Brevet FR2590021A1 — publié le 19870515

TETE MESUREUSE POUR EFFECTUER DES MESURAGES DANS DES BAINS METALLIQUES EN FUSION, ET POUR PRELEVER DES ECHANTILLONS La présente invention se rapporte à une tête mesureuse pour mesurer la température, pour déterminer la teneur en oxygène, la teneur en carbone et le niveau en hauteur de bains métalliques en fusion et/ou pour prélever des échantillons de ces bains, constituée d'un corps sensiblement cylindrique qui peut être enfilé sur l'extrémité antérieure d'un tube en carton, consiste de préférence en du sable de fonderie lié et peut être emboité sur une lance mesureurs, en établissant une liaison électrique, ladite tête présentant, à son extrémité antérieure, un perçage axial destiné à recevoir les dispositifs pour mesurer la température, la teneur en oxygène et la teneur en carbone, ainsi qu'unie cavité située derrière ce perçage et comportant un perçage radial propre à recevoir une coquille à immersion destinée à prélever des échantillons. D'après la demande de brevet européen 83 201 342.9, l'on connait une tête mesureuse pour mesurer la température, pour déterminer la teneur en oxygène, ainsi que pour prélever un échantillon présent dans une cavité de la tête mesureuse qui se raccorde à l'extrémité antérieure de la sonde et dont l'échantillon qu'elle renferme peut être prélevé, après solidification, par rupture de ladite cavité. Avec une sonde mesureuse de ce type, il n'est pas possible d'obtenir des échantillons présentant des cotes normalisées tels que ceux produits, par exemple, lorsqu'on utilise une coquille à immers ion. Le prélèvement d'échantillons relativement minces, accusant des épaisseurs de paroi différentes et pouvant être directement utilisés pour les examens nécessaires, est possible grâce au procédé décrit dans la demande de brevet français 8 318 938, selon lequel le bain métallique liquide en fusion afflue, par l'intermédiaire d'un raccord d'admission en T, dans un moule mince dont des échantillons présentant les dimensions souhaitées peuvent être prélevés après solidification. L'art antérieur englobe en outre une sonde mesureuse de température pour bains métalliques en fusion, qui est combinée d'un seul tenant à un dispositif préleveur d'échantillons et dans laquelle l'échantillon se présente également sous la forme d'un corps cylindrique dans une cavité située derrière le dispositif mesureur de température (DE-C-1773 407). Un dispositif pour déterminer la hauteur et la quantité de laitier dans des bains renfermant du laitier et un métal, dans des creusets métaliurgiques, est connu d'après la demande de brevet DE-A-1 958 224. D'après la demande de brevet français 8 403 679, l'on connaît une sonde mesureuse destinée simultanément à mesurer la température, à déterminer la teneur en carbone en établissant la température du liquidus, ainsi qu'à prélever un échantillon. Dans ce cas, les cavités prévues pour recevoir les dispositifs mesureurs et pour prélever l'échantillon sont agencées en juxtaposition dans la région antérieure de la sonde mesureuse devant présenter une section conséquemment grande. D'après le modèle d'utilité allemand 81 01 697.2, l'on connait une sonde mesureuse conçue pour prélever un échantillon et pour mesurer la température et la teneur en oxygène d'un bain métallique fondu, sonde dans laquelle l'échan- tillon se présente dans un réceptacle en deux parties disposé dans une fente, ouverte vers l'arrière, d'toe pièce frontale cylindrique. L'invention a pour objet un corps de base consistant de préférence en du sable de fonderie lié, et réalisé de telle sorte qu'il puisse être utilisé en tant que tête mesureuse pour mesurer la température, pour déterminer les teneurs respectives en oxygène et en carbone et le niveau en hauteur de bains métalliques en fusion, ainsi que pour prélever des échantillons de tels bains, tout en offrant la possibilité de regrouper d'une part dans une tête mesureuse toutes les fonctions de mesurage et de détermination, y compris le prélèvement d'échantillons et, d'autre part, de procéder à chacune des déterminations possibles, soit individuellement, soit en n'importe quelles combinaisons. Concomitamment, la possibilité doit être offerte de prélever un échantillon dans une coquille à immersion normalisée en deux parties, qui fournit par exemple des échantillons d'épaisseurs différentes. Conformément à l'invention, en se fondant sur une tête mesureuse du type décrit ci-avant, cet objet est atteint par le fait qu'une cavité de diamètre plus petit se raccorde au perçage antérieur, en formant un épaulement périphérique annulaire saillant vers l'intérieur, cette cavité présentant un canal radial qui traverse de part en part la paroi du corps et est séparé, par l'intermédiaire d'une région du corps de base, d'une cavité ouverte vers l'extrémité postérieure dudit corps et destinée à recevoir une coquille à immersion à la forme de laquelle elle est adaptée, la région séparant lesdites cavités étant munie d'un perçage radial traversant intégralement le corps et auquel se raccorde, centralement, un perçage axial qui relie ledit perçage radial à la cavité postérieure, le corps étant percé d'un passage qui, s'étendant parallèlement à l'axe médian longitudinal à proximité d'une région de paroi, part de l'extrémité postérieure de ce corps et s'achève au voisinage du perçage antérieur sans aucune communication avec lesdites cavités. Selon une autre caractéristique de l'invention, une plaque métallique incorporée dans le perçage antérieur repose sur l'épaulement annulaire saillant vers l'intérieur, plaque à laquelle sont fixés les dispositifs de mesurage de la température, de détermination de la teneur en oxygène et/ou de détermination de la teneur en carbone. En outre, l'invention prévoit que le dispositif de mesurage de la température et le dispositif de détermination de la teneur en oxygène soient situés sur la surface de la plaque métallique dirigée vers l'extrémité antérieure de la tête mesureuse et soient en saillie par rapport à l'extrémité de cette tête mesureuse, tandis que le dispositif pour déterminer la teneur en carbone est fixé de telle sorte qu'il fasse saillie dans le sens opposé par rapport à la plaque métallique et s'engage dans la cavité située derrière celle-ci. Commodément, les dispositifs pour mesurer la température et pour déterminer la teneur en carbone consistent en des thermocouples logés dans un tube de quartz configuré en U, tandis que le dispositif pour déterminer la teneur en oxygène consiste en un petit tube en oxyde de zirconium qui renferme une substance de référence et est pourvu d'un revêtement métallique. Par ailleurs, l'invention prévoit que les dispositifs pour mesurer la températu-re et pour déterminer les teneurs respectives en oxygène et en carbone soient fixés à un support en matière plastique ayant la forme d'un pont, qui est intercalé entre deux ailes en un matériau métallique s'engageant dans la cavité et fixées à la plaque métallique, le thermocouple destiné à déterminer la teneur en carbone pénétrant, à travers une ouverture ménagée dans la plaque métallique, dans la cavité située derrière celle-ci. Conformément à l'invention, un petit tube en céramique ou en quartz, ouvert aux deux extrémités et pouvant être obturé par des bouchons métalliques, peut être inséré dans le perçage ininterrompu, ce petit tube présentant un orifice central au voisinage du perçage axial débouchant dans la cavité située derrière. De préférence, la coquille à immersion comprenant deux moitiés est dotée, à son extrémité antérieure, d'un col s'adaptant dans le perçage axial. Pour pouvoir également déterminer, à l'aide d'une telle tête mesureuse, le niveau en hauteur d'un bain métallique en fusion, l'invention prévoit que cette tête mesureuse soit munie, au voisinage de la cavité antérieure, de deux canaux diamétralement opposés qui, à partir de la paroi externe, s'achèvent avant la paroi interne de la cavité antérieure en réservant une mince région de paroi ; et que des bâtonnets en un matériau électriquement conducteur, insérés dans lesdits canaux, puissent être raccordés à un dispositif mesureur par l'intermédiaire de conducteurs séparés, ces conducteurs pénétrant dans la cavité antérieure par l'intermédiaire de canaux pratiqués dans la région de paroi réservée, pour gagner ensuite l'extérieur à partir de ladite cavité, en empruntant le passage longitudinal. Le corps de base conforme à la présente invention est d'une réalisation extrêmement simple et peut être produit par des procédés classiques. Ses avantages particuliers ré- sident dans sa faculté à être conçu, sans grande complexité, en une tête mesureuse pour un grand nombre de mesurages différents. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale du corps de base la figure 2 est une coupe selon la ligne A-B de la figure 1 les figures 3 et 4 sont des coupes, correspondant respectivement aux figures 1 et 2, d'une tête mesureuse équipée de différents dispositifs mesureurs et d'un dispositif pour prélever des échantillons la figure 5 est une coupe, correspondant à la figure 3, d'une sonde mesureuse destinée à déterminer la température et la teneur en oxygène d'un bain métallique en fusion, ainsi qu'à prélever un échantillon la figure 6 est une coupe, correspondant à la figure 4, d'une sonde mesureuse destinée à mesurer la température, à déterminer la teneur en carbone et à prélever un échantillon et la figure 7 illustre une sonde mesureuse permettant de mesurer la température et d'établir le niveau en hauteur d'un bain métallique en fusion. La tête mesureuse représentée sur les figures 1 et 2 est constituée par un corps 1 sensiblement cylindrique, consistant de préférence en du sable de fonderie lié. L'extrémité antérieure, supérieure sur les dessins, présente un perçage cylindrique 2 auquel une cavité ou chambre 4 de plus petit diamètre se raccorde en formant un épaulement périphérique annulaire 3 saillant vers l'intérieur. Le diamètre du perçage ge 2 peut lui aussi, comme dans l'exemple de réalisation illustré, comporter un ou plusieurs gradins entre l'extrémité antérieure de la tête mesureuse 1 et l'épaulement annulaire 3, de sorte que le diamètre du perçage se réduit dans cette zone.La cavité 4 est en communication avec un canal radial 5 qui traverse de part en part la paroi dru corps et se prolonge, au voisinage de la paroi externe de ce corps 1, par une ouverture 6 de plus grand diamètre. Une région 7 du corps 1, se raccordant à la cavité 4,sépare cette cavité 4 d'une cavité 8 qui est ouverte vers l'extrémité postérieure dudit corps 1 et sert à recevoir une coquille à immersion, à la forme de laquelle elle est adaptée. Dans la forme de réalisation illustrée, cette cavité présente une configuration étroite, s'étendant en longueur et de section rectangulaire. La région 7 est pourvue d'un perçage radial 9 traversant intégralement le corps 1, et auquel se raccorde centralement un autre perçage 10 qui s'étend dans l'axe médian longitudinal du corps 1 et fait communiquer le perçage 9 avec la cavité postérieure 8. En outre, le corps 1 est percé d'un passage longitudinal 11 s'étendant à proximité d'une région de paroi, parallèlement à l'axe médian longitudinal. Ce passage part de l'extrémité postérieure du corps 1 et s'achève au voisinage du perçage antérieur 2, sans aucune communication avec les cavités 4 et 8. Au voisinage de la chambre 4, le corps 1 est percé de deux canaux 18 diamétralement opposés qui, à partir de la paroi externe, s'achèvent avant la paroi interne de la cavité en réservant une mince région de paroi. La fonction de ces canaux fera l'objet d'un commentaire ci-après. Les dispositifs destinés à déterminer la température, la teneur en oxygène, la teneur en carbone, ainsi qu'une coquille conçue pour prélever un échantillon de bains métal liques en fusion, peuvent être incorporés individuellement ou conjointement, selon n'importe quelles combinaisons, dans le corps de coulée ainsi réalisé. Les figures 3 et 4 montrent une tête mesureuse équipée de tous les dispositifs mentionnés ci-dessus. Une plaque métallique 12, reposant sur l'épaulement annulaire 3 saillant vers l'intérieur, est tout d'abord insérée dans l'extrémité antérieure. Sur cette plaque métallique, qui remplit également la fonction d'une plaquette de refroidissement du mé- tal en fusion affluant dans la cavité 4, sont installées deux ailes 13 s'engageant vers le haut dans ladite cavité et entre lesquelles un support 14 est coincé ou fixé d'une autre manière.Ce support, pouvant consister par exemple en une matière plastique, reçoit d'une part un thermocouple 15 situé dans un tube de quartz configuré en U et jouxté par une cellule 16 destinée à déterminer la teneur en oxygène et, d'autre part, un second tube de quartz renfermant un autre thermocouple 17 qui s'engage, à travers une ouverture pratiquée dans la plaque 12, dans la cavité 4 recouverte par cette plaque ; en revanche, le tube de quartz du thermocouple 15 et la cellule 16 font saillie par rapport à l'extré- mité antérieure de la tête mesureuse. Les ailes 13 et la plaque 12 consistent en un matériau métallique et servent simultanément à établir un contact avec le bain. A la place des deux ailes 13 assujetties à la plaque métallique, l'on peut également employer un étrier métallique configuré en U, dont la membrure reliant ses deux branches est fixée à la plaque métallique. L'ouverture 6 est obturée à l'aide d'une plaque métallique ou d'un bouchon 20. Un petit tube 19 en quartz ou en céramique est incorporé dans le perçage 9 ininterrompu, les extrémités ouvertes de ce petit tube étant obturées par un bouchon métallique respectif 21 à proximité de la paroi externe. Le petit tube présente par ailleurs, au voisinage du perçage 10, un orifice qui correspond à ce perçage et dans lequel est incorporée une pièce prisonnière 22, faisant fonction de pièce de refroidissement et munie d'une bague 23 en un moyen de désoxy dation, par exemple de l'aluminium. De l'autre côté, le per çage 10 reçoit le col 24, agissant comme un organe de refroidissement, d'une coquille à immersion 25 de réalisation classique, comprenant deux parties et dont les deux moitiés sont solidarisées au moyen d'une agrafe enclipsable 26. Un petit tube mince 27 en carton, recouvrant les perçages 9, 6 et 18, est enfilé sur la région centrale du corps 1.Comme le met notamment en évidence la figure 4, les câbles de raccordement des dispositifs mesureurs quittent la chambre for mée par le perçage 2 et gagnent l'extérieur par l'intermédiaire du passage 11 s'étendant longitudinalement dans la paroi du corps. L'extrémité postérieure de ce corps 1 est enfilée, d'une manière classique, sur un épais tube de carton non représenté sur le dessin et venant s'appliquer contre un décrochement annulaire désigné par 28. Le thermocouple 15 et la cellule 16 pour déterminer la teneur en oxygène sont recouverts d'un capuchon 29 en acier coiffé par un dôme 30 en carton,qui est lui-même surmonté par une coiffe 31 en acier. La référence 32 désigne une masse en ciment réfractaire, dont la chambre 2 est comblée afin de fixer les pièces qui s'y trouvent.Lors de l'immersion d'une sonde ainsi réalisée dans un bain métallique en fusion, le mesurage de la température de ce bain métallique est assuré au moyen du thermocouple 15, tandis que la détermination de l'oxygène a lieu à l'aide de la cellule 16. La détermination de la teneur en carbone s'opère au moyen du thermocouple 17 en établissant le point de transformation à l'appui du diagramme fer/carbone, une fois le bain d'acier en fusion parvenu dans la chambre 4 par l'intermédiaire de l'ouverture 6, après enlèvement du bouchon 20. En outre, après l'enlèvement des bouchons 21, le bain en fusion peut franchir les deux ouvertures du petit tube 19 en quartz ou en céramique et, après l'enlèvement du bouchon formé par la bague 23, il peut affluer, par l'intermédiaire de la pièce de refroidissement, dans la coquille 25 dont un échantillon du métal solidifié est prélevé de la manière classique. Un corps de base 1, réalisé de façon identique, peut éga lement être équipé de façon qu'il puisse être utilisé seulement pour mesurer la température, pour déterminer la teneur en oxygène et pour prélever un échantillon. A cette fin, comme représenté sur la figure 5, un corps 33 consistant de préférence en du sable siliceux, muni d'un thermocouple 15 et d'une cellule 16 pour déterminer la teneur en oxygène, est inséré dans le perçage antérieur. Ce corps 33 en sable siliceux s'engage jusque dans la cavité 4 qui, tout comme la chambre 2 et le canal 5, est comblée par un ciment réfractaire grâce auquel le corps 33 est fixé. La plaque 12 et les ailes 13 en métal deviennent superflues. Le reste de la réalisation de la sonde mesureuse demeure inchangé et correspond à la conception selon la figure 3.Le contact avec le bain peut être établi par une frette métallique 39 de réalisation classique, qui entoure le corps 33. Dans une sonde mesureuse réalisée conformément à la figure 5, le corps en sable siliceux peut aussi être doté seulement d'un thermocouple, de sorte qu'il peut être utilisé pour mesurer la température du bain en fusion et pour prélever un échantillon. Dans ce cas, aucun contact avec le bain n'est nécessaire. La figure 6, correspondant à la figure 4, illustre une sonde mesureuse destinée à déterminer la température et la teneur en carbone et, simultanément, à prélever un échantillon. Par rapport à la forme de réalisation illustrée sur les figures 3 et 4, ce type de réalisation est dépourvu de la cellule à oxygène ; en outre, les deux ailes 13 établissant le contact avec le bain ne sont pas nécessaires ; la fixation du support 14 pour les deux thermocouples 15 et 17 est uniquement assurée par -la masse 32 en ciment réfractaire, coulée dans le perçage antérieur et comblant la chambre 2 entre la plaque de refroidissement 12 et l'extrémité antérieure de la sonde. La sonde mesureuse conforme à la présente invention peut être employée pour les déterminations et les mesurages décrits dans les exemples de réalisation qui précèdent, également sans aucun prélèvement simultané d'échantillon. A cet effet, il est prévu de combler par un ciment réfractaire le perçage 9 ininterrompu et le perçage 10 du corps 1 en sable siliceux illustré sur les figures 1 et 2, l'utilisation du petit tube 19, de la pièce prisonnière 22 et de la coquille 25 devenant alors superflue. La figure 7 représente une variante grâce à laquelle il est possible de mesurer la température du bain métallique en fusion, avec détermination simultanée du niveau en hauteur de ce bain. A cette fin, il est nécessaire de prévoir les canaux 18 qui, dans cette forme de réalisation de l'invention, sont prolongés jusque dans la cavité 4 par un canal 34 de plus petit diamètre. Dans ces canaux 18, l'on insère des bâtonnets 35 en carbone, en molybdène, en acier ou en un autre matériau conducteur approprié, qui sont raccordés par l'intermédiaire de conducteurs séparés 37 et 38 à un instrument mesureur, lequel affiche une indication à l'instant auquel la couche de laitier sus-jacente au bain métallique conducteur est perforée par la sonde, et auquel les bâtonnets 35 entrent en contact avec ce bain. Dans l'exemple de réalisation illustré, le prélèvement simultané d'un échantillon n'est pas prévu ; tout comme les cavités 2 et 4 entourant le corps 33 en quartz, les perçages 9 et 10 sont comblés par une masse en ciment réfractaire. Comme il ressort des exemples de réalisation décrits, le corps 1 en sable de fonderie peut être équipé de telle sorte que les mesurages individuels puissent être effectués selon n'importe quelles combinaisons, avec ou sans prélèvement simultané d'échantillon. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la tête mesureuse décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Tête mesureuse pour mesurer la température, pour déterminer la teneur en oxygène, la teneur en carbone et le niveau en hauteur de bains métalliques en fusion et éventuellement, ou en variante, pour prélever des échantillons de ces bains, constituée d'un corps sensiblement cylindrique qui peut être enfilé sur l'extrémité antérieure d'un tube en carton, consiste de préférence en du sable de fonderie lié et peut être emboité sur une lance mesureuse, en établissant une liaison électrique, ladite tête présentant, à son extrémité antérieure, un perçage axial destiné à recevoir les dispositifs pour mesurer la température, la teneur en oxygène et la teneur en carbone, ainsi qu'une cavité située derrière ce perçage et comportant un perçage radial propre à recevoir une coquille à immersion destinée à prélever des échantillons, tête caractérisée par le fait qu'une cavité (4) de diamètre plus petit se raccorde au perçage antérieur (2), en formant un épaulement periphérique annulaire (3) saillant vers l'intérieur, cette cavité présentant un canal radial (5) qui traverse de part en part la paroi du corps (1) et est séparé, par l'intermédiaire d'une région (7), d'une cavité (8) ouverte vers l'extrémité postérieure du corps (1) et destinée à recevoir une coquille à immersion (25) à la forme de laquelle elle est adaptée, la région (7) séparant lesdites cavités étant munie d'un perçage radial (9) traversant intégralement ledit corps et auquel se raccorde, centralement, un perçage axial (10) qui relie ledit perçage radial (9) à la cavité postérieure (8), le corps (1) étant percé d'un passage (11) qui, s'étendant parallèlement à l'axe médian longitudinal à proximité d'une région de paroi, part de l'extrémité postérieure de ce corps et s'achève au voisinage du perçage antérieur (2), sans aucune communication avec lesdites cavités (4, 8). 2. Tête mesureuse selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'une plaque métallique (12) incorporée dans le perçage antérieur (2) repose sur l'épaulement annulaire (3) saillant vers l'intérieur, plaque à laquelle sont fixés les dispositifs (15, 16, 17) de mesurage de la température, de détermination de la teneur en oxygène et éventuellement, ou en variante, de détermination de la teneur en carbone. 3. Tête mesureuse selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le dispositif (15) pour mesurer la température et le dispositif (16) pour déterminer la teneur en oxygène sont situés sur la surface de la plaque métallique (12) dirigée vers l'extrémité antérieure de la tête mesureuse et sont en saillie par rapport à l'extrémité de cette tête mesureuse, tandis que le dispositif (17) pour déterminer la teneur en carbone est fixé de telle sorte qu'il fasse saillie dans le sens opposé par rapport à la plaque métallique (12) et s'engage dans la cavité (4) située derrière celle-ci. 4. Tête mesureuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que les dispositifs (15, 17) pour mesurer la température et pour déterminer la teneur en carbone consistent en des thermocouples logés dans un tube de quartz configuré en U. 5. Tête mesureuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le dispositif (16) pour déterminer la teneur en oxygène consiste en un petit tube en oxyde de zirconium, qui renferme une substance de référence et est pourvu d'un revêtement métallique. 6. Tête mesureuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que les dispositifs (15, 16, 17) pour mesurer la température et pour déterminer les teneurs respectives en oxygène et en carbone sont fixés à un support (14) en matière plastique ayant la forme d'un pont, qui est intercalé entre deux ailes (13) en un matériau métallique s'engageant dans la cavité (2) et fixées à la plaque métallique (12), le thermocouple (17) destiné à déterminer la teneur en carbone pénétrant, à travers une ouverture ménagée dans ladite plaque métallique (12), dans la cavité (4) située derrière celle-ci. 7. Tête mesureuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait qu'un petit tube (19) en céramique ou en quartz, ouvert aux deux extrémités et pouvant être inséré dans le perçage ininterrompu (9), présente un orifice central au voisinage du perçage axial (10) débouchant dans la cavité (8) située derrière ; et par le fait que les deux extrémités de ce petit tube (19) peuvent être obturées par des bouchons métalliques (21). 8. Tête mesureuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la coquille à immersion (25) compr.enant deux moitiés est dotée, à son extrémité antérieure, d'un col (24) s'adaptant dans le perçage axial (10). 9. Tête mesureuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait qu'elle est percée, au voisinage de la cavité antérieure, de deux canaux (18) diamétralement opposés qui, à partir de la paroi externe, s'achèvent avant la paroi interne de ladite cavité (4) en réservant une mince région de paroi. 10. Tête mesureuse selon la revendication 9, caractérisée par le fait que des bâtonnets (35) en un matériau électriquement conducteur, insérés dans les canaux (18), sont raccordés à un dispositif mesureur par l'intermédiaire de conducteurs séparés (37, 38), ces conducteurs pénétrant dans la cavité (4) par l'intermédiaire de canaux (34) pratiqués dans la région de paroi réservée, pour gagner ensuite l'exté- rieur à partir de ladite cavité, en empruntant le passage longitudinal (11).