites précédemment, placées au contact dudit textile avant imprégnation. Le choix de la taille ou de la forme des particules, de la texturation ou de la longueur des fibres permet de créer des discontinuités aléatoires. Les conducteurs peuvent être également ou alternativement disposés en contact avec un tissu texturée irrégulièrement ou un mat de fibres disposées aléatoirement, avant imprégnation par un précurseur de matrice puis durcissement pour former un support instrumenté.
Condition de diffusion de Rayleigh
Le guide d’ondes satisfait de préférence à la condition de diffusion de Rayleigh. Avantageusement, les régions ayant réfléchi les échos secondaires de base peuvent être facilement localisées.
De préférence, les discontinuités 24 de base sont écartées les unes des autres d’une distance, mesurée le long du guide d’ondes, au moins 10 fois, de préférence au moins 15 fois, de préférence au moins 20 fois inférieure à la longueur d’onde de référence, égale à la vitesse de propagation du signal d’interrogation, d’environ 200 000 km/s pour une onde électromagnétique, divisée par la fréquence du pic le plus élevé du spectre de fréquence du signal d’interrogation.
Cette distance peut être en particulier définie par la longueur de taquets diélectriques, en particulier de perles enfilées sur le guide d’ondes. Pour générer suffisamment d’échos secondaires de base, la longueur des taquets est de préférence adaptée, en fonction de la fréquence de référence (inverse de la longueur d’onde de référence), de manière à respecter la condition de diffusion de Rayleigh.
Par exemple, pour une longueur d’onde de référence d’une quinzaine de centimètres, des taquets, par exemple des perles, d’une longueur inférieure à 3 cm, de préférence inférieure à 2 cm ou à 1 cm sont bien adaptés. Par exemple, pour un signal d’interrogation de fréquence de 1 GHz, des perles d’alumine de longueur inférieure à 10 mm et enfilées sur des fils de platine produisent à des échos secondaires de trop faible amplitude, tandis que des perles de longueur supérieure à 100 mm produisent des échos secondaires francs.
Avec des discontinuités de base et dans les conditions de diffusion de Rayleigh, il est possible de réaliser des mesures précises sur une longueur supérieure à 1 m, de préférence supérieure à 2 m, de préférence supérieure à 5 m, de préférence supérieure à 10 m, supérieure à 15 m, ou supérieure à 20 m, et/ou inférieure à 500 m, par exemple sur toute la longueur de la partie de mesure.
Réseau de guides d’ondes De préférence, le réseau comporte plusieurs parties de mesure, de préférence parallèles les unes aux autres et à la face chaude de la cible, de manière que la densité de discontinuités, de préférence la densité de discontinuités de base, sur la surface équipée soit supérieure à 3, de préférence supérieure à 10, de préférence supérieure à 50, de préférence supérieure à 100, de préférence supérieure à 500, de préférence supérieure à 800 discontinuités et/ou inférieure à 1 000 000, de préférence inférieure à 500 000, de préférence inférieure à 100 000, de préférence inférieure à 50 000, de préférence inférieure à 10000, de préférence inférieure à 5000, de préférence inférieure à 2000, par m2 de surface de la face chaude. La fiabilité de l’analyse par l’interrogateur en est améliorée.
De préférence, les parties de mesure forment une nappe s’étendant suivant une surface courbe ou plane, de préférence plane, chaque guide d’ondes étant de préférence connecté à un interrogateur qui lui est propre.
Le réseau de guides d'ondes peut comprendre plus de 1, plus de 2, de préférence plus de 3, de préférence plus de 5 dites nappes, lesdites nappes étant de préférence parallèles les unes aux autres et de préférence régulièrement écartées les unes des autres suivant une direction perpendiculaire à une surface de l’assemblage.
Dans un mode de réalisation, au moins deux guides d’ondes se croisent à des profondeurs différentes, la profondeur étant mesurée à partir de la face chaude, perpendiculairement à la face chaude. L’identité des guides d’ondes superposés étant connue, il est ainsi avantageusement possible de définir un profil de température suivant la direction de la profondeur, et/ou d’évaluer l’ampleur d’une diminution de l’épaisseur de la cible, par exemple de la sole, en chaque point de la face chaude en dessous duquel sont superposés plusieurs guides d’ondes. A cet effet, un ordinateur central peut collecter les messages des différents interrogateurs et, connaissant la distribution spatiale des guides d’ondes, en déduire un profil de l’usure.
Les extrémités d’entrée des conducteurs électriques du guide d’ondes sont connectées électriquement à l’interrogateur 18, ou « réflectomètre ». L’interrogateur est configuré pour :
- injecter les signaux d’interrogation par établissement d’une variation de la différence de potentiel entre les deux conducteurs du guide d’ondes ; et
- analyser les signaux de réponse réfléchis en réponse aux signaux d’interrogation.
L’interrogateur 18 comporte classiquement un émetteur/récepteur 21 et un module de commande 31 (figure 2). Le module de commande 31 comporte classiquement un processeur et une mémoire dans laquelle est chargé un programme d’ordinateur. Grâce à ce programme d’ordinateur, le processeur peut commander l’émission des signaux d’interrogation et analyser les signaux réfléchis reçus afin d’identifier les échos renvoyés par les discontinuités. Dans un mode de réalisation, l’analyse est réalisée par un ordinateur d'analyse 39 en communication avec l’interrogateur.
L’interrogateur peut être par exemple un générateur de tension couplé à un oscilloscope permettant la réception et l’analyse des signaux réfléchis. L’interrogateur peut être un analyseur de réseau pourvu d’un logiciel tel que « VNA software » pour la génération du signal d’interrogation et l’analyse du signal réfléchi.
Dans un mode de réalisation préféré, un premier interrogateur est connecté à l’extrémité d’entrée d’un guide d’ondes. Un deuxième interrogateur est connecté à l’extrémité de sortie, du guide d’ondes.
Le deuxième interrogateur reçoit donc les parties du signal d’interrogation injecté par le premier interrogateur et qui n’ont pas été réfléchies par les différentes discontinuités du guide d’ondes. De préférence, le deuxième interrogateur peut également envoyer un signal d’interrogation. La présence de deux interrogateurs permet avantageusement, en cas de rupture du guide d’ondes, d’obtenir des informations de chaque côté de la zone de rupture. Elle améliore donc la robustesse du dispositif.
Analyse
L’analyse réalisée par un interrogateur repose sur la réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle (« electrical time domain reflectometry » ou « electrical frequency domain reflectometry » en anglais respectivement, ou « E-TDR » ou « E-FDR », respectivement), qui est une technique conventionnelle de mesure des changements d’état d’un milieu au moyen d’un guide d’ondes et d’un interrogateur.
Chaque signal d’interrogation, de préférence sous la forme d’une impulsion ou « Dirac », est généré par établissement d’une variation de la différence de potentiel entre les deux conducteurs du guide d’ondes. Ce dernier renvoie un signal de réponse, qui est ensuite analysé afin d’en déduire des informations sur le milieu traversé par l’impulsion. En présence d’une discontinuité d'impédance, par exemple une variation physico-chimique significative du milieu entrainant une variation locale d’impédance, une partie du signal d’interrogation est réfléchie vers l’interrogateur, ce qui permet d’identifier et d’analyser cette variation.
Le signal d’interrogation peut prendre la forme d’une onde périodique de forme quelconque. Le signal d’interrogation peut être répété. De préférence, l’amplitude maximale du signal d’interrogation est comprise entre 0,1 V et 100 V, de préférence inférieure à 10 V, de préférence inférieure à 1 V. La fréquence du pic le plus élevé dans un spectre de fréquence du signal d’interrogation est de préférence supérieure à 10 KHz, de préférence supérieure à 100 KHz, de préférence supérieure à 1 MHz, de préférence supérieure à 100 MHz, de préférence supérieure à 200 MHz, de préférence supérieure à 500 MHz, de préférence supérieure à 1 GHz, et/ou inférieure à 50 GHz, de préférence inférieure à 30 GHz, de préférence inférieure à 20 GHz, de préférence inférieure à 10 GHz, de préférence inférieure à 6 GHz, de préférence inférieure à 4 GHz. Les signaux d’interrogation peuvent être envoyés sous forme de trains de signaux comportant de préférence une série de signaux périodiques de fréquences variables selon le signal périodique considéré.
La fréquence du signal d’interrogation est classiquement adaptée à la longueur de la partie de mesure. La longueur d’onde du signal d’interrogation est classiquement inférieure à la longueur de la partie de mesure du guide d’ondes. Le rapport de la longueur d’onde du signal d’interrogation sur la longueur de la partie de mesure du guide d’ondes est de préférence compris entre 0,1 et 0,9 de préférence compris entre 0,1 et 0,5, de préférence compris entre 0,1 et 0,3.
De préférence, la longueur de la partie de mesure du guide d’ondes n’est pas un multiple de la longueur d’ondes du signal d’interrogation afin d’éviter les problèmes de résonance.
Par exemple, la fréquence du signal d’interrogation peut être de 1 GHz (correspondant à une longueur d’onde de 20 cm environ) pour une longueur de la partie de mesure du guide d’ondes comprise entre 10 et 15 m, pour une mesure à 600°C ou plus.
Chaque signal d’interrogation se propage dans le guide d’ondes jusqu’à l’extrémité libre des conducteurs. A chaque discontinuité, une partie du signal d’interrogation, ou « écho », est réfléchie vers l’interrogateur. Tous les échos renvoyés constituent ensemble le signal de réponse associé au signal d’interrogation et que l’interrogateur analyse.
On distingue en particulier l’écho d’émission renvoyé par l’extrémité d’entrée du guide d’ondes, l’écho de fond renvoyé par l’extrémité de sortie du guide d’ondes, et un ensemble d’échos de discontinuités renvoyés par les discontinuités du guide d’ondes. Les échos de discontinuités sont de faibles amplitudes, et sont d’amplitudes et de formes diverses.
L’interrogateur est programmé pour analyser les signaux réfléchis, et éventuellement les comparer, de manière à déterminer une information relative à l’état de la cible dans la région de la partie de mesure du guide d’ondes et, de préférence, émettre un message en conséquence.
Toutes les techniques d’analyse des signaux de réponse utilisés en réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle peuvent être mises en œuvre, et notamment celles décrites dans l’ article “Distributed temperature sensing with unmodified coaxial cable based on random reflections in TDR signal” par Baokai Chen et al, 2019 Meas. Sci. Technol. 30 015105 ou encore 1’article « Electric time domain reflectometry distributed flow sensor » par Aurimas Dominauskas et al, dans la revue Composites Part A 38(2007) 138-146.
De préférence, le message précise :
- une valeur pour l’état physique de la cible, et en particulier une valeur pour l’épaisseur résiduelle ou une température moyenne et/ou une valeur représentative des écarts de température le long de la partie de mesure ; et/ou
- une valeur pour une évolution de ladite valeur par rapport à une situation antérieure ; et/ou
- une localisation de défauts ou dommages affectant ledit état physique de la cible.
Le message peut être envoyé à un ordinateur central et/ou être présenté à un opérateur, par exemple sur un écran et/ou par activation d’une lumière et/ou par l’émission d’un signal sonore.
Dans un mode de réalisation préféré, au moins une partie des guides d’ondes est capable de fournir, dans le signal de réponse qu’il renvoie, une indication quantitative sur la température qu’il subit du fait de l’usure de la cible. A mesure que l’épaisseur de la pièce cible, par exemple de la sole, se réduit, la fréquence du signal de réponse renvoyé par le guide d’ondes évolue. Cette évolution permet avantageusement de déterminer l’évolution locale de la température. Avantageusement, il est ainsi notamment possible de détecter une évolution anormale de la température d’un guide d’ondes, et d’intervenir afin de réparer la cible, par exemple changer le revêtement réfractaire.
Cible
La cible 30 peut être tout ou partie du four métallurgique, en particulier un four de fonderie, comportant une face chaude, en particulier la paroi latérale du creuset ou la sole, ou un bloc ou un ensemble de blocs appartenant à la paroi latérale du creuset ou à la sole.
La cible peut comporter une couche arrière, par exemple être la paroi latérale du creuset ou la sole.
La cible peut être en particulier une première couche constituée d’un pisé réfractaire ou de blocs denses, fondus ou frittés.
L’utilisation d’un guide d’ondes permet avantageusement une exposition à une température élevée, par exemple à plus de 100°C, plus de 125°C, plus de 200°C ou plus de 300°C. Un guide d’ondes en métal gainé d’une gaine en polymère permet par exemple un suivi dans un environnement jusqu’à 300°C.
Fabrication ou montage
Différentes techniques peuvent être utilisées pour installer les guides d’ondes, notamment dans la couche arrière de la cible. De préférence, les guide d’ondes sont placés dans une zone thermique du four à une température supérieure à 400°C, de préférence supérieure à 500°C, de préférence supérieure à 600°C et inférieure à 1300°C, de préférence inférieure à 1200°C, de manière plus préférée inférieure à 1100°C.
Selon un mode de réalisation préféré, au moins une partie, de préférence la totalité de la partie de mesure de chaque guide d'ondes est protégée par un support réfractaire 40 en forme de plaque disposé entre la face chaude de la cible et la couche arrière, de préférence entre la première couche et la couche arrière.
Exemple : four de fonderie à induction
Comme représenté sur la figure 4, un four métallurgique selon l’invention comporte une première couche 22 au contact du métal en fusion, dont la forme n’est pas limitative. Après réalisation ou à la place de la couche d’isolant électrique 19, le support 40 contenant tout ou partie des parties de mesure du réseau, de préférence sous la forme d’une plaque, est disposé parallèlement à la couche d’entourage ou de soutien 11 comprenant la bobine d’inducteur 16 du système de chauffage.
Dans un mode de réalisation, préalablement à sa pose dans le four métallurgique, le support, de préférence sous la forme d’une plaque, est fritté ou cuit dans une étuve ou un four, de préférence sous air et de préférence sous une atmosphère contrôlée.
Dans un autre mode de réalisation, on dispose un précurseur du support dans le four, de préférence sous la forme d’un précurseur de composite à matrice céramique. Le précurseur du support, de préférence le précurseur de la matrice du composite à matrice céramique, est consolidé pendant la mise en chauffe du four métallurgique à une température comprise entre 400 et 1200°C.
Dans un mode de réalisation, le support remplace la couche d’isolant électrique 19.
Le support protège avantageusement le ou les guides d'ondes lors de la construction de la première couche, typiquement en pisé réfractaire sec.
Dans un mode de réalisation, on dispose un ou plusieurs supports en forme de plaque afin de constituer des nappes de parties de mesure, chaque nappe étant constituée de plusieurs, par exemple plus de 2, plus de 5 ou plus de 10 parties de mesures orientées parallèlement les unes aux autres, les nappes étant orientées différemment afin que les parties de mesure de différentes nappes se croisent.
Comme cela apparaît clairement à présent, l’invention fournit une solution robuste, facile à mettre en œuvre et permettant d’évaluer, pour toutes les zones du four, de manière continue et en temps réel, l’état du revêtement réfractaire d’un four métallurgique. Les guides d’ondes peuvent être en contact étroit avec la cible, ce qui permet un bon échange thermique et limite le risque d’infiltration de métal en fusion. La protection par le support limite enfin les contraintes sur les guides d’ondes. Enfin, cette solution offre une bonne résolution spatiale, sans fragiliser ledit revêtement et, en particulier en cas de chauffage électrique, sans augmenter le risque d’interaction électrique avec le système de chauffage du four. Cette solution permet d’évaluer, de manière plus précise et en temps réel, l’épaisseur résiduelle ou la température d’une partie réfractaire d’un four métallurgique Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, fournis à des fins illustratives seulement.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Four métallurgique, de préférence four de fonderie, comportant :
- une enceinte (8 ;9) de fusion de métal présentant une face chaude (37) exposée vers l’intérieur de l’enceinte ;
- un dispositif de suivi, par réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle, de l’état d’une partie du four, dite « cible » (30), ledit dispositif comprenant :
- un réseau d’au moins un guide d’ondes filaire, de préférence d’une pluralité de guides d’ondes électromagnétiques (12) filaires, chaque guide d'ondes comportant, entre une extrémité d’entrée et une extrémité de sortie, des premier et deuxième conducteurs électriques (121,122), isolés électriquement l’un de l’autre,
- un interrogateur (18) électriquement connecté à l’extrémité d’entrée (12e) et configuré pour injecter un signal d’interrogation par ladite extrémité d’entrée, recevoir un signal de réponse réfléchi par ledit guide d’ondes en réponse à ladite injection, analyser le signal de réponse et émettre un message sur l’état de la cible en fonction de ladite analyse, le guide d’ondes comportant, entre les extrémités d’entrée et de sortie dudit guide d’ondes, une partie de mesure (14) s’étendant parallèlement à la face chaude (37) et à une profondeur supérieure à 10 cm, la partie de mesure (14) comportant une pluralité de discontinuités, dites
« discontinuités de base » (24), distribuées de manière aléatoire au moins le long de la partie de mesure du guide d’ondes, le nombre de discontinuités de base, par mètre de partie de mesure du guide d’ondes, étant supérieur à 10, les discontinuités de base étant :
- aptes à générer, en réponse à l’injection du signal d’interrogation, des échos présentant une amplitude supérieure à 0,5%, de préférence supérieure à 1% de l’amplitude de l’écho de fond réfléchi par l’extrémité de sortie du guide d’ondes, dits « échos secondaires de base », et/ou
- étant constituées par
- des reliefs résultant d’une texturation de la surface extérieure du guide d’ondes et/ou d’un matériau diélectrique interposé entre les premier et deuxième conducteurs électriques et/ou d’au moins un des premier et deuxième conducteurs électriques, et/ou
- des reliefs résultant d’une segmentation irrégulière d’un matériau diélectrique interposé entre les premier et deuxième conducteurs électriques, et/ou
- des variations locales de la distance entre les premier et deuxième conducteurs électriques ; et/ou
- des variations de la distance entre le premier conducteur électrique et/ou le deuxième conducteur électrique d’une part, et un matériau diélectrique d’un support, de préférence en un composite à matrice céramique, d’autre part; et/ou
- des variations dans la structure et/ou la composition de l’environnement autour des premier et deuxième conducteurs électriques ou entre les premier et deuxième conducteurs électriques.
2. Four selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel les discontinuités de base sont
- des reliefs résultant d’une texturation de la surface extérieure du guide d’ondes et/ou d’un matériau diélectrique interposé entre les premier et deuxième conducteurs électriques et/ou d’au moins un des premier et deuxième conducteurs électriques, et/ou
- des reliefs résultant d’une segmentation irrégulière d’un matériau diélectrique interposé entre les premier et deuxième conducteurs électriques ; et/ou
- des variations locales de la distance entre les premier et deuxième conducteurs électriques.
3. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits reliefs présentent une hauteur supérieure à 0,05 mm, de préférence supérieure à 0,1 mm, de préférence supérieure à 0,2 mm, de préférence supérieure à 0,4 mm, de préférence supérieure à 0,5 mm, voire supérieure à 0,8 mm, et inférieure à 3 mm, inférieure à 2 mm ou inférieure à 1 mm.
4. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des taquets (23) sous la forme de perles et en un matériau diélectrique sont enfilés, dans la partie de mesure, sur le premier conducteur électrique et/ou sur le deuxième conducteur électrique.
5. Four selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel le ou les taquets sont disposés de manière à former ensemble une gaine de protection (27) segmentée s’étendant tout au long de la partie de mesure du guide d’ondes.
6. Four selon l’une quelconque des deux revendication immédiatement précédentes, dans lequel les taquets ont une longueur inférieure à 10 cm, de préférence inférieure à 5 cm, de préférence inférieure à 3 cm, de manière plus préférée inférieure à 2 cm, et supérieure à 0,5 cm.
7. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le guide d’ondes satisfait à la condition de diffusion de Rayleigh.
8. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : a) la partie de mesure de chacun des guides d’ondes dudit réseau s’étend parallèlement à la face chaude et à une distance adaptée pour qu’en service ladite partie de mesure soit à une température supérieure à 500°C ; b) la distance maximale entre deux parties de mesure de deux guides d’ondes quelconques du réseau est supérieure à 20 cm ; c) chaque guide d'ondes du réseau est inséré dans un orifice de la cible, l’orifice étant configuré pour ménager un espace d’expansion thermique pour le guide d'ondes ; d) le diamètre équivalent de la partie de mesure de chaque guide d'ondes du réseau est supérieur à 1 mm et inférieur à 50 mm ; e) la distance séparant les premier et deuxième conducteurs électriques de la partie de mesure de chaque guide d'ondes du réseau est supérieure à 0,3 mm et inférieure à 30 mm ; f) ladite partie de mesure présente un nombre de coudes :
- inférieur à 2 par mètre de longueur de partie de mesure si la longueur de ladite partie de mesure est inférieure à 3 mètres ;
- inférieur à 1 coude par mètre si la longueur de ladite partie de mesure est supérieure ou égale à 3 mètres.
9. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réseau de guides d’ondes s’étend au moins partiellement, de préférence complètement, au sein d’une couche arrière s’étendant derrière une première couche constituée par un pisé réfractaire définissant la face chaude de la cible ou dans une sous-couche de ladite couche arrière.
10. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rayon de courbure de la partie de mesure de chaque guide d'ondes du réseau est en tout point au moins 3 fois supérieur au diamètre équivalent de ladite partie de mesure.
11. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- le matériau constituant les conducteurs électriques est un métal réfractaire ou un métal noble, de préférence choisi parmi le Platine, le Tungstène, F Or, le Palladium, le Rhodium, le Ruthénium, l’iridium, ou en un alliage de ces éléments , et/ou
- lesdits premier et deuxième conducteurs électriques sont séparés par un matériau diélectrique comprenant un oxyde d’au moins un élément choisi parmi Al, Zr , Mg, Si, et/ou
- au moins une fraction de la partie de mesure de chaque guide d’ondes du réseau est protégée par une gaine céramique entourant ladite partie de mesure.
12. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie des parties de mesure des guides d’ondes, hormis les coudes, s’étendent parallèlement les unes vis-à-vis des autres.
13. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque partie de mesure d’un guide d’ondes du réseau s’étend dans un logement ménagé dans la cible et définissant un espace d’expansion thermique pour ledit guide d’ondes, le rapport du diamètre équivalent du logement sur le diamètre équivalent de la partie de mesure étant supérieur à 1,05 et inférieur à 3, le diamètre équivalent de la partie de mesure ou du logement étant le plus grand des diamètres transversaux de ladite partie de mesure ou dudit logement, respectivement, en considérant l’ensemble des sections transversales le long de ladite partie de mesure ou dudit logement, respectivement.
14. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier et deuxième conducteurs sont fixés à un dit support (40), de préférence sous la forme d’une plaque, constitué par un composite à matrice céramique et au sein duquel lesdits premier et deuxième conducteurs sont intégrés ou à la surface duquel lesdits premier et deuxième conducteurs sont fixés.
15. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie de mesure du guide d'ondes s’étend à une profondeur, mesurée depuis ladite face chaude, inférieure à 200 cm.
16. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie de mesure de chacun des guides d’ondes dudit réseau s’étend à une distance adaptée pour qu’en service, ladite partie de mesure soit à une température supérieure à 700°C et inférieure à 1300°C.
17. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits des échos secondaires de base présentent une amplitude inférieure à 30% de l’amplitude de l’écho de fond réfléchi par l’extrémité de sortie du guide d’ondes.
18. Four selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie de mesure d’au moins un guide d’ondes est montée coulissante par rapport à la cible et/ou, lorsque la revendication 14 s’applique, par rapport au support (40).
19. Four selon la revendication 16 dans lequel les premier et deuxième conducteurs sont fixés au dit support (40) au moyen d’une couche d’interfaçage ou de rubans, d’agrafes ou de fils réfractaires, ou sont intégrés au dit support.
20. Procédé de fabrication d’un four selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit procédé comportant, pour au moins un guide d’ondes du réseau, les étapes successives suivantes :
A) préparation d’un précurseur d’un composite à matrice céramique comportant un précurseur de matrice céramique, de préférence sous la forme d’une plaque, et intégration de la partie de mesure du guide d’ondes dans ou sur le précurseur de composite à matrice céramique de manière à obtenir un précurseur de support instrumenté ; B) durcissement et/ou cuisson dudit précurseur de support instrumenté de manière à obtenir ledit support instrumenté par consolidation du précurseur de matrice céramique ;
C) installation du support instrumenté si l’étape C) est postérieure à l’étape B) ou installation du précurseur de support instrumenté si l’étape C) est antérieure à l’étape B), de préférence entre une couche arrière définissant la face chaude et un système de chauffe du four.
21. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel l’étape A) comprend les étapes suivantes : a) préparation du précurseur de matrice céramique sous une forme d’une barbotine comportant des particules céramiques et/ou des précurseurs de particules céramiques, le matériau desdites particules céramiques présentant une constante diélectrique à 25°C et à pression atmosphérique, de préférence mesurée à 1 MHz, supérieure à 3 farad par mètre et/ou inférieure à 30 farad par mètre, de préférence inférieure à 15 farad par mètre inférieure à 10 farad par mètre ; b) indépendamment de l’étape a), fixation ou intégration des premier et deuxième conducteurs électriques de ladite partie de mesure à un textile, le matériau dudit textile présentant un matériau de constante diélectrique à 25 °C et à pression atmosphérique, de préférence mesurée à 1 MHz, supérieure à 3 farad par mètre et/ou inférieure à 30 farad par mètre, de préférence inférieure à 15 farad par mètre ; c) imprégnation du textile par ladite barbotine.
22. Procédé de fabrication d’un four selon l’une quelconque des revendications 1 à 19, ledit procédé comportant les étapes successives suivantes :
1) interposition d’un matériau sacrificiel entre
- la partie de mesure du guide d’ondes et
- la cible ou un précurseur de la cible, ou un support (40), en particulier un composite à matrice céramique ou un précurseur de support, puis
2) après ou simultanément à la fabrication de la cible ou du support pour le cas où le matériau sacrificiel a été interposé dans un précurseur de la cible ou dans un précurseur du support, respectivement, élimination du matériau sacrificiel de manière à créer un dit espace d’expansion pour la partie de mesure.
23. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel :
- le matériau sacrificiel est le matériau d’une gaine sacrificielle gainant la partie de mesure, et, pour interposer le matériau sacrificiel,
- on fabrique la cible autour de la partie de mesure, ou
- on ménage un logement, sous la forme d’une rainure ou d’un trou, dans la cible ou dans un précurseur de la cible, puis on insère la partie de mesure dans le logement, puis on comble le logement avec un produit réfractaire non façonné contenant un liant, de préférence un ciment, et apte à prendre en masse par activation du liant, de préférence un béton réfractaire, puis on durcit le produit réfractaire non façonné ; ou
- le matériau sacrificiel est un matériau de remplissage indépendant du guide d’ondes et, pour interposer le matériau sacrificiel,
- on ménage un logement, sous la forme d’une rainure ou d’un trou, dans la cible ou dans un précurseur de la cible, puis on insère la partie de mesure dans le logement, puis on remplit le logement avec le matériau de remplissage de manière à noyer la partie de mesure, la quantité de matériau de remplissage étant adaptée pour ménager l’espace d’expansion, puis on comble le logement avec un produit réfractaire non façonné contenant un liant, de préférence un ciment, et apte à prendre en masse par activation du liant, de préférence un béton réfractaire, puis on durcit le produit réfractaire non façonné.
24. Procédé de suivi de l’état de la cible d’un four métallurgique selon 1 l’une quelconque des revendications 1 à 19, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a. fabrication du four métallurgique ; b. pour chaque guide d’ondes, commande de l’interrogateur auquel le guide d’ondes est connecté, de manière qu’il injecte un signal d’interrogation par l’extrémité d’entrée dudit guide d’ondes ; c. analyse du signal de réponse de manière à déterminer une information relative à l’état de la cible dans la région de la partie de mesure dudit guide d’ondes.
25. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel l’information relative à l’état de la cible est une épaisseur résiduelle de réfractaire ou une température en un ou plusieurs points de la cible.
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