Brevet FR2547656A1 — publié le 19841221

La présente invention concerne une sonde pour déterminer la teneur en oxygène actif. Ainsi que pour la détermination simultanée d'au moins une autre grandeur caractéristique d'une masse métallique en fusion. Pour évaluer une masse métallique en fusion, en particulier une masse d'acier en fusion, que ce soit pendant la fusion, ou après la percée et encore pendant la coulée, il est d'un grand intérêt, dans des buts de recherche mais aussi de controle de production, d'obtenir des paramètres d'état caractéristiques précis, chimiques ou également physiques. Font partie de ces grandeurs caractéristiques la teneur en oxygène libre ou actif, la température, en tant que valeurs d'analyse au moins la teneur en carbone et, non en dernier, l'état du bain du métal dans le récipient de fusion. Pour déterminer de telles grandeurs de mesures se sont imposées? en général, ces derniers temps, des sondes qui ne sont destinées qu'à un usage unique. En vertu de la conformation diverse des sondes et de la détermination des grandeurs de mesure différente dans chaque cas, on connaît des sondes, qui permettent de ne déterminer que, soit la température et la teneur en oxygène, soit la température lors d'un prélèvement simultané d'échantillons pour l'analyse et la teneur en carbone au cours de l'analyse thermique (enregistrement de la température de solidification de la masse en fusion) ou bien l'état du bain. En ce qui concerne la détermination de l'oxygène, on connaît des sondes, par exemple d'après le brevet DE-PS 28 42 136, sonde dans laquelle les capteurs pour la température et l'oxygène sont agencés sur la face frontale d'un corps de base en céramique, l'un à côté de l'autre dans un plan. Cette sonde satisfait aux exigences posées pour la détermination de l'oxygène des masses de métal en fusion non reposées. La teneur en oxygène libre est de l'ordre, dans ce cas, de plusieurs 100 ppm. Dans des masses d'acier en fusion reposées, dans lesquelles l'oxygène est lié de façon prépondérante à l'aluminium, la teneur en oxygène libre s'établit à des valeurs inférieures à 100 ppm. Il s'est avéré lors de mesures comparatives, que tout d'abord, on enregistrait des différences explicables dans la détermination de l'oxygène dans des masses métalliques en fusion. Comme cause possible, on a envisagé la faible concentration de la teneur en oxygène. C'est un des buts de l'invention d'obtenir des améliorations dans ce domaine. De façon générale, il est souhaitable, en particulier pour des recherches, d'obtenir en même temps toutes les grandeurs de mesure déterminantes. On sait que, dans un procédé se déroulant dynamiquement dans le temps, les grandeurs de mesure qui sont obtenues à intervalles chronologiques, c'est-à-dire par des mesures se succédant, nuisent à la force de l'énonciation. La détermination simultanée des grandeurs de mesure sus-mentionnées n'était pas possible, jusqu'à présent, à cause des données locales et/ou de techniques de mesure. Ainsi existe, ici aussi, un besoin d'une meilleure détermination des grandeurs de mesure. L'objet de la présente invention est par conséquent de créer, avec des moyens simples, une sonde qui délivre de meilleures grandeurs de mesure, au moins en ce qui concerne la détermination de l'oxygène, et qui est appropriée, de par sa construction de base, à servir de matériau pour une sonde de mesure combinée. Cet--objet est résolu en ce que la sonde se compose d'un corps de base présentant un tronçon partant d'un épaulement en direction opposée à celle de l'extremité fichée dans un tube cartonné, à la face frontale duquel est agencée au moins une cellule électro-chimique et en ce qu'un thermo-élément conformé de façon connue est agencé dans une zone située entre l'épaulement et la face frontale. De préférence la partie du corps de base située entre l'épaulement et la face frontale se compose d'un tronçon cylindrique se raccordant à l'épaulement, ledit tronçon ayant la forme d'un tronc de cône en direction de la face frontale. Le thermo-élément peut être agencé dans un évidement en forme de gradin, s'étendant de la base du tronçon jusqu'à la face frontale. L'électrode de contact peut être conforméeen barre de graphite et est agencée dans la zone de la surface latérale inclinée du tronc de cône. De préférence la sonde comporte une cavité séparée de l'évidement, dans laquelle l'électrode de contact est agencée, et qui est séparée de l'évidement par la partie restante de la petite base du tronc de cône portant la cellule électro-chimique. Dans un mode de réalisation avantageux la sonde comporte un canal s'étendant à peu près parallèlement et excentriquement par rapport à l'axe longitudinal du corps de base, canal dont les orifices débouchent, d'un côté dans la zone du tronc de cône recouverte de la coiffe de métal, et de l'autre côté dans une face frontale du corps de base située à l'intérieur du tube de maintien par un raccord coaxial à un canal d'amenée d'une sonde d'échantillonnage divisée longitudinalement et se raccordant au corps de base. De préférence, l'orifice du canal se trouve à l'intérieur de la surface de l'évidement, jouxtant le tronçon et recevant le thermo-élément. Dans un mode de réalisation avantageux, dans la cavité est agencée une électrode de même longueur que ltélectrode de contact, et cette électrode et l'électrode de contact sont utilisées commes capteurs pour la mesure de l'état du bain. De préférence 7 le canal du corps de base présente dans la zone de l'orifice dans la partie située à l'intérieur du tube cartonné un tronçon cylindrique, de plus grand diamètre, pour recevoir un tube de raccord pour le canal d'amenée de la sonde d'échantillonnage. AvantageUsement, le canal d'amenée est pourvu d'un orifice correspondant au diamètre extérieur du tube de raccord. Les figures du dessin annexé feront mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre une sonde selon l'invention en coupe longitudinale. La figure 2 est une variante de réalisation de la sonde selon la figure 1, également en coupe longitudinale. La figure 3 montre une autre forme de réalisation de la sonde, vue de côté, dans laquelle la partie située sous la ligne A-A représente une coupe longitudinale ayant subi une rotation de 900 par rapport à la partie non coupée et La figure 4 est une vue de dessus de la sonde selon la figure 3. Sur tous les dessins, les éléments semblables portent des références identiques. La figure 1 montre la sonde selon l'invention avec le corps de base 1 en céramique d'une seule pièce. Ce corps de base 1 comporte quatre tronçons 2,3,4,5 à symétrie de révolution, les tronçons 2,3,4 ayant la forme de cylindres, qui se suivent dans l'ordre énoncé, avec à chaque fois, un diamètre supérieur. Le dernier tronçon cylindrique 5 suivant est réduit en diamètre par rapport au tronçon 4 et le passage en tronçon 4 se fait en continu. Sur le tronçon 5 se raccorde, avec la meme base, un tronçon 6 en forme de tronc de cône, qui présente unilatéralement un évidement 8 en forme de gradin, partant de la base et allant vers la face frontale 7. Dans la face frontale 7 du tronc de cône 6 est agencée la cellule 9 électro-chimique, écartée de l'électrode de contact 10. Dans l'évidement 8 en forme de gradin, un thermo-élément 11 est agencé dans la surface 8' touchant le tronçon 5. Les conducteurs de raccordement du thermo-élément 11, de la cellule électro-chimique 9 et de l'électrode de contact 10 passent à travers des canaux 12 du corps de base 1 parallèles. Les trois capteurs sus-mentionnés sont recouverts d'une coiffe métallique 13, qui est emboîtée sur le tronçon cylindrique 5. La sonde, avec les tronçons cylindriques 2,3 est enfichable dans un tube de maintien, qui est formé de deux tubes cartonnés 14',14" concentriques, s'emboitant l'un dans l'autre avec jeu. Le tube en carton 14" possède un diamètre intérieur correspondant au diamètre extérieur du tronçon 2. La face frontale libre du tronçon 3 sert de butée à ce tube cartonné. Le tube cartonné 14' est enfichable sur le tronçon 3 et le tronçon 4 conformé en anneau sert de butée. La sonde représentée sur la figure 2 correspond, dans sa structure de base, à la sonde de la figure 1. Dans la réalisation qui y est représentée, la sonde est conformée en élément d'une sonde combinée de mesure et d'échantillonnage, ainsi que son principe est illustré sur la figure 3. A cette fin, la sonde est pourvue d'un canal 15 s'étendant à peu près parallèlement et excentriquement par rapport à l'axe longitudinal du corps de base 1, canal dont les orifices débouchent, d'un côté avec la référence 16 dans la zone recouverte de la coiffe de métal 13 du tronc de cône et, de l'autre côté 16', dans une face 17 du corps de base 1 située à l'intérieur du tube de maintien 14'. Le canal 15 est conformé pour pouvoir se raccorder coaxialement au canal d'amenée d'une sonde d'échantillonnage attenante représentée sur la figure 3. Le tronçon 22 du canal 16; cylindrique et de plus grand diamètre, sert à recevoir un petit tube 23 de même diamètre intérieur (dessiné en pointillé). La figure 3 montre la construction de principe d'une sonde combinée de mesure et d'échantillonnage selon l'invention, avec une réalisation modifiée de la tête de mesure 1 pour la détermination de l'oxygène. Ici aussi, le tronçon cylindrique 3 du corps de base 1 est enfiché dans un tube de carton 14, et cela, jusqu'à la butée contre le tronçon 4 annulaire de plus grand diamètre. Un tronçon cylindrique 5 sur lequel la coiffe de métal 13 est emboitée pour protéger les capteurs 9,10,11,21 se raccorde au tronçon 4, en direction de l'extremité de mesure. L'élément 6 en forme de tronc de cône se raccordant au tronçon 5 présente, ici aussi, tout d'abord, un évidement 8. Dans la base 8' de cet évidement se raccordant au tronçon 5 est situé aussi bien l'élément thermique 11 que l'orifice 16 du canal 15.Sur le côté opposé de l'évidement 8 du tronc de cône 6 est prévue une autre cavité 20. Cette cavité 20 réduit le tronc de cône 6 jusqu'à une traverse en forme de bande avec une face frontale 7, dans laquelle la cellule électro-chimique 9 est agencée. Dans la cavité 20 est agencée l'électrode de contact 10. L'électrode de contact peut, dans ce cas, être formée d'une simple barre de graphite. La cavité 20 est dimensionnée de sorte qu'elle peut recevoir une autre électrode 21 en graphite. Les extrêmités libres des deux électrodes sont agencées à menine hauteur. En branchant de façon adéquate l'électrode de contact pour la détermination de l'oxygène, les deux électrodes 21 et 10 peuvent être utilisées comme capteurs pour une mesure de l'état du bain dans un récipient de fusion.Pour une meilleure compréhension de la construction d'ensemble, on a, à partir du tronçon 4, selon la ligne A-A, représenté la sonde en coupe et on l'a dessinée, ayant subi une rotation de 900 par rapport à la tête de mesure formée par les tronçons 4,5,6. Dans la représentation physique, le canal 15 passant à travers les tronçons 6,5 et 4 se continue, dans le tronçon 3 du corps de base 1, avec le même axe et en alignement avec le canal d'arrivée 18 de la sonde d'échantillonnage 19. L'orifice 16' du canal 15 est, par ce moyen, situé à l'intérieur du tube de liaison 23 reliant les canaux 15 et 18. Le tube de liaison 23 est agencé dans les tronçons élargis 22 du canal 15 et 24 du canal 18. Le canal 18 conduit à une chambre à scories 25, et delà, par une autre conduite de liaison, à la propre chambre d'échantillonnage 27. La référence 28 se rapporte à des évents, par lesquels, l'air contenu dans tout le système d'échantillonnage peut s'échapper lors de la pénétration du métal liquide. La sonde d'échantillonnage 19 est maintenue, à son extrêmité libre, par le tube de carton intérieur 14". L'évidement 29 est prévu pour recevoir un élément de couplage pour les conducteurs venant du thermo-élément 11, de la cellule 9 électro-chimique ainsi que des électrodes 10 et 21.Le corps de base 1 est raccourci autour du tronçon pour maintenir les canaux 15,18 les plus courts possible et éviter des pertes de chaleur inutiles lors de l'arrivée de la masse en fusion. Enfin, pour déterminer la teneur en carbone, de façon connue, un autre élément thermique 30 peut être introduit dans la chambre de mélange 25. La figure 4 montre en vue de dessus le tube cartonné 14', qui est en partie recouvert par le tronçon 4 du corps de base 1. Sous la coiffe de métal 13, qui n'est pas représentée ici, on a représenté l'évidement 8 avec sa surface de base 8', à l'intérieur de laquelle se trouvent le thermoélément 11 et l'orifice 16 du canal 15. En face de l'évidement 8 se trouve une autre cavité 20, qui reçoit l'électrode de référence 10. Du tronc de cône 6, il reste une bande en diagonale avec une face frontale 7, dans laquelle la cellule électro-chimique 9 est agencée. La référence 21 se rapport une électrode, qui, avec l'électrode de contact 10, par un branchement adéquat, forme une paire de capteurs pour mesurer de façon connue l'état du- bain. La sonde selon l'invention offre toute une série d'avantages. La mesure de l'oxygène dans les masses d'acier en fusion reposées par la cellule de mesure 9 et le thermo-élément 11, composé habituellement d'un tube de quartz, écartés l'un de l'autre, est fortement influencée par la réduction du dioxyde de silicium. Par la modification de l'agencement de l'électrode de contact 10, on peut substituer le graphite, matériau bon marché, au molybdène utilisé jusqu'à présent. Par le fait que les capteurs sont logés dans les évidements du corps de base (comme représenté sur les figures 1 et 2) et sont fixés par un ciment adéquat, on obtient une utilisation multiple d'un corps de base unitaire, pouvant remplir une ou plusieurs fonctions désirées. Ainsi, il est possible de fabriquer, dans le cadre de l'invention1 par exemple uniquement pour la détermination d'oxygène, le corps de base comme celui représenté sur la figure 3, et d'obturer les ouvertures inutiles pour les autres fonctions par un bouchon de céramique et/ou de ciment lors du montage des capteurs indispensables. Ainsi pour la première fois, il est possible d'obtenir en mme temps la teneur en oxygène, la température de la masse en fusion, la teneur en carbone et l'état du bain et de prélever un échantillon de la masse en fusion pour l'analyser. La mesure de l'état du bain est importante, compte-tenu de l'installation des conditions de soufflage pour des convertisseurs soufflants (distance de la lance de soufflage par rapport à la surface du bain). D'autres avantages, comme par exemple l'utilisation d'une seule lame plongeante pour toutes les mesures, sont l'évidence même. La sonde conforme à l'invention n'est pas seulement appropriée pour être utilisée pour le contrôle de grandeurs de mesure de coulées d'acier dans des poches de coulée, mais aussi pour le contrôle de grandeurs de mesure dans des convertisseùrs soufflants. REVENDICATIONS 1 - Sonde pour déterminer la teneur en oxygène actif dans des masses métalliques en fusion, en particulier des masses d'acier en fusion reposées, qui comporte un corps de base en céramique avec un épaulement jusqu'auquel la sonde est enfichable dans un tube de maintien et pourvu de capteurs, composés d'un thermo-élément, d'une électrode de contact et d'une cellule électro-chimique, les capteurs étant recouverts d'une coiffe de protection métallique qui est emboîtée sur le corps de base, caractérisée en ce que le corps de base (1) présente un tronçon (5) partant de l'épaulement en direction opposée à celle de ltextrêmité fichée dans le tube cartonné (14'), à la face frontale (7) duquel est agencée au moins la cellule électro-chimique (9) et en ce qu'un thermo-élément (11) conformé de façon connue est agencé dans une zone située entre l'épaulement (4) et la face frontale (7). 2 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie du corps de base (1) située entre l'épaulement (4) et la face frontale (7) se compose d'un tronçon (5) cylindrique se raccordant à l'épaulement (4), ledit tronçon ayant la forme d'un tronc de cône (6), en direction de la face frontale (7). 3 - Sonde selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le thermo-élément (11) est agencé dans un évidement (8) en forme de gradin, s'étendant de la base du tronçon (5) jusqu'à la face frontale (7). 4 - Sonde selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'électrode de contact (10) est conformée en barre de graphite et est agencée dans la zone de la surface latérale inclinée du tronc de cône (6). 5 - Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte une cavité (20), séparée de l'évidement (8), dans laquelle l'électrode de contact (10) est agencée, et qui est séparée de l'évidement (8) par la partie restante de la petite base du tronc de cône (6) portant la cellule électro-chimique (9). 6 - Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par un canal (15) s'étendant à peu près parallèlement et excentriquement par rapport à l'axe longitudinal du corps de basé (1), canal dont les orifices (16,16') débouchent, d'un côté dans la zone du tronc de cône (6) recouverte de la coiffe de métal (13), et de l'autre côté dans une face frontale (17) du corps de base (1) située à l'intérieur du tube de maintien (14'), par un raccord coaxial à un canal d'amenée (18) d'une sonde d'échantillonnage (19) divisée longitudinalement et se raccordant au corps de base. 7 - Sonde pour rechercher la teneur en oxygène actif dans des masses d'acier en fusion reposées qui comporte un corps de base en céramique avec un épaulement jusqu'auquel la sonde est enfichable dans un tube de maintien et pourvu de capteurs, composés d'un thermo-élément, d'une électrode de contact et d'une cellule électro-chimique, les capteurs étant recouverts d'une coiffe de protection métallique, qui est emboitée sur le corps de base, caractérisée par un canal (15) s'étendant à peu près parallèlement et excentriquement par rapport à l'axe longitudinal du corps de base (1), canal dont les orifices (16,16') débouchent, d'un côté dans la zone du tronc de cône (6) recouverte de la coiffe de métal (13), et de l'autre côté dans une face frontale (17) du corps de base (1) située à l'intérieur du tube de maintien (14'), par un raccord coaxial à un canal d'amenée (18) d'une sonde d'échantillonnage (19) divisée longitudinalement et se raccordant au corps de base. 8 - Sonde selon les revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'orifice (16) du canal (15) se trouve à l'intérieur de la surface (8') de l'évidement (8)-, jouxtant le tronçon (5) et recevant le thermo-élément (11). 9 - Sonde selon les revendications 1 et 8, caractérisée en ce que dans la cavité (20) est agencée une électrode (21) de même longueur que l'électrode de contact (10) et en ce que l'électrode (21) et l'électrode de contact (10) sont utilisées comme capteurs pour la mesure de l'état du bain. 10 - Sonde selon la revendication 1 à 9, caractérisée en ce que le canal (15) du corps de base (1) présente dans la zone de l'orifice (16') dans la partie située à l'intérieur du tube cartonné (14') un tronçon (22) cylindrique, de plus grand' diamètre, pour recevoir un tube de raccord (23) pour le canal d'amenée (18) de la sonde d'échantillonnage (19). 11 - Sonde selon la revendication 10, caractérisée en ce que le canal d'amenée (18) est pourvu d'un orifice (24) correspondant au diamètre extérieur du tube de raccord (23).