Analyse d’une technique de télédétection time-of-flight

Les procédés sidérurgiques et dérivés exploitent des réactions pyrométallurgiques nécessitant la fusion de divers métaux et minéraux fournissant les cycles de production industrielle. À des températures de l’ordre de 1500 à 1800◦C, différentes sources de stress thermique, chimique et mécanique surviennent aux parois internes des fournaises, convertisseurs, poches et paniers lors des procédés sidérurgiques primaires, secondaires et de coulée. De la céramique réfractaire doit être utilisée pour contenir les réactifs en fusion tout au long des cycles de production,  Ces matériaux réfractaires varient en composition dépendamment des types de stress encourus, des types de récipients, des zones concernées et des alliages produits. Principalement constitués d’agrégats de magnésie, de dolomite et d’agglomérations résineuses de graphite et d’alumine, le réfractaire sous forme de brique est consommé à des taux variables, notamment en raison de la présence de laitier, co-produit essentiel aux procédés sidérurgiques. Le laitier, 2 à 3 fois moins dense que l’acier, draine les impuretés, empêche sa réoxydation et agit comme bouclier thermique.

À ces températures, l’air ambiant est un puissant oxidant, le laitier hautement oxydé est corrosif et les gradients de température génèrent des distributions de stress structural d’expansion thermique. Le réfractaire soumis à l’abrasion causée par les chargements et à différents types d’impacts mécaniques doit être stratégiquement conçu et posé afin d’offrir un rendement optimal de production métallurgique par rapport aux quantités consommées.

Des prédictions uniformes et consistantes de durée de vie représentent une partie importante des stratégies de maintenance de ces structures, permettant d’assurer une exécution planifiée des travaux de maçonnerie. Auquel cas, l’équipement est alors mis à l’arrêt pour réfection, pouvant occasionner des délais de production ayant des répercussions en cascade sur l’opération globale d’un complexe sidérurgique. Les délais sécuritaires de refroidissement additionnés aux étapes de briquetage et de gunitage d’une structure réfractaire peuvent prendre de 6 heures à une semaine respectivement pour un panier ou une fournaise, dépendamment de l’ampleur et de l’urgence des travaux.

Le processus de prédiction de l’usure du réfractaire comporte un volet empirique d’observation qui garantit une opération sécuritaire de l’équipement. Par exemple, en sidérurgie secondaire i.e. en métallurgie de poche, après le transvidage du laitier résiduel de fin de coulée, celles-ci sont retranchées du cycle de production actif et mises en veille sur des brûleurs, permettant de maintenir une température de surface interne aux alentours de 1000◦C afin d’éviter le travail thermo-mécanique d’un refroidissement total. Une inspection qualitative peut alors être faite visuellement. Cette étape est un point critique dans le cycle de vie de l’équipement permettant de diminuer le risque de percées si certaines irrégularités majeures de la surface réfractaire sont remarquées en temps opportuns. Les poches sont tout de même retirées pour réfection avec de larges facteurs de sécurité spécifiés par les manufacturiers et leur maintenance ne cause pas de délai majeur pour le procédé de par le grand nombre de poches généralement disponibles sur le plancher de production. De même pour les paniers, ils sont retirés après un nombre sécuritaire de coulées et ne représentent pas un facteur majeur de temps d’arrêt. Ces étapes de réfection sont tout de même coûteuses et doivent être ordonnancées de façon optimale afin d’assurer la rentabilité de ces procédés.

En sidérurgie primaire, les opportunités d’observer à froid les fournaises, convertisseurs et hauts fourneaux se produisent aux arrêts complets de production pouvant être hebdomadaires, mensuels, ou bien à certaines rares reprises le long de la durée vie calculée du réfractaire. Les arrêts de section, planifiés exhaustivement à l’avance, peuvent durer de 24 heures à une semaine, sont très coûteux pour une aciérie et offrent l’opportunité de faire une réfection partielle ou totale du réfractaire au besoin. Des travaux d’inspection préventive approfondis peuvent être entrepris lors de ces arrêts puisque l’opportunité est idéale pour déployer des systèmes métrologiques permettant de compiler des statistiques sur l’usure générale de la fournaise. En effet, le réfractaire à froid est facilement observable via le déploiement de systèmes de mesure tout usage.

Il demeure cependant difficile d’observer l’état du réfractaire en service et certains dispositifs on été conçus pour inspecter quantitativement son état dans des conditions difficiles. Des systèmes de balayage laser spécialisés intégrés peuvent être utilisés afin d’obtenir de l’information à chaud, en refroidissement partiel ou total ; Riegel Inc. (2010), Process Metrix Inc. (2001). Bien que cette information soit indispensable au suivi de l’équipement, peu de systèmes sont disponibles pour faire ce type de mesures. Les observations ne sont faites en général qu’à certaines rares opportunités le long de son cycle de vie et l’incertitude sur la qualité résiduelle du réfractaire en service demeure grande. Au quotidien, certaines opportunités d’observation à chaud peuvent survenir entre les cycles de production des réacteurs. Des fenêtres d’observation d’une durée de quelques minutes surviennent entre les étapes de transvidage et de chargement des fournaises, via les trous de chargement laissés ouverts, ou bien lors du retrait de la hotte d’échappement ou des électrodes. La forte radiation présente rend difficile l’inspection à l’oeil, malgré qu’il soit tout de même possible d’installer des dispositifs à balayage pour ces occasions. L’expérience, le jugement des opérateurs et les prédictions théoriques et statistiques sont généralement les moyens les plus répandus encore à ce jour de contrôle du réfractaire en cours d’usage pour ces installations ; Hubble et Russel (1998), Barker et Paules (1998).

Les approches les plus répandues d’observation des hauts fourneaux en opération pouvant être appliqués au contrôle du réfractaire à chaud utilisent des systèmes de télédétection permettant d’obtenir un profilage tri-dimensionnel précis du procédé afin d’optimiser le chargement des réactifs sidérurgiques. Ils utilisent généralement une configuration d’antennes et de récepteurs micro-ondes ou radio-millimétriques permettant de tracer la position du lit de fusion en temps réel. Bien qu’optimaux pour inspecter les procédés en cours de déroulement dans des conditions de température et d’obstruction optique sévères, la précision en distance des résultats est de l’ordre de ∼ 10 cm et ne se situe pas dans les ordres de grandeur requis pour rendre compte précisément de l’usure de la croute réfractaire du récipient ; Lu et al. (2010), Feilmayr et al. (2015). Des systèmes de balayage laser adaptés aux conditions peuvent tout de même être introduits à certains moments en cours de procédé lorsque le médium de transmission est clair, afin d’obtenir de l’information sur la position du lit de fusion et sur l’état relatif du réfractaire à chaud. Malgré que ces dispositifs soient idéaux pour mesurer l’état du réfractaire à froid, les opportunités d’observation en cours opération demeurent rares et ne peuvent pas rendre compte de l’usure du réfractaire à une fréquence assez grande ; Kuo (2014), Fujimori et al. (1982).