Brevet FR2291467A1 — publié le 19760611

La présente invention concerne l'analyse des gaz contenus dans les métaux solidifiés et plus particulièrement les moyens utilisés pour les fondre en vue de libérer les gaz. On sait que le métallurgiste attache une grande importance à la connaissance aussi exacte que possible des quantités de gaz, hydrogène, oxygène, azote, etc contenus dans les métaux, car ces éléments ont une influence marquée sur leurs propriétés. Pour effectuer le dosage de ces gaz, il est tout d'abord nécessaire de les extraire du métal en portant ce dernier à très haute température. Il est indispensable de viser des températures très élevées parce que certains métaux a analyser ont des points de fusion très élevés, le tungstène par exemple, et également parce qu'unie partie des gaz peut se trouver sous forme de combinaisons, nitrures par exemple, outil faut décomposer pour en libérer les gaz. Une telle fusion est couramment obtenue en introduisant un creuset, dans lequel est déposé le métal, à l'intérieur d'un four à chauffage électrique. Ce chauffage peut être réalisé par induction, par arc électrique ou par effet Joule. Dans ce dernier cas, qui correspond au domaine d'application de loin vention, le creuset est serré entre deux électrodes métalliques refroidies à l'eau et reliées à une source de courant, par exemple un transformateur basse tension susceptible de délivrer des intensités élevées, souvent supérieures à 1000 A. Le creuset, qui présente une certaine résistivité, est parcouru par le courant et porté, par effet Joule, à des températures qui peuvent atteindre 2000 à 23000 C, ce qui entraîne la fusion du métal qutil contient. En fait, cette technique est loin d'être entièrement satisfaisante et présente certaines insuffisances qui en limitent considérablement les possibilités, surtout en ce qui concerne les applications analytiques. Parmi ces insuffisances, l'une d'elles est liée aux conditions d'utilisation et concerne le serrage du creuset entre deux électrodes pour obtenir le contact électrique. En effet, les forces développées pour obtenir un passage du courant correct ne sont pas négligeables, ce qui conduit à utiliser des graphites ayant une bonne résistance mécanique à haute température pour réaliser les creusets. Or, les qualités de graphite qui satisfont à ces exigences mécaniques présentent le défaut d'être très peu poreuses et de mal se dégazer. Il en résulte que les gaz libérés ne pouvant se diffuser par les parois du creuset sont contraints de traverser le métal fondu contenu dans le creuset, d'où de nombreuses projections vers les électrodes assurant le contact électrique. Ce phénomène prend, bien entendu, des proportions d'autant plus importantes que la masse de métal introduite dans le creuset est grande, ce qui entraîne une limitation de la prise d'essai et exclut le dosage des très faibles teneurs en gaz. En outre, cette technique ne permet pas de réaliser un dégazage du creuset dans des conditions opératoires identiques avec un creuset vide et un creuset contenant du métal. Ceci s'explique par le fait que la résistance électrique du creuset n'est pas la même dans les deux cas.En l'absence de métal, le creuset présente une résistance déterminée qui conditionne le passage du courant donc finalement la température atteinte. Lorsque le creuset contient du métal, celui-ci "mouille" les parois, constituant ainsi une sorte de shunt et l'ensemble présente une résistance plus faible, Le creuset est alors parcouru par un courant d'intensité plus élevée et les conditions ne sont plus comparables à celles obtenues avec un creuset vide. C'est ainsi qu'avec un creuset vide on constate le passage d'un courant de 600 A et avec le même creuset contenant I gramme de métal le passage d'un courant de 800 A lorsque le métal est fondu. Avec des quantités plus importantes on risque mne d'entraîner la destruction de l'alimentation électrique.Enfin il est à noter que la température obtenue n'est pas homogène dans le creuset et que lton constate une température nettement plus faible du fond de creuset en raison de son contact avec une électrode refroidie. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et de fournir les moyens pour atteindre des températures élevées et homogènes des creusets, quelles que soient les quantités de métal utilisées. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour la fusion par effet Joule d'un métal en vue de l'extraction des gaz qu'il contient, comprenant un corps tubulaire creux en matériau conducteur du courant destiné à être serré entre deux électrodes d'amenée du courant et constituant une résistance de chauffage et un creuset en matériau bon conducteur de la chaleur contenu en totalité dans le corps tubulaire et dont le fond est surélevé par rapport à ltélectrode inférieure d'amenée du courant. Selon une caractéristique de l'invention, la hauteur totale du creuset est inférieure à la hauteur minimale interne du corps tubulaire creux et son diamètre maximal au plus égal au diamètre intérieur dudit corps tubulaire. Afin d'améliorer le rendement de l'ensemble celui-ci peut comporter, disposé concentriquement à 1 'extérieur du corps tubulaire, un écran thermique dont la hauteur maximale est inférieure à la hauteur maximale du corps tubulaire. Dans un mode de réalisation particulier, le corps tubulaire comporte un épaulement intérieur sur lequel repose le creuset. Enfin, le corps tubulaire peut comporter une ou deux surfaces d'appui pour les électrodes constituées par une ou deux collerettes, intérieures ou extérieures, disposées aux extrémités du corps tubulaire creux. L'écran thermique peut également comporter une collerette intérieure pour permettre le centrage par rapport au corps tubulaire creux. Comme on le comprend, l'invention consiste en un dispositif dans lequel deux éléments ont des fonctions indépendantes. En effet, le creuset dans le dispositif réalisé n'est plus qu'un réceptacle à métal, la fonction chauffage étant dévolue à un organe spécialisé. Cette division des fonctions permet de remédier aux insuffisances des moyens connus et d'atteindre des performances encore jamais obtenues avec les fours d'analyse à effet Joule. C'est ainsi que le chauffage se faisant par effet Joule dans un élément indépendant du creuset les effets de température obtenus sont toujours identiques, que le creuset contienne ou non du métal.De plus, cet élément qui supporte les efforts de serrage peut être réalisé en graphite à haute résistance mécanique mais peu poreux sans provoquer des projections de métal puisque le creuset qui, lui, n'est plus soumis à aucune contrainte mécanique, peut être fabriqué dans un graphite plus poreux qui se dégaze facilement. En conséquence, il devient possible d'utiliser des quantités de métal variables et importantes pouvant atteindre plusieurs grammes, ce qui permet d'envisager le dosage des gaz à l'état de trace.Il est également possible de procéder à plusieurs chauffages successifs des creusets en présente de métal, pour contrôler la complète extraction des gaz, puisque l'élément chauffant reste identique à lui-même. D'autres avantages ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, donnée à titre d'exemple en regard des planches de dessins sur lesquelles : - la figure 1 représente, vu en coupe, un ensemble creuset-corps de chauffage, - la figure 2 une variante de réalisation du creuset, - les figures 3, 4, 5, 6, 7 différentes formes de réalisation de l'élément de chauffage, - la figure 8 est une vue en coupe d'un ensemble creuset-élément chauffant avec écran thermique, - la figure 9 est un ensemble selon une variante de réalisation. Sur la figure 1 on a représenté un creuset 2 en place dans un corps tubulaire creux de forme cylindrique 3 constituant un élément de chauffage par effet Joule. Le courant est amené dans l'élément de chauffage par l'inter médiaire de deux électrodes planes 4 et 4' sur lesquelles s'exercent des forces F afin d'assurer un bon contact électrique. En 5 on a schématisé l'enveloppe du four qui est de forme généralement cylindrique. Les gaz libérés par le métal 6, au cours de sa fusion, sont extraits et entraînes hors de la chambre 7 par des moyens connus non représentés. On remarque, en se reportant à la figure, que le creuset 2 comporte un téton 8 assurant une double fonction. D'une part ce téton a une longueur déterminée pour placer le creuset au niveau de la zone la plus chaude obtenue dans la chambre 7 et, d'autre part pour éviter une surface de contact importante avec ltelectrode inférieure 4'. La conception de cette structure vise, bien entendu, à éliminer tous les facteurs qui pourraient -contribuer à abaisser la température obtenue dans le creuset. En effet, les électrodes 4 et 4' sont réalisées en métal et refroidies par circulation d'eau pour éviter leur détérioration et constituent donc des pôles froids. De ce fait, il apparatt dans l'élément de chauffage une zone de chauffage maximum à équidistance des deux électrodes 4 et 4' et l'on a donc tout intérêt à placer le métal à proximité de cette zone. Par ailleurs, si l'on utilise un creuset dont toute la surface du fond prend appui sur la face de l'électrode 4', on aura un refroidissement du fond de creuset et un abaissement de la température du métal. C'est ainsi que l'expérience a montré qu'avec des creusets classiques serrés directement entre les deux électrodes, on obtient des températures de fond de creuset qui, pour une intensité de 600 A, sont : - creuset à fond plat posé sur l'électrode .......................... 11000c - creuset à fond dégagé donnant une surélévation de 5 millimètres ... 1800*C - creuset à fond très remonté ....................................... 2800C. On voit donc tout l'intérêt qutil y a a surélever le fond de creuset et a limiter la surface de contact avec l'électrode froide. Pour pallier les inconvénients provenant du chauffage direct du creuset par effet Joule : projections de métal, limitation excessive du poids de métal, variation des conditions de chauffage avec et sans métal, on a vu que le demandeur a pensé à utiliser un élément de chauffage indépendant qui reste étranger aux modifications d'état intervenant dans le creuset. Cet élément de chauffage indépendant 3 est constitué dans sa forme la plus simple par un corps cylindrique creux réalisé, en ce qui concerne l'exemple, dans un graphite à haute résistance mécanique directement serré entre les électrodes 4- et 4'. On remarque, en se reportant à la figure 1, que la hauteur du corps cylindrique est plus grande que celle du creuset 2 et que le courant ne peut passer que dans les parois de ce cylindre qui joue le rôle de résistance de chauffage.Le creuset placé à l'intérieur, dont les dimensions dans le cas présent sont prévues pour obtenir un emmanchement libre sans jeu dans le corps du cylindre, est chauffé par rayonnement et par conduction. L'expérience a montré que, loin de restreindre la température atteinte, cet assemblage permettait d'arriver à des tempérer tures de l'ordre de 3000 à 3500 C dans le creuset, donc d'obtenir la fusion de métaux tels que le tungstène. Par ailleurs, le creuset étant réalisé dans un graphite qui se dégaze bien, il n'y a pas projection de métal et l'on peut sans inconvénient fondre des masses de métal égales ou supérieures à 6 g au lieu de 1 g constituant la limite des dispositifs habituels. Ceci ouvre la possibilité du dosage des traces de gaz dans les métaux. La forme du creuset peut être envisagée selon d'autres formes telles que celle représentée a la figure 2 dans la mesure a l'on respecte le principe de la surélévation du fond et le minimum de contact avec la surface d'appui froide. De même la forme de l'élément cylindrique peut être plus complexe et prendre diverses formes, ainsi que le montrent les figures 3 à 6 dans la mesure où le passage du courant se fait essentiellement dans cet élément, et dans la mesure où aucun élément du creuset ne vient interrompre la continuité du corps cylindrique entre les électrodes. On peut envisager des formes symétriques, figures 3 et 4, présentant des collerettes intérieures 9* 9' ou extérieures 10, 10', afin d'augmenter les surfaces de contact avec les électrodes, ou des formes asymétriques, figures 5 et 6, comportant une collerette unique intérieure 11 ou extérieure 13 susceptible d'être placée vers le haut ou vers le bas. Dans le cas de la figure 3, il est entendu que les conditions d'usinage exigent que l'une des extrémités soit amovible et emboîtez ensuite par exemple au niveau A sur le corps cylindrique. Sur la figure 7, le corps cylindrique comporte un épaulement intérieur 12 sur lequel vient prendre appui le creuset. Dans ce mode de réalisation, le creuset ne comporte plus de téton pour le surélever et, de ce fait, il nty a plus aucun contact du fond du creuset avec l'électrode d'amenée du courant. On attirera à nouveau l'attention sur le fait que, dans tous ces modes de réalisation, le courant passe uniquement dans les parois du corps cylindrique et que les lignes de courant ne sont jamais interrompues par un élément quelconque du creuset. De ce fait les conditions de chauffage sont toujours identiques, l'intensité traversant le corps du chauffage restant la morne en toutes circonstances. On doit également noter que cette conception de l'ensemble de fusion permet de réaliser chacun des éléments dans le matériau qui paraît le mieux convenir au problème de fusion. Par exemple, on peut utiliser des creusets en matériaux réfractaires, tels que l'alumine, la silice... selon les besoins et réaliser les éléments chauffants en matériaux métalliques ou alliages appropriés. Toujours dans le but d'élever la température de fusion, le demandeur a pensé qu'il devait être possible de récupérer une partie de la chaleur diffusée vers l'extérieur de l'élément chauffant. Dans ce but, le corps cylindrique est entouré d'un écran thermique cylindrique 14 tel que représenté sur la figure 8 qui joue le rôle de réflecteur vis- -vis des parois et de la chambre qu'il protège d'une temperature trop élevée. En effet, étant données les tempé- ratures très élevées atteintes, on peut craindre une détérioration de ces parois sous effet de la chaleur. L'écran 14 a donc un double but : isoler les parois du rayonnement thermique et concentrer la chaleur vers le corps central. Dans ces conditions, des températures de 3 5000C sont régulièrement atteintes.La figure 8 représente un assemblage complet comprenant un creuset 2, un corps cylindrique 11 et un écran thermique 14. On notera que la hauteur de l'écran protecteur est déterminée pour que le corps cylindrique dépasse légèrement afin que l'écran, de même que le creuset, ne puissent constituer une voie de passage au courant électrique, celle-ci étant exclusivement cons tituée par le corps cylindrique. L'écran protecteur comporte au moins une collerette 15 (figures 7 et 8) qui permet un bon centrage de l'écran par rapport au corps cylindrique. il est visible que l'on peut réaliser, à partir de corps cylindriques de formes variées et d'écrans thermiques de différents types, de nombreux assemblages convenant au but proposé. A titre d'exemple pratique, on donnera maintenant les dimensions d'un ensemble réalisé en graphite, tel que celui représenté sur la figure 9. Le creuset réalisé en graphite présentant une certaine porosité a une hauteur totale de 25 millimètres, comprenant une hauteur de réceptacle de 20 millimètres et un téton de 5 millimètres. Le diamètre extérieur est de 10 millimètres, le diamètre intérieur de 8 millimètres et la hauteur intérieure de 19 millimètres. Le corps cylindrique de chauffage a un diamètre intérieur de 10 millimètres, un diamètre extérieur de 12 millimètres et une hauteur totale de 32 millimètres. La hauteur intérieure prise sous la collerette est de 29 millimètres. Le diamètre intérieur de cette dernière est de 7 millimètres. L'écran thermique, quant a lui a une hauteur de 30 millimètres et une hauteur intérieure sous la collerette de 24 millimètres. Son diamètre extérieur est de 22 millimètres et son diamètre intérieur de 18 millimètres. Le diamètre intérieur de la collerette est, bien entendu, de l'ordre de 12 millimètres pour laisser le passage au corps cylindrique. Ainsi qu'il a déjà été dit, les tolérances par rapport aux cotes ci-dessus données sont déterminées pour que le creuset puisse être introduit dans le corps cylindrique de chauffage, selon un emmanchement libre sans jeu. Les dimensions respectives des divers éléments permettent d'utiliser des creusets pouvant fondre sans projection a haute température 10 g de métal. Ainsi qu'il ressort clairement de la description, l'objet de l'invention permet d'envisager le dosage des traces de gaz en raison des possibilités d'augmentation de la prise d'essai et de réaliser des conditions de chauffage très reproductibles, quelles que soient les conditions de remplissage du creuset. REVENDICATIONS 10) Dispositif pour la fusion par effet Joule d'un métal en vue de l'extraction des gaz qu'il contient, caractérisé en ce qu'il comprend - un corps tubulaire creux constituant une résistance de chauffage, - deux électrodes d'amenée de courant entre lesquelles est serré le corps tubulaire, - un creuset en matériau bon conducteur de la chaleur contenu en totalité dans le corps tubulaire et dont les parois ne sont pas en contact direct avec les électrodes d'amenée de courant. 2o) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend : - un corps tubulaire creux vertical constituant une résistance de chauffage, - une électrode superieure et une électrode inférieure d'amenée de courant entre lesquelles est serré le corps tubulaire, - un creuset en matériau bon conducteur de la chaleur, disposé entièrement a l'intérieur du corps tubulaire et dont le fond est surélevé par rapport à l'électrode inférieure d'amenée de courant. 30) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend : - un corps tubulaire creux vertical constituant une résistance de chauffage, - une électrode supérieure et une électrode inférieure d'amenée de courant entre lesquelles est serré le corps tubulaire, - un creuset en matériau bon conducteur de la chaleur et poreux, disposé entièrement à l'interieur du corps tubulaire et dont le fond est surélevé par rapport à l'électrode inférieure d'amenée de courant. 40) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend - un corps tubulaire creux vertical en graphite à haute résistance mécanique, constituant une résistance de chauffage, - une électrode supérieure et une électrode inférieure d'amenée de courant entre lesquelles est serré le corps tubulaire, - un creuset en graphite à grande porosité, disposé entièrement à l'inté- rieur du corps tubulaire et dont le fond est surélevé par rapport à l'électrode inférieure d'amenée de courant. 5 ) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les électrodes ont la forme de plateaux entre lesquels le corps tubulaire est serré axialement. 6 ) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le corps tubulaire comporte, à l'une de ses extrémités au moins, une collerette d'appui de l'électrode. 7 ) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le corps tubulaire comporte une saillie intérieure sur lequel repose le creuset, à quelque distance au-dessus de l'électrode inférieure, de préférence à une hauteur telle que le creuset soit en hauteur au milieu du corps tubulaire. 80) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le creuset est prolongé vers le bas, au-dessous de son fond, par une partie de faible section reposant sur l'électrode inférieure. 9 ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un écran thermique cylindrique est disposé coaxialement autour du corps tubulaire.