Essais & Simulations n°115

Dossier Matériaux

Dossier Matériaux Essais et Modelisation Retour d'expérience Simuler, quand les mesures sont impossibles Les températures extrêmes des hauts fourneaux limitent les mesures durant certaines phases du processus de coulée de la fonte ; c’est pourquoi TRB s’est tourné vers la simulation, notamment au niveau des couvercles de rigoles de hauts fourneaux. Les hauts fourneaux, dans lesquels le métal liquide atteint les 1 500°C, constituent des environnements où toutes les précautions sont prises afin de protéger les hommes et les équipements. En particulier des projections, lorsque la fonte liquide s'écoule à l'extérieur du haut fourneau au travers d’une rigole. Celle-ci est donc recouverte en grande partie d'un couvercle composé d'une tôlerie en acier et d'une couche interne en béton réfractaire. Le béton subit des chocs thermiques et est exposé à la corrosion ainsi qu'à l'érosion ; ceci conduit à une durée de vie moyenne de l'ordre du mois, et à son remplacement régulier. Il est donc avantageux à la fois d'améliorer la longévité de cette couche de béton et de réduire son coût de fabrication. Coupe transversale d'une rigole (deux couches de béton) surmonté d'un toit (une seule couche de béton). La température du métal fondu (non-représenté) est imposée sur la zone centrale, surmonté d'une cavité fermée d'air. Les résultats de simulation montrent que la convection naturelle intervient dans le transfert de chaleur dans l'air jusqu'à cinq minutes, et qu'au-delà, c'est la conduction qui est prépondérante. La difficulté est d'accéder à des mesures précises des agressions subites, notamment thermiques. C'est l'intérêt des simulations réalisées avec Comsol Multiphysics et son module Heat Transfer. La rigole est schématiquement constituée de deux types de béton réfractaire : le premier est en contact avec le métal en fusion et Vue d'un haut-fourneau au niveau du trou de coulée. On note la présence d'un toit de rigole au premier plan. sert de couche d’usure, le second fait office de couche de sécurité. C'est aussi le constituant du couvre rigole, en contact simplement avec l'air situé au-dessus de la fonte liquide. Bonne corrélation entre les mesures prises et la théorie La simulation sous Comsol reprend l’ensemble des étapes effectuées dans la réalité. La première consiste à préchauffer la rigole (afin d’éviter les chocs thermiques lors de la premiére coulée) aux environs de 500°C. La phase suivante reprend les cycles de vidanges du haut fourneau : 75 minutes d’écoulement de la fonte liquide au travers de la rigole et 75 minutes de convection libre au sein de celle-ci durant le bouchage du haut fourneau. En vingt-quatre heures, la température simulée de l'air en contact avec le Thermogramme de la partie interne d'un toit de rigole (en haut) et photographie vue sous le même angle (en bas). La légende de température indique une température maximale de 300°C. métal liquide se stabilise aux environs de 750°C, et celle de l'air en contact avec le couvre rigole aux alentours de 430°C. Sur une semaine, la température externe simulée de la tôlerie du couvercle atteint 80°C, ce qui est proche de la température de 76°C mesurée en thermographie infrarouge. L’image thermique du dispositif venant juste d’être retirée de la rigole indique une distribution de température entre 200 et 300°C. On suppose que la chute de température du béton réfractaire due au retrait du couvercle est de l’ordre de 100°C. Cela tend à confirmer les données de simulation avec des températures calculées, comprises entre 400 et 500°C en paroi interne du couvercle. La corrélation entre les mesures et la théorie étant correct, il est possible ensuite de varier les épaisseurs et qualités de béton afin de trouver la meilleure configuration. Simon Chiartano, Terres Réfractaires du Boulonnais (TRB) Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 32

Dossier Matériaux Essais et Modelisation Partenariat Turbomeca opte pour la Q.series de Gantner Instruments Le motoriste leader sur le marché international de la conception, la production, la vente et le soutien de turbines à gaz pour hélicoptères a pris la décision de transformer complètement le site de Bordes. Son objectif est de permettre la fondation d’un véritable pôle aéronautique centré autour des turbines à gaz grâce à la modernisation de ses installations et particulièrement des moyens d’essai série et R&D. Ainsi, dans le cadre de la rénovation de ses bancs d’essai turbines, Turbomeca a fait confiance à la Q.series, le système de mesures Gantner Instruments France. Toutes les turbines sortantes des chaînes d’assemblage passent au banc d’essai permettant ainsi de mesurer les performances mécaniques et thermodynamiques d’un moteur et d’établir les spécifications en termes de puissance, consommation, temps d’accélération,… Les principales les exigences liées à ce type d’essai sont la haute vitesse d’échantillonnage (de centaines d’échantillons à quelques milliers par seconde), la conversion analogique à numérique 24 bits, pour une mesure « de classe laboratoire » permettant au final de viser la classe 0,1, la triple isolation galvanique (de 100V à 1200 V), ou encore le conditionnement intégré et programmable, pour supprimer l’étage conditionnement analogique discret. Parmi les autres exigences figurent la robustesse et la modularité, la capacité à « horodater » les données à la source et synchroniser son horloge interne à partir d’une source de temps de référence externe (NTP ou IRIG) La Q.series au banc d’essai Des phases de validation du matériel allant de la vérification des performances métrologiques des modules, de stabilité en étuve jusqu’au Benchmark où les appareils ont été mis en conditions réels et comparés aux autres équipements. « Nous avons trouvé dans la gamme Q.Series une réponse à la fois à nos exigences métrologiques et à notre recherche d’une solution modulaire, nous permettant de mutualiser le matériel d’acquisition R&D, a indiqué le chef de projets informatique industriel de Turbomeca. La grande diversité des modules disponibles et les nombreux conditionnements proposés pour une même électronique, nous permettent de toujours trouver une solution adaptée à nos besoins (Q.Bloxx, Q.Staxx, Q.Brixx, etc.), assisté en cela par les équipes BGP, Gantner et InTest. » Du conditionnement capteur à la retransmission numérique synchronisée Les conditionneurs de la Q.series sont disponibles dans différents formats selon où ils seront placés, les Q.bloxx sont montés sur rail DIN dans les armoires électriques de la salle de pilotage, les Q.staxx (module IP65) sont placés sur des platines près de la turbine et les Q.brixx, module durci et mobile là où en a besoin rapidement.. Tous ces modules partagent les mêmes électroniques donc les mêmes caractéristiques et mettent à disposition les informations sur une liaison numérique RS485. La collecte des mesures est effectuée par le concentrateur Q.pac qui, muni de 4 liaisons RS485, s’occupe de récupérer de manière synchrone jusqu’à 10 KHz les données issues des conditionneurs répartis sur tout le banc d’essai. Plusieurs systèmes comme celui-ci peuvent être ainsi connectés ensemble, synchronisés (IRIG, NTP,..) et envoyer via une liaison TCP/IP les données ainsi horodatées vers la solution logicielle de contrôle / commande de bancs d’essais « InNova » d’InTest. Selon le directeur technique InTest, « Turbomeca exploite très largement les performances de la solution InNova / Q.series, tant en termes de précision de mesure que de bande passante (mesure de classe laboratoire en streaming rapide), validant l’adéquation de cette architecture innovante à l’environnement complexe et exigeant des bancs de développement et de réception aéronautiques. » Solutions Accéder à ses données de partout Spécialisée en acquisition de données, la société Spectrum a introduit sur le marché le digitizerNETBOX. Solution d’acquisition de données connectée à distance par liaison Ethernet conforme à la norme LXI, cet outil peut être utilisé comme instrument de laboratoire directement connecté à un ordinateur portable ou à un PC de bureau ou monté en Rack 19’’ connecté au réseau de l'entreprise et accessible de partout. Destiné aux industriels et aux laboratoires de R&D, Le digitizerNETBOX propose divers modes d'enregistrement et un moteur de déclenchement extrêmement complet. Par exemple, les deux sources de trigger externe, ainsi que chaque voie d'entrée, peuvent être utilisées pour produire un déclenchement valide. Les utilisateurs peuvent choisir de déclencher sur un front, sur un niveau, une fenêtre, une impulsion ou une largeur d'impulsion. Chaque entrée de déclenchement peut être combinée avec d'autres pour créer des pattern conditionnels. Les modes d'enregistrement supportés sont mono coup (enregistrement de transitoires), streaming (FIFO), segmenté (Enregistrements multiples), Gated, combinaison d’acquisitions rapides et lentes (mode ABA). Le digitizerNETBOX est disponible avec quatre, huit ou seize voies d'acquisition de données entièrement synchrones. Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 33