Brevet FR2493986A1 — publié le 19820514

Appareil d'échantillonnage pour bain de métal en fusion. Les échantillonneurs de métal en fusion cffrent en général un corps métallique ou réfractaire avec une chambre pour l'immersion en dessous du niveau de la surface afin d'obtenir un échantillon de métal en fusion, tel que de l'acier. Le corps est en général doté d'un type d'admissior/quelconque pour faciliter la pénétration du métal en fusion dans la chambre. Il est connu de définir la chambre de telle sorte que deux plaques métalliques soient disposées à l'opposé et coopèrent avec un trou dans un corps réfrac- taire entre elles. Une chambre définie de la sorte offre un équilibre entre les propriétés de conduction de la chaleur des plaques métalli. es et du corps réfractaire, de telle6anière que l'échantillon se solidifie à une vitesse satisfaisante. Quand les parois de la chambre d'échantil- lonnage sont définies uniquement par du réfractaire, l'éc"nan- tillon se refroidit trop lentement et commence une ségré- jaLiern. Quand les parois de la chambre sont définies exclu- sivemnent par des plaques métalliques, l'échantillon se re- frcidit trop rapidement. Quand l'échantillon se refroidit trop rapidement la température de liquidus qui définit comme on le sait le carbone de l'échantillon passe tiop rapidement pas. la zone d'arrêt pour permettre une lecture perceptible. Quand les parois de la chambre sont définies par une matière céramique, l'échantillon présente une surface irré- 2r, gulière et donc doit d'abord être usiné sur une meuleuse pour offrir des surfaces lisses avant d'être soumis à l'essai. En utilisant des plaques métalliques pour des parois opposées de la chambre, l'échantillon présentera des surfaces opposées lisses, de telle sorte que l'étape de meulage peut être éli- minée ou réduite au minimum, et l'échantillon peut être ana- lysé directement sur un spectromètre. Le problème résolu par la présente invention est de savoir comment mettre en relation sur le plan structural les - 2 - composants d'un échantillonneur de métal en fusion pour obtenir un taux de solidification désiré de l'échantillon tout en offrant en même temps un échantillonneur qui peut être produit économiquement en série. La présente invention concerne un appareil d'échan- tillonnage de métal en fusion. Il comprend un corps réalisé en deux sections distinctes en une matière réfractaire. Au moins une plaque métallique est utilisée pour inter- connecter rigidement les sections du corps et définir aussi au moins une paroi d'une chambre d'échantillonnage. Une autre paroi de cette dernière est définie par une surface réfractaire. Une entrée dans la chambre est prévue. L'appareil d'échantillonnage est de préférence construit de manière à posséder un élément détecteur de température à l'intérieur de la chambre d'échantillonnage pour décéler la température d'arrêt de liquidus. L'appareil d'échantillonnage est de préférence aussi construit de manière à incorporer un élément détecteur de température situé de façon à déceler la température du bain. O Un but de la présente invention est d'offrir un échantillonneur de métal en fusion qui est construit de manière à ofeir une commande désirée dEta solidification d'un échantillon tout en étant réalisé simultanément de façon à faciliter une fabrication en série d'un échantil- lonneur fiable. Un autre but de l'invention est d'offrir un écban- tillonneur de métal en fusion possédant une multiplicité de variables qui facilitent l'obtention de la fiabilité des résultats. D'autres buts appara tront encore ci-après. Dans un but d'illustration de l'invention, on a illustré aux dessins une forme de réalisation qui est celle actuellement préférée; il doit toutefois être entendu que la présente invention n'est pas limitée aux agencements et 3 _ éléments pratiques particuliers représentés. La figure 1 est une vue en coupe verticale de l'extrémité d'immersion d'un échantillonneur suivant la présente invention. La figure 2 est une vue en perspective "explosée". La figure 3 est une vue en coupe sULant la ligne III-III de la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 1. La figure 5 est un schéma de câblage du thermo- couple. En se référant plus en détail aux dessins, dans les- quels des références identiques désignent des éléments ana- logues, on/a représenté à la figure 1 un échantillonneur de métal en fusion suivant la présente invention, désigné globalement par la référence 10. L'échantillonneur 10 est destiné à être plongé en dessous du niveau du liquide dans un bain de métal en fusion, tel que de l'acier. L'échan- tillonneur 10 comprend un tube 12 fait d'une matière sacri- fiable telle que du papier. Dans l'extrémité d'immersion du tubq42, on a prévu une première section de corps 14 et une seconde section de corps 16. Les deux sections 14 et 16 sont de préférence faites d'un réfractaire thermiquement isolant, tel qu'une matière céramique. Les sections de corps 14 et 16 remplissent des fonctions différentes. Chacune d'elles est moulée à la dimension minimum requise pour remplir sa fonction. La section de corps 14 est dotée d'une aile 18 dirigée radiale- ment vers l'extérieur pour venir en contact avec une face d'extrémité du tube 12. Les sections de corps 14 et 16 sont interconnectées rigidement pour une manipulation en bloc, grace à des première et seconde plaques 20,22. Ces der- nières sont des plaques métalliques faites d'une matière telle que de l'acier au carbone. Les plaques 20 et 22 ont - 4- de préférence une épaisseur de l'ordre de 0,10 à 0,15 cm quand le volume de l'échantillon est d'approximativement 8 cm. Avec un échantillon de cette dimension, il s'est révélé que des plaques en acier à faible teneur en carbone avec une épaisseur inférieure à environ 0,10 cm se soudent à l'échantillon, tandis que si les plaques ont une épaisseur supérieure à 0,15 cm, elles refroidissent l'échantillon trop rapidement. La plaque 20 possède un prolongement 24 à une extré- mité. La plaque 22 a un prolongement 26 à une extrémité. Les prolongements 24 et 26 sont mutuellement opposés et comprennent une partie en forme de C afin d'enserrer des surfaces radiales disposées à l'opposé sur la section de corps 16. Des prolongements semblables désignés par 24' et 261 enserrent des surfaces semblables sur la section de corps 14. Les extrémités finales sur les prolongements 24' et 26' s'étendent radialement vers l'intérieur à travers des fentes au voisinage de l'aile 18. Les plaques 20,22 in- terconnectent rigidement les sections de corps 14 et 16 de manière Vce qu'elles ne.puissent pas tourner l'une par rapport à l'autre, ou se déplacer vers l'intérieur ou l'ex- térieur l'une à partir de l'autre. Chacun des prolongements 24, 26,24' et 26' s'adapte dans une rainure s'étendant axialement sur la périphérie externe de sa section de corps associée. Les plaques 20,22 sont de préférence disposées à l'opposé l'une de l'autre afin de définir des faces opposées de 1réchambre d'échantillonnage 32. Cette dernière a de préférence une section rectangulaire comme illustré plus clairement à la figure 4. Chacune des deux faces opposées restanteee la chambre d'échantillonnage 32 est définie parune plaque réfractaire thermiquement isolante plane 28, 30. Ces plaques 28, 30 sont plus épaisses que les plaques - ,2. et ont de préférence une épaisseur d'environ 0,3 cm. Une attache en U 33 en acier de ressort enserre les plaques ,22 et la plaque 30 tout en appliquant une pression suf- fisante sur les plaques 20, 22pour maintenir la plaque 28 entre elles. Comme représenté aux figures 2 et 3, chacune des sections de corps 14 et 16 présente un bossage s'étendant axialement, avec une section rectangulaire. Chacune des plaques 20, 22, 28 et 30 se trouve en contact avec l'une des faces des bossages sur les sections de corps 14, 16. Cette caractéristique facilite un assemblage rapide et permet une vérification de qualité pour l'uniformité de dimension de 'La chambre d'échantillonnage 32. La section de corps 14 est de préférence dotée d'un alésage axial 34 qui est un passage d'entrée dans la chambre d'échantillonnage 32. Toutefois, l'entrée vers la chambre 32 peut être située radialement d'une manière bit connue dans le domaine de l'échantillonnage. L'alésage 34 est doté d'une garniture métallique 36. Dans cette dernière est de préférence prévu un manchon en aluminium 38. Ce dernier est de préférence fait d'aluminium ou un équivalent afin de calmer l'échantillon. Un capuchon 40 est de préférence prévu pour la partie exposée de la garniture 36 afin d'em- pfcher la pénétration de matières étrangères dans l'alésage 34 au cours de la fabrication. Uryciment réfractaire 42 est appliqué à la face d'ex- trémité de la section de corps 14 afin de coïncider avec la face d'extrémité de la partie s'étendant axialement de l'aile 18. Le niveau du ciment réfractaire 42 se situe un peu en dessous de l'extrémité fermée du capuchon 40. Ensuite, un capuchon métallique sacrifiable 44 et un capuchon de papier sacrifiable 46 sont introduits dans le ciment réfractaire 42 avant qu'il ait fait prise. Un élément dé- tecteur de température de bain tel qu'un thermocouple 48, est supporté par la section de corps 14. Le thermocouple -6 48 possède un support 50 disposé dans une fente périphérique s'éendant radialement (voir la figure 2). Une branche 49 du thermocouple 48 se termine par an fil conducteur 52. L'autre branche 51 du thermocouple 48 se termine par un fil conducteur 53. Les fils 52, 53 sont des conducteurs qui s'étendent depuis le thermocouple 48 à travers des rainures 54 sur la surface périphérique externe de la section de corps 16, vers un connecteur 56. Le conducteur 52 se termine sur un contact de fil nu 59 sur le connecteur 56. Le conducteur 53 se termine sur un contact de fil nu 57 sur le connecteur 56. La branche 65 d'un thermocouple 64 se termine sur le contact de fil nu 57 sur le connecteur 56 également. L'autre branche7 du thermocouple 64 se termine sur u-n contact de fil nu 61. Le connecteur 56 facilitera le couplage de l'échantillonneur avec un en- registreur de température dans toutes les positions de ro- tation du connecteur 56 qui n'est pas directionnel. Le connecteur 56 est de préférence fait d'une matière non conductrice de l'électricité, telle qu'une matière plasique, Le connecteur 56 possède une aile dirigée radialement vers l'extérieur 58 surplombant une face d'extrémité de la section de corps 16. Cette dernière face d'extrémité pré- citée de la section de corps 16 présente une cavité 62 située axialement. La cavité 62 est remplie de ciment re- fractaire 68. Le connecteur 56 comporte un prolongement en une pièce 60 qui s'étend à travers la cavité 62 et dans un alésage central pour supporter un élément détecteur de température Lel qu'un thermocouple 64. La jonction chaude de ce dernier est située suivant l'axe longitudinal de la chamrbre d'échantillonnage 32 et de préférence de elle sorte que la jonction chaude soit approximativement équidistante des extrémités de la chambre d'échantillonnage 32. L'ex- trémité supérieure de cette dernière est définie par une planue m-a!lique de refroid!ssement 66 présentant un trc- à travers lequel passent les branches du thermocouple 64. -7- Un tube en papier 70 est enfilé télescopiquement sur les sections de corps 14 et 16 avec un ajustage à force ou un adhésif entre eux. Comme illustré plus clairement à la figure 4,les parois définissant la chambre d'échantil- lonnage 32 coopèrent avec la surface interne du tube 70 pour définir des espaces d'air 72 généralement en forme de croissant. Ces espaces d'air 72 communiquent avec la chambre 32 par l'intermédiaire de rainures 74 sur la face d'extrémité de la section de corps 16 (voir les figures 1 et 2). Le tube 70 est ajusté à force sur la surface in- terne du tube 12 ou lui est lié par collage pour empêcher l'ensemble assemblé de tomber hors de l'extrémité ouverte du tube 12. Les sections de corps 14 et 16 sont moulées en une matière réfractaire. Des sous-assemblages sont prévus en ajoutant la garniture 36, le manchon 38 et le capuchon 40 à la section de corps 14. Le thermocouple 48 est fixé aux fils conducteurs 52, 53 et le thermocouple 64 est fixé aux fils conducteurs 64, 67. Les fils de prolongementAe thermo- couple sont fixés au connecteur 56 pour offrir les contacts de fils nus 57, 59 et 61. Le connecteur 56 et le thermo- couple 64 sont pré-assemblés par rapport à la section de corps 16 tout en laissant de la place pour pouvoir ajouter du ciment 68. Ensuite, le connecteur 56 est repoussé afin d'amener l'aile 58 à engager la face d'extrémité de la section de corps 16 pour orienter ainsi le thermocouple 64 dans la position voulue. La plaque de refroidissement 66 est située et liée au bossage sur la section de corps 16. Les plaques 20 et 22 sont situées et leurs extrémités finales sont pliées de façon à surplomber la face d'extrémi- té de la section de corps 16 comme illustré à la figure 3. Les extrémités pliées sur les prolongements 24' et 26' sont introduites dans les fentes de la section de corps 14. Les plaques 20,22 relient rigidement entre elles les sections de corps 14 et 16. Les plaques réfractaires 28 et 30 sont -8 - situées de manière à enfermer la chambre d'échantillon- nage 32. Ensuite l'attache à ressort 33 est mise en place. Du ciment 42 est appliqué et les capuchons 44, 46 sont introduits dans le ciment 42 alors qu'il n'a pas encore fait prise. Ensuite, le tube de papier 70 est enfilé sur l'ensemble. Après dela, le tube 70 est enfilé dans le tube 12. Le connecteur 56 est connecté aux contacts d'un manche d'une façon classique, avec le tube 12 enfilé sur le manche. Le manche est manipulé de telle sorte qu'une extrémité comme illustré aux dessins est immergée en dessous du niveau du métal liquide. Le capuchon en papier 46 est consommé dans le bain. Le capuchon 44 protège le thermocouple 48 lors du passage à travers toutes scories sur le bain. Ce faisant, le capuchon 44 est consommé par le bain. Le thermocouple 48 décèle la température du bain. Le capuchon 40 est consommé et un échantillon pénètre dans la chambre 32. Cet échantillon est calmé et partiellement refroidi alors qu'il traverse la garniture 36 en faisant fondre le manchon en aluminium 38. Alors que l'échantillon pénètre dans la chambre 32, l'air ou d'autres gaz dans cette dernière sont chassés à travers les rainures 7eans les espaces d'air 72. L'échan- tillon remplit la chambre 32 toute entière et est refr li à son extrémité supérieure par contact avec la plaque 66. L'échantillon est refroidi sur deux côtés par les plaques métalliques 20, 22 et sur deux côtés par les surfaces ré- fractaires des plaques 28, 30. Quand l'échantillon est retiré, il sera de forme rectangulaire en coupe transversale avc-qdeux surfaces lisses pour l'analyse avec un spectromètre. Le taux de commande désiré de la solidification de l'échantillon de manière a avoir un arrêt de température de liquidus distinct mesuré par le thermocouple 64, est variable par modification de l'épaisseur des plaques 20,22 et 28,30. Une autre commande est obtenue grâce à la dimension des - 9 - rainures 74 qui commandent la vitesse à laquelle l'air s'échappe de la chambre 32. Une autre commande consiste à faire varier la longueur de la garniture métallique 36 qui commandera le taux de refroidissement de l'échantillon alors qu'il pénètre dans la chambre 32. Dans une réalisa- tion typique, dans laquelle la chambre 32 a une longueur de 3,8 cm, la garniture 36 peut avoir une longueur de 2,2 cm et un diamètre interne de 0,6 cm. La plaque de refroidissement 66 protège le ciment réfractaire non calciné 68 de tout contact direct pratique avec l'échantillon. Un contact direct entre du ciment non calciné et un échantillon métallique engendre des gaz, ce qujenterfère avec l'homogénéité de l'échantillon. De même, la plaque de refroidissement 66 amène l'échantillon à se refroidir plus vite au sommet o il existe une tendance à la production de cavités dans l'échantillon. Les sections de corps 14 et 16 sont de préférence faites de matière moulable n6n-métallique résistant à la chaleur, de préférence d'une céramique. Une telle matière disponible commercialement est vendue sous la marque Cordirite. Les sections de corps 14 et 16 ont une dimen- sion minimum afin de remplir leur fonction prévue en utili- sant une quantité minimum de matière. Les plaques 20,22 remplissent la double fonction d'interconnecter rigidement les sections de corps 14 et 16 tout en définissant au moins un et de préférence deux côtés de la chambre d'échan- tillonnage 32. La présente invention peut être incorporée dans d'autres formes particulières sans sortir du cadre de principe de l'objet de l'invention. - REVE1DICATIONS 1. Appareil d'échantillonnage de métal en fusion, caractérisé en ce qu'il comprend un corps en deux sections (14 et 16), des moyens (20,22,28 et 30) interconnectant rigidement ces sections (14 et 16), ces moyens comporant au moins un plaque métallique (20 ou 22) qui définit aussi au moinene paroi d'une chambre d'échantillonnage (32) située entre lesdites deux sections (14 et 16) une autre paroi de la chambre d'échantillonnage (32) étant définie par!une surface réfractaire (28 ou 30), et des moyens définissant une entrée (34) dans la chambre (32).o 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en De que lesdits moyens d'interconnexion comprennent une multiplicité de plaques (20,22) agencées de manière à définir des parois de la chambre d'échantillonnage (32). 3. Appareil suivant la revendication 2,caractérisé edge que deux desdites plaques (20,22,28 et 30) sont faites de métal et les plaques restantes (28 et 30) sont des plaques planes faites d'une matière réfractaire thermique- ment isolante. 4. Appareil suivant l'une ou l'autre des revendi- cations 2 et 3, caractérisé en ce que les sections de corps (14 et 16) possedent des bossages s'étendant l'un vers l'autre, ces bossages correspondant généralement aux dimensions transversales de la chambre d'é chantillonnage (32), chaque plaque (20,22,28 et 30) se trouvant en contact avec une surface sur chaque bossage. 5. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les dites plaques (20,22,28 et 30) coopèrent pour former une chambre d'échantillonnage (32) rectangulaire. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un 6élément détecteur de tempraure (64) ''intérie.:r ]adite c r:r3re 5'éc' antillonnaze '39), e3 supporte par !'une des sections de corps (16). - 11 - 7. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit élément détecteur de température (64) s'étend à travers un trou dans une plaque de refroidisse- ment (66) située de manière à constituer une paroi d'extré- mité de la chambre (32). 8. Appareil suivant l'une ou l'autre des revendi- catins 6 et 7, caractérisé en ce que l'autre section de corps (14) est dotée desdits moyens définissant une entrée (34) dans ladite chambre, la partie détectrice dudit élément détecteur de température (64) et ladite entrée (34) étant généralement coaxiales avec ladite chambre (32). 9. Appareil suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que ladite chambre (32)possède un volume d'environ 8 cm et lesdites plaques métalliques (20 et 22) ont une épaisseur de 0,10 à 0,15 cm. 10. Appareil suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (48) pour déceler une température d'un bain et supportés par l'une desdites sectins de corps (14). 11. Appareil suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les sections de corps (14 et 16) possèdent chacune une partie qui est cylindrique. 12. Appareil suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (72,74) pour faciliter ltévacuation des gaz de ladite chambre d'échantillonnage (31) alors qu'un échantil- lon de métal en fusion pénètre dans la chambre (32). 13. Appareil suivant l'ensemble des revendications 3, 5, 6, 7 et 12, caractérisé en ce qu'il comprend un tube de support (12) avec une extrémité d'immersion, un échantil- lonneur supporte par ladite extrémité d'immersion dudit tube (12), cet échantlonneur comrenant ledit corps (14, ]6),la itr chamnre d'échantillonnace (32) et les.cts n:o'.t définissant ur. assate -'entrée k-4) vcrs l'a ite cra. ?e - 12 - (32), lesdits moyens étant formés par un passage coaxial (34) avec ledit tube (12), des moyens (72,74) pour permettre l'évacuation de gaz de l'intérieur de la chambre (31) alors que cette dernière se remplit de métal en fusion, un thermocouple (64) à l'intérieur de ladite chambre (32) et dont la jonction chaude se situe généralement suivant l'axQ[ongitudinal de la chambre (32), cette chambre (32) ayant une section transversale rectangulaire,des parois, disposées à l'opposé, de cette chambre étant des plaques métalliques (20 et 22) avec une épaisseur suffisante par rapport au volume de l'échantillon pour que ces plaques métalliques (20 et 22) ne se soudent pas à l'échantillon alors que ce dernier se refroidit, une plaque de refrddis- sement (66) définissant une extrémité de la chambre (32) éloignée de ladite entrée (34) dans la chambre, ladite plaque de refroidissement (66) offrant un trou à travers lequel s'étendent des branches du thermocouple (64),et un connecteur (56) connecté audit thermocouple. 14. Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce que chaque plaque métallique (20 et 22) possède une partie d'extrémité (24,24' et 26, 26') disposée radialement pour interconnecter rigidement des sections discrètes (14 et 16) du corps en une assodciation espacée prédéterminée, de telle sorte que la chambre d'échantillon- nage (32) soit disposée entre ces corps (14 et 16). 15. Appareil suivant l'une ou l'autre des revendi- cations 13 et 14, caractérisé en ce que lesdits mayens (72,74) pour l'évacuation des gaz comprennent au moins un espace d'ar (72) entre la chambre (32) et la surface interne (70) du tube (70,12), des moyens de passage (74) offrant une communication entre une extrémité de la chambre (32) et ledit espace d'air'(72). 16. A.pareil suivant l'u:ne que!cnque des reveuri- catiDns 13 à 15, ceractnris, en ce qc'il ce-.r/r u'i t X.- z de refrci(issmer.t (38) dans le passage d'entrée (34% rr - 13 - refroidir partiellement un échantillon avant sa pénétra- tion dans ladite chambre (32).