Brevet FR2473177A1 — publié le 19810710

La présente invention est relative à un dispositif pour déterminer la teneur en carbone d'un métal en fusion et pour prélever un échantillon de ce métal en fusion. Les dispositifs permettant de déterminer la teneur en carbone des métaux en fusion sont bien connus en eux-mêmes. Des dispositifs de ce type sont décrits par exemple dans les brevets des Etats Unis d'Amérique NOs 3 559 452, 3 709 040 3 748 908 et 3 685 359. Un dispositif de la technique antérieure adapté pour pouvoir être introduit directement dans le métal en fusion afin de mesurer sa teneur en carbone comporte de façon générale un orifice d'entrée ménagé dans une paroi supérieure d'un récipient de prélèvement d'échantillon. Un capteur de température qui mesure les températures de changement de phases du métal en fusion et détermine la teneur en carbone comprend de façon générale un thermocouple enfermé dans un tube en quartz en forme de U. Cependant, la disposition du capteur de température présente les inconve- nients suivants. Dans un dispositif permettant de déterminer la teneur en carbone dans lequel le capteur de température est disposé dans la partie inférieure du récipient, il est difficile d'utiliser la partie inférieure d'un échantillon pour son analyse spectrographique, etc., du fait que le capteur de température demeure dans la partie inférieure de l'échantillon. En outre, il se forme normalement dans la surface supérieure de l'échantillon solidifié une dépression qui est due a la contraction du métal, de sorte que la partie de 1' échantillon qui est disponible pour l'analyse est très limitée. Ceci constitue un problème que posent les dispositifs du type précité de détermination de la teneur en carbone. Par ailleurs, lorsgue le capteur de température est disposé dans la partie supérieure du récipient et s'étend vers le bas dans le dispositif, la partie de l'échantillon disponible pour l'analyse est suffisamment grande du fait de l'absence de capteur de température dans la partie inférieure de 1' échantillon solidifié. Cependant, le capteur de température disposé dans la partie supérieure du récipient subit un choc thermique et dynamique qui est du à l'irruption initiale de métal en fusion à haute température s'écoulant à travers l'orifice d'entrée prévu dans la paroi supérieure du récipient. Pour cette raison, le capteur de température peut être détruit ou déformé d'une façon telle que la mesure de la teneur en carbone soit rendue impossible ou imprécise. Ceci constitue un problème important posé par les dispositifs du type précité de mesurer la teneur en carbone L'invention a en conséquence pour but de réaliser un dispositif fiable pour déterminer la teneur en carbone des métaux en fusion - dans lequel le capteur de température est préservé de toute détérioration ou déformation due à l'irruption initiale du métal en fusion, assurant ainsi une mesure précise; - qui permette de prélever un échantillon solidifié dont la partie principale est disponible pour effectuer une analyse spectrographique, etc.; - dans lequel l'extraction du récipient d'un échantillon solidifié soit facile;; - qui permette de prélever un échantillon solidifié présentant une surface inférieure lisse; - qui permette de prelever un échantillon solidifié ne présentant pas dans sa surface supérieure de dépression due à la contraction du métal, ou seulement une dépression très faible; qui permette également de déterminer rapidement la teneur en carbone d'un métal en fusion à une température relativement plus élevée qu'avec les dispositifs classiques. L'invention a pour objet à cet effet un dispositif pour déterminer la teneur en carbone d'un métal en fusion caractérisé en ce qu'il comporte, dans une partie supérieure d'un récipient destiné à contenir un échantillon, un capteur de température destiné à détecter la température de changement de phase du métal en fusion, et un organe de protection interposé, au moins partiellement, entre un orifice d'entrée prévu dans la partie supérieure de la paroi latérale du récipient et le capteur de température. La fonction de l'organe de protection consiste à empêcher le choc thermique et dynamique provoqué sur le capteur de température situé dans la partie supérieure du récipient par l'écoulement du métal en fusion, comme cela se produisait dans les dispositifs de la technique antérieure. Le dispositif suivant l'invention présente tous les avantages des dispositifs de détermination de la teneur en carbone du type dans lesquels le capteur de température est disposé dans la partie supérieure du récipient, et il permet de résoudre le problème de fiabilité posé par les dispositifs de la technique antérieure. De plus, les moyens de protection, qui sont nécessairement prévus dans la partie supérieure du récipient, refroidissent le métal en fusion qui s'écoule dans le récipient afin d'atteindre le dernier des buts précités en retardant la solidification du métal en fusion dans la partie supérieure du récipient, la paroi de la chambre contenant l'échantillon, c'està-dire de la partie inférieure du récipient, absorbant en même temps la chaleur de l'échantillon de métal et favorisant la solidification de l'échantillon, ce qui satisfait à l'avantdernier des buts précités. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparatront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels la Fig. 1 est une vue en coupe d'une lance de prélèvement d'échantillon comportant un dispositif de détermination de la teneur en carbone suivant l'invention; la Fig 2a est une vue en coupe du dispositif de détermination suivant l'invention représenté à la Fig.l; la Fig. 2b est une vue éclatée correspondant à la Fig. 2a; la Fig. 3 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de détermination suivant l'invention; la Fig. 4 est une vue en coupe d'un autre mode de réa lisation du dispositif de détermination suivant l'invention;; la Fig. 5 est une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation du dispositif de détermination suivant l'invention; la Fig. 6 est une vue en perspective de la plaque de protection représentée à la Fig. 5; la Fig. 7 est une vue en coupe d'un autre dispositif de détermination suivant l'invention; la Fig. 8 est une vue en coupe d'encore un autre mode de réalisation du dispositif de détermination suivant l'invention. En se référant à la Fig. 1, on a représenté une lance 41 de prélèvement d'échantillon comportant un dispositif 20 suivant l'invention pour déterminer la teneur en carbone d'un métal en fusion, (l'extrémité de gauche de Ia Fig. 1 étant la partie inférieure de la lance), cette lance 41 comprenant un tube 42 de guidage en carton disposé à la partie supérieure (correspondant à l'extrémité de droite de la Fig.l) de la lance 41 et guidant cette dernière lorsque la lance 41 est fixée sur un support (non représenté), et un tube intermédiaire 43 en carton introduit et fixé dans l'extrémité inférieure du tube de guidage 42. Un tube extérieur 44 en carton est fixe sur l'extré- mité inférieure du tube intermédiaire 43 et renferme le dispositif 20 suivant l'invention, qui est maintenu à un niveau plus bas dans le tube extérieur 44 en utilisant un tube in térieur 45 en carton constituant une paroi thermiquement isolante. Pour protéger la lance 41 contre le choc thermique lorsqu'elle est plongée dans du métal en fusion, une paroi d'extrémité inférieure 51 en une matière réfractaire telle que de la céramique est fixée aux extrémités inférieures des tubes extérieuret intérieur 44 et 45, c'est-à-dire à l'ex trémité inférieure dela lance 41. La paroi inférieure 51 porte un capteur de température 60 disposé dans un alésage de façon telle que ce capteur 60 fasse partiellement saillie sur la paroi inférieure, ce cap teur étant adapté pour capter la température du métal en fusion dans un four. Comme cela apparaîtra clairement dans la suite, le dispositif 20 pour déterminer la teneur en carbone comporte un capteur de température 21 pour capter la température du métal en fusion pénétrant dans un récipient 31. Les capteurs de température 21 et 60 sont reliés électriquement par des conducteurs 27 respectifs à un connecteur 64 situé à une extrémité d'un tube de liaison 63, ce connecteur étant réalisé en carton et reçu dans l'alésage du tube intermédiaire 43 et à l'intérieur du tube de liaison 63. Le connecteur 64 comporte une saillie 65 qui s'étend vers le haut à l'intérieur de l'alésage du tube intermédiaire 43 et est connecté électriquement à un connecteur femelle fi xé sur un support lorsque la lance 41 est montée sur le même support. Comme représenté au dessin, des organes de fixation 62 sont disposés en différents points de la lance pour fixer la position relative de ses composants. Le dispositif 20 suivant l'invention comprend le récipient 31 qui comporte un orifice d'entrée 32 dans sa paroi supérieure. L'orifice d'entrée 32 communique, au moyen d'un guide d'entrée 49 en une matière réfractaire telle que de la céramique qui s'étend à travers les parois latérales des tubes extérieur et intérieur 44 et 45, avec une ouverture pré- vue dans la surface externe du tube extérieur 44, cette ouverture étant fermée par un revêtement de carton 50 recouvrant la surface externe du tube extérieur 44. Les Fig.2a et 2b (cette dernière étant une vue éclatée correspondant à la Fig. 2a) montrent le dispositif 20 de la Fig.l, qui comprend le capteur de température 21, le récipient 31,une plaque 37 formant couvercle pour le récipient et un tube de protection 36, comme décrit dans la suite. Le capteur de température 21 comprend un corps 22 en une matière réfractaire telle que de la céramique présentant une collerette 23, et un élément 25 capteur de température, ou capteur de température proprement dit, fixé sur le corps 22 par un ciment réfractaire 24 et s'étendant vers le bas jusque dans une chambre 34a destinée à contenir un échantillon et prévue dans le récipient 31, comme on le décrira dans la suite. L'élément capteur 25 est d'une construction bien connue et comprend un thermocouple maintenu dans un tube rectiligne en quartz, et deux conducteurs 27 s'étendant depuis la face d'ex trémité supérieure du corps 22. Le récipient 31 de prélèvement d'échantillon est divisé en une partie supérieure 33 et une partie inférieure 34 délimitée par une plaque séparatrice 35 qui est de préférence en métal ou en céramique. Une ouverture 38 est formée à l'extrémité supérieure du récipient 31. En d'autres termes, le récipient 31 de prélèvement d'échantillon comporte deux chambres délimitées par la plaque séparatrice 35: la chambre située le plus haut, qui est une chambre d'entrée 33a, et la chambre inférieure, qui est la chambre à échantillon proprement dite 34a. La chambre d'entrée 33a du récipient 31 communique avec l'extérieur par l'intermédiaire de l'orifice d'entrée 32 prévu dans la paroi latérale de la partie supérieure 33, tandis que la paroi de la chambre 34a converge vers le bas et présente un diamètre décroissant. La plaque 37 formant couvercle pour le récipient est de préference en métal et est fixée sur l'ouverture 38 du récipient 31 d'une façon appropriée pour maintenir un tube de protection 36 qui est introduit dans un trou central de la plaque 37, comme on le décrira dans la suite. Le tube de protection 36 est réalisé en une matière résistant à la chaleur, par exemple en une matière réfractaire telle que céramique, quartz et métal, qui peut résister à l'action du métal en fusion. Le tube de protection 36 s'étend depuis le couvercle 37 dans le récipient 31, son extrémité inférieure étant située dans une région R (Fig.2 a) qui s'étend entre le voisinage du bord le plus bas de l'orifice d'entrée 32 et la pointe sensible de l'élément capteur 25; dans l'exemple représenté aux Fig. 2a et 2b, cette extrémité se trouve au-dessus de la plaque séparatrice 35 entre les limites de la région précitée. La raison pour laquelle l'extrémité inférieure du tube 36 est plus basse que le bord le plus bas de l'orifice d' entrée 32 est d'empêcher le courant de métal en fusion de frapper directement le capteur de température 25. La raison pour laquelle l'extrémité inférieure du tube 36 est située plus haut que la pointe sensible du capteur 25 est de plonger cette pointe sensible dans le métal en fusion contenu dans la chambre 34a sans être exposée à l'influence perturbatrice du tube protecteur 36, afin d'effectuer une mesure correcte de la température. Le tube 36 de protection est espacé, mais pruche de la surface externe de l'élément capteur 25, qui s'étend suivant l'axe du tube 36 en délimitant'ainsi une chambre isolante 54 pour portéger le capteur 25 contre le choc thermique et dynamique du courant de métal en fusion. Le dispositif de détermination de la teneur en carbone tel que décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante. La lance 41 est portée par son support, et son extrémité inférieure est alors plongée dans le métal en fusion. Après avoir traversé la couche de laitier flottant à la surface du métal en fusion, la lance 41 est plongée dans le métal fondu, tandis que l'enveloppe externe 50 fermant l'orifice d'entrée 32 est détruite à la suite de la traversée de la couche de laitier. En conséquence, le métal en fusion pénètre dans le recipient 31 par le guide d'entrée 49 et l'orifice 32. Bien que le métal en fusion s'écoule tout d'abord dans la chambre d'entrée 33a, le tube de protection 36 protège l'é- lément capteur 25 s'étendant à l'intérieur de la chambre 33a contre le choc thermique et dynamique provoqué par le courant de métal en fusion. Lorsque le métal en fusion heurte le tube 36 de protection, ce tube prend de la chaleur au métal et donc refroidit ce métal. Le métal en fusion pénètre dans la-chambre 34a par le trou 52 prévu dans la plaque séparatrice 35 et est guidé le long du tube 36 et de l'élément capteur 25. Un désoxydant est habituellement disposé dans la chambre d'entrée 33a afin de calmer l'échantillon de métal en fu sion dans cette chambre. Le métal en fusion s'écoule dans la chambre 34a et la remplit. Lorsque ceci se produit, l'élément capteur 25, dont la pointe sensible est située dans la chambre 34a, contrôle la température du métal en fusion contenu dans cette chambre et fournit ses lectures par l'intermédiaire des conducteurs 27 et du connecteur 64. L'air situé à l'intérieur du récipient 31 s'échappe par l'orifice 32 lorsque le métal en fusion est introduit dans le récipient. Pendant que le métal en fusion contenu dans la chambre 34a est refroidi par le récipient 31 et se -solidifie progressivement, la température du métal en fusion est bien entendu contrôlée de temps à autre par l'élément capteur de température 25. Lorsque le métal en fusion est solidifié à 11 intérieur de la chambre 34a, le tube 36 restitue la chaleur qui a été absorbée au moment de l'introduction du métal fondu, ralentissant ainsi la solidification du métal dans la partie supérieure du récipient. Par suite l'échantillon solidifié dans la chambre 34a est dépourvu dans sa partie supérieure de toute cavité due à la contraction du métal. La teneur en carbone du métal en fusion est déterminée par les variations de température de l'échantillon qui se solidifie dans la chambre 34a, d'une façon classique. La température du métal en fusion dans le four est captée par le capteur 60 disposé à l'extrémité inférieure de la lance 41. Lorsque le processus de mesure décrit ci-dessus est a chevé, la lance 41 est soulevée au-dessus du métal en fusion, et l'échantillon solidifié est retiré de la chambre 34a aux fins d'analyse spectrographique ou autre. La Fig. 3 montre un autre mode de réalisation du dispositif 20 suivant l'invention, qui diffère de celui représenté aux Fig. 2a et 2b de la façon suivante. L'extrémité inférieure du tube 36 est disposée au-dessous de la plaque séparatrice 35, dans les limites de la ré gion R représentée à la Fig. 2a. Le métal en fusion se trouvant dans la partie supérieu re du récipient peut être maintenu à une température plus éle- vée que dans le cas des Fig. 2a et 2b, tandis que l'air conte nu dans la chambre isolante tend à passer dans la chambre 34a et provoque parfois la formation d'une bulle dans l'échantillon. Pour éviter cette formation de bulle, un trou 55 est prévu dans la paroi latérale du tube 36, et ce trou fait com muniquer la chambre isolante 54 délimitée entre le tube de protection 36 et l'élément capteur 25 avec la chambre d'entrée 33a. Plus particulièrement, l'air se trouvant à l'intérieur de la chambre isolante 54 s'échappe par l'orifice d'entrée 32 par 1' intermédiaire du trou 55 et de la chambre 33a La chambre isolante 54 peut être ouverte sur l'extérieur du dispositif 20 par l'intermédiaire d'un passage d'air (non représenté) qui est formé dans la collerette 23. En conséquence, lorsque le métal en fusion s'écoule dans la chambre isolante 54, l'air se trouvant dans cette chambre s'échappe à l'extérieur du dispositif 20. La chambre 34a contenant l'échantillon a une forme cylindrique. Cet exemple est comparable à celui représenté aux Fig. 2a et 2b, excepté en ce qui concerne la facilité d'enlèvement de l'échantillon solidifié hors de la chambre 34a La Fig. 4 montre un autre mode de réalisation du dispositif 20 suivant l'invention, qui est analogue à celui représenté aux Fig. 2a et 2b à l'exception des points suivants. L'extrémité inférieure du tube 36 est fermée par un bouchon obturateur 56 qui soutient l'élément capteur 25 un peu au-dessous de son milieu. Ceci permet de fixer l'élément capteur 25 plus fermement que dans les exemples des Fig. 2a et 2b. Bien que le métal en fusion ne pénètre pas dans la chambre 54, celle-ci comporte le trou 50 afin de permettre à l'air de s'échapper lorsqu'il se dilate en raison de l'augmentation de température dans la chambre 54. La Fig. 5 montre encore un autre mode de réalisation du dispositif 20 suivant l'invention, qui diffère de celui représenté aux Fig. 2a et 2b de la façon suivante. Une plaque de protection incurvée 39, représentée à la Fig. 6 est fixée sur le couvercle 37 au lieu du tube de protection 36. Ce mode derealisation est inférieur à celui des Fig. 2a et 2b en ce qui concerne ses propriétés de refroidissement au moment de l'introduction du métal en fusion et en ce qui concerne la propriété de maintenir chaud le métal fondu contenu dans la partie supérieure du récipient, en raison du fait que la plaque de protection 39 a une masse, une surface, etc., inférieures à celles du tube 36. La plaque 39 assure cependant une protection suffisante de l'élément capteur de température 25, et les problèmes précités ne sont pas critiques, par exemple lorsque la température du métal en fusion est relativement basse. On a encore représenté à la Fig.7 un autre mode de réalisation du dispositif 20 suivant l'invention, qui est analogue à celui représenté aux Fig. 2a et 2b à l'exception des points suivants. Le récipient 31 destiné à contenir l'échantillon ne comporte pas la plaque séparatrice 35, de sorte qu'il n'existe pas de limite définie entre la chambre d'entrée 33a et la chambre d'échantillon 34a. Le courant de métal en fusion entrant par l'orifice 32 dans le récipient 31 frappe le fond du récipient 31 sans subir la résistance opposée-par laplaque séparatrice 35, de sorte que ce mode de réalisation est inférieur à celui des Fig. 2a et 2b en ce qui concerne la chute de l'activation du métal en fusion. Ce problème n'est pas critique et peut être évité dans une certaine mesure par un choix approprié des dimensions et de la forme relative du récipient 31, de l'orifice d'entrée 32, etc. L'élément capteur de température 26 présente une forme en U et peut être remplacé par l'élément capteur rectiligne représenté aux Fig.2a et 2b. La Fig.8 montre un autre mode de réalisation du dispositif 20 suivant l'invention, qui diffère de celui des Fig.2a et 2b par le fait qu'une plaque de protection 39 est fixée mais que la plaque séparatrice 35 est supprimée. Ce mode de réalisation présente les mêmes inconvénients que ceux des Fig. 5 et 7, mais ces inconvénients ne sont pas importants compte tenu des paramètres du métal en fusion. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour déterminer la teneur en carbone d'un métal en fusion, caractérisé en ce qu'il comprend : (a) un récipient comportant un orifice d'entrée dans la partie supérieure de sa paroi latérale et une ouverture à son extrémité supérieure; (b) une plaque formant couvercle pour le récipient, qui est fixée sur l'ouverture de ce dernier; (c) un capteur de température s'étendant à travers le couvercle du récipient pour pénétrer à l'intérieur de ce récipient et relié électriquement à l'extérieur; et (d) un organe de protection en un matériau résistant à la température, fixé sur le couvercle, s'étendant au moins partiellement à l'intérieur du récipient entre l'orifice d'entrée et le capteur de température et légèrement espacé de ce dernier, l'extrémité inférieure de cet organe de protection étant située dans une région comprise entre le voisinage du bord le plus bas de l'orifice d'entrée et la pointe sensible du capteur de température. 2. Dispositif suivant la revendication 1, carac térisé en ce que le récipient est divisé en deux chambres, supérieure et inférieure respectivement, par une plaque séparatrice comportant un trou. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de protection est tubulaire 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de protection est tubulaire et comporte un trou dans sa paroi. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de protection est tubulaire et en ce qu'une chambre isolante définie à l'intérieur de cet organe tubulaire de protection communique avec l'extérieur du dispositif par l'intermédiaire d'un passage pour l'air. 6. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de protection est un organe tubulaire dont l'extrémité inférieure est obturée par un bouchon. 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de protection est constitué par une plaque. 8. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de protection est en une matière réfractaire. 9. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de protection est en un métal capable de résister à l'action du métal en fusion.