Brevet FR2606511A1 — publié le 19880513

DISPOSITIF DE MESURE DE LA TEMPERATURE DE SOLIDIFICATION D'UN BAIN DE METAL EN FUSION POUR LA DETERMINATION DE SA TENEUR EN ALLIAGE La présente invention concerne la mesure de la température de solidification d'un bain de métal en fusion pour déterminer sa teneur en alliage. En particulier, l'invention concerne une sonde à thermocouple expansible qui accélère la solidification d'un échantillon de métal ferreux en fusion pour permettre de déterminer rapidement la température du changement de phase de la formation initiale de solides à l'intérieur du métal. Cette température particulière peut alors être mise en corrélation avec la teneur en carbone ou en alliage du métal en fusion dans le bain. Un mode de réalisation de la sonde de mesure envisagée par la présente invention comprend de façon générale un corps et une structure de chambre rendus solidaires et pouvant être réalisées à partir d'un sable de moulage revêtu de résine ou d'un matériau coulable comme de la céramique. La portion de corps de cette structure moulée est positionnée pendant l'immersion dans le bain de métal en fusion, sur l'extrémité d'un tube de support creux allongé. Le corps de sonde ferme l'extrémité du tube de support creux et protège les connexions électriques s'étendant depuis la sonde à travers le tube. Une unité de thermocouple est montée sur la por rion de corps de la sonde au moyen d'un ciment réfractaire isolant. Le coude en U du thermocouple s'étend en s'éloignant du corps et aboutit dans une zone annulaire formée par la portion de chambre de la sonde. Les soudures froides du fil du thermocouple sont réalisées sur les conducteurs électriques à l'intérieur du support de montage en ciment. La connexion électrique est réalisée à partir des conducteurs situés à l'intérieur du tube de support creux, à travers le tube jusqu'à un dispositif d'enregistrement. Les parois de la portion de chambre sont munies d'une pluralité d'ouvertures à proximité de l'embase de la chambre1 contiguë à la portion de corps. Les ouvertures fournissent un passage pour l'admission du métal en fusion dans la chambre et pour l'évacuation des gaz qui sont déplacés vers l'extérieur de la sonde par le métal en fusion pénétrant dans la chambre. Les ouvertures à travers les parois de la chambre dirigent les gaz d'échappement à l'intérieur du bain en fusion plutôt qu'à travers la portion de corps et à l'intérieur du tube de protection en carton, évitant ainsi la formation de dépôt sur les équipements électriques. Un logement de refroidissement en métal est positionné à l'intérieur de la chambre entourant le coude en U du thermocouple. Le logement de refroidissement peut être maintenu en position par un ciment réfractaire ou par la formation du logement incorporé. Lors de l'immersion de la sonde dans un bain de métal en fusion et de l'entrée de l'échantillon du bain métallique dans la chambre, la structure de la sonde provoque rapidement une modification de phase initiale de l'échantillon dans la zone du thermocouple. Le thermocouple à l'intérieur de la chambre fournit rapidement la température d'entrée en solidification de l'échantillon de métal, laquelle est alors mise en corrélation avec la teneur en alliage du bain. D'autres avantages de la présente invention apparaitront à l'homme de l'art, notamment à l'examen des modes de réalisation préférés de l'invention. Un mode d'exécution actuellement préféré de l'invention va être décrit à titre d'exemple nullement limitatif avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel - la figure 1 montre une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation de l'invention - la figure 2 montre une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation en variante de l'inven- tion - la figure 3 montre un positionnement en variante d'un matériau désoxydant dans l'invention - la figure 4 montre une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation de l'invention. On va maintenant décrire l'invention plus en détail : une sonde d'immersion 10 prévue selon la présente invention montrée à la figure 1 est supportée par un tube 12 de support creux. La sonde 10 obture l'extrémité du tube 12 de support creux et définit l'extrémité d'immersion du tube 12. La sonde 10 est constituée par deux pièces rendues solidaires et comprend une portion de corps 14 et une portion de chambre 16. Cette conception solidaire peut être réalisée à partir de n'importe quel matériau coulable capable de maintenir sa structure dans l'environnement d'un bain de métal en fusion pendant une durée suffisante pour permettre la détermination de la température du début de solidification d'un échantillon du bain. La sonde 10 est de préférence réalisée à partir d'un matériau en céramique poreuse ou d'un sable de-moulage revêtu de résine. Une zone ou vide 18, ouverte, annulaire, située centralement est définie par la portion de corps 14 de la sonde 10. Un élément de thermocouple 20 est supporté au niveau de sa base à l'intérieur de la zone ouverte 18 au moyen d'un ciment réfractaire isolé 22. Le ciment 22 obture la zone 18 ouverte, annulaire et définit la paroi de fond 24 de la portion de chambre 16. Les connexions électriques à partir du thermocouple 20 sont réalisées au niveau des soudures froides 26. Les soudures froides 26 sont entourées et rendues fortement étanches par le ciment 22. Les conducteurs électriques 27 sont supportés par une pièce rapportée à insérer 28 en matière plastique, positionnée sur l'extrémité arrière de la portion de corps 14 et ils sont maintenus à l'intérieur du tube de support 12.Les conducteurs 27 sont reliés électriquement à travers le tube creux 12 jusqu'à un dispositif d'enregistrement (non représenté). La portion 16 de la sonde 10 définit une chambre en forme de coupelle annulaire. La chambre est fermée au niveau de la paroi 24 par du ciment 22 et elle est réalisée de façon à être au moins partiellement ouverte sur l'extrémité opposée ou l'extrémité supérieure de celleci. La portion de chambre 16 peut être dotée d'une pluralité d'ouvertures 30 qui sont de préférence positionnées de façon contiguë à la portion de corps 14 et de la paroi de fond 24. L'extrémité ouverte de la portion de chambre 16 s'étend en s'éloignant de la portion de corps 14 dans la direction opposée du tube 12 de support creux. Les parois intérieures de la portion de chambre 16 forment un épaulement qui supporte une plaque métallique 32 ou logement 34 de refroidissement qui obture sensiblement l'extrémité ouverte de la portion de chambre 16.Le matériau de refroidissement est de préférence un acier étiré ou un aluminium et sert de dissipateur de chaleur ou puits thermique pour le métal en fusion admis dans la chambre afin d'accélérer la solidification initiale ou le changement de phase de l'échantillon métallique. Le logement de refroidissement 34 est positionné de façon à s'opposer sensiblement au thermocouple 20 afin que la solidification de l'échantillon puisse commencer dans la zone du coude en U ou du joint chauffé du thermocouple 20. L'effet de refroidissement du logement 34 est prévu pour accélérer le changement de phase initiale de l'échantillon de métal pour que le thermocouple 20 puisse fournir une détermination précise de température de ce changement de phase. Dans des dispositifs d'immersion typiques, le front de solidification de l'échantillon de métal tend à se déplacer à l'intérieur en direction de l'extrémité fermée de la chambre. Toutefois, en positionnant le logement métallique refroidisseur 34 à l'opposé du coude en U du thermocouple 20, la solidification du métal passe devant le thermocouple en direction des ouvertures 30 dans la chambre. Ce mouvement frontal de modification de phase ou de solidification, créé par la structure de la présente invention, fait que le laitier et les gaz formés lors de l'introduction et de la désoxydation de l'échantillon à l'intérieur de la chambre s'éloignent du coude en U ou du joint chauffé du thermocouple 20 de sorte que les gaz et le laitier ne peuvent gêner la solidification dans la zone du thermocouple 20 et l'on peut effectuer un bon relevé de la température. Dans le mode de réalisation montré aux figures 1-3, le logement de refroidissement 34 comporte un tube d'entrée 41 pour l'admission du métal en fusion dans la chambre annulaire définie par la portion 16 de la sonde 10. Lors de l'immersion de la sonde 10 dans le bain, le métal en fusion est introduit dans la chambre, principalement à travers le tube d'entrée 41. Les gaz à l'intérieur de la chambre avant l'immersion et ceux créés lors de l'introduction du métal en fusion dans la chambre sont déplacés par le métal en fusion et évacués à travers les ouvertures 30 dans les parois de chambre vers l'extérieur de la sonde 10. A la figure 1, la sonde 10 est réalisée à partir d'une construction comportant deux ou plusieurs pièces qui sont assemblées pour enserrer le logement 34 et entourer le tube 41.A la figure 2, la portion de chambre 16 est obturée sur son extrémité supérieure par le logement 34 et le ciment 36, sauf le tube 41 qui sert d'entrée dans la chambre. Dans un mode de réalisation en variante de la présente invention (figure 4), la sonde 10 est munie d'une plaque de refroidissement 32 qui obture complètement l'extrémité ouverte de la portion de chambre 16 avec le ciment 36. Dans ce mode de réalisation en variante, le métal en fusion est admis dans la chambre par les ouvertures 30 dans les parois de la portion de chambre 16 et les gaz sont évacués à travers ces mêmes ouvertures 30 après admission de l'échantillon. Etant donné que les sondes d'immersion sont introduites selon un léger angle d'inclinaison, le gaz déplacé par le métal en fusion lors du remplissage de la chambre a tendance à s'échapper à travers les ouvertures 30 relativement "supérieures" tandis que le métal en fusion remplit la chambre à travers les ouvertures 30 relativement "infé- rieures".Dans tous les modes de réalisation, il est souhaitable que les gaz dans la chambre soient évacués du coude en U du thermocouple et de l'intérieur du tube de support creux ainsi que de ses connexions électriques correspondantes. L'extrémité ouverte de la portion de chambre 16 de la sonde 10 est de préférence obturée soit par le corps en sable-résine soit par le ciment 36. Dans les modes de réalisation des figures 1 et 2, le tube d'entrée 41 reste ouvert vis-à-vis de la chambre. Tous les modes de réalisation de la sonde 10 sont de préférence enfermés hermétiquement à l'aide d'une enveloppe de protection 40 qui s'adapte sur la portion de chambre 16 et sur la portion de corps 14 en fermant les ouvertures 30 et le tube d'entrée 41. L'enveloppe 40 est de façon typique en carton et protège la sonde 10 lors de l'immersion initiale à travers la couche de laitier sur le dessus du bain de métal en fusion. A l'intérieur de la chambre définie de la portion 16 est prévu un matériau de désoxydation 38 libre qui est de façon typique de l'aluminium. Le désoxydant 38 peut également être positionné à l'intérieur du tube d'entrée 41 de la manière montrée à la figure 3. Si le logement de refroidissement 34 ou la plaque de refroidissement 32 sont réalisés en aluminium, ces éléments assureront la fonction de désoxydation ainsi que la fonction de refroidissement de sorte qu'il ne sera pas nécessaire de prévoir l'élément amovible 38. Lors de l'immersion de la sonde 10 dans le bain de métal en fusion, l'enveloppe de protection 40-sera détruite par l'exposition à l'environnement du métal en fusion. Le bain pénètre dans la chambre par les ouvertures 30 et par le tube d'entrée 41 et remplit sensiblement la chambre définie. La position opposée du logement de refroidissement 34 ou de la plaque de refroidissement 32 à l'intérieur de la chambre entraîne le déplacement de la solidification ou du changement de phase du métal depuis la plaque ou logement de refroidissement vers une zone située au-delà du coude en U ou de l'extrémité du joint chauffé du thermocouple 20 permettant de mesurer rapidement et avec précision la température du changement de phase. La construction solidaire de la portion de corps 14 et de la portion de chambre 16 de la sonde 10 peut être réalisée à partir de deux ou plusieurs pièces comme cela est envisagé par le mode de réalisation montré à la figure 1, ou encore être réalisée en une construction moulée d'un seul tenant comme cela est montré aux figures 2 et 4. Il convient de noter que toute combinaison de pièces peut être envisagée pour définir le corps de sonde et les portions de chambre pour autant que la combinaison demeure reliée de façon sensiblement solidaire pendant l'immersion et le fonctionnement. En fournissant une sonde de construction solidaire, l'échantillon dans la chambre se déplace rapidement vers la modification de phase initiale ou la solidification.L'agencement spécifique de la plaque de refroidissement à l'intérieur de la structure de la sonde est tel que la chaleur extraite du métal par la plaque provoque un changement de phase initiale de l'échantillon. Il est souhaitable que le changement de phase de l'échantillon quitte la zone du thermocouple pour accélérer la détermination de température. Une autre caractéristique de la construction so- lidaire réside dans l'évacuation des gaz produits à l'intérieur de la chambre pendant la désoxydation et l'admission du métal dans la chambre. Il est souhaitable que ces gaz soient évacués et amenés dans le bain et extraits de l'intérieur du tube 12. La purge des gaz en provenance de la chambre s'effectue par les ouvertures 30 à destination de l'environnement en fusion de sorte que les connexions électriques à l'intérieur du tube 12 ne risquent pas d'être endommagées par suite de l'exposition aux gaz ou au dépôt de résines, goudrons et déchets provenant de ces gaz. La présente invention peut être mise en oeuvre sous d'autres formes spécifiques sans s'éloigner de l'esprit ou des attributs essentiels de celle-ci et, par conséquent, on se réfèrera aux revendications ci-annexées qui définissent la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Sonde (10) destinée à déterminer rapidement la température du changement de phase initiale d'un métal en fusion tandis que la sonde (10) est immergée dans le bain de métal en fusion, caractérisée en ce qu'elle comprend une portion de corps (14) et une portion de chambre (16) de construction solidaire la portion de chambre (16) définissant une chambre annulaire qui est au moins partiellement ouverte sur son extrémité opposée à la portion de corps (14) un thermocouple (20) supporté par et s'étendant depuis la portion de corps (14) jusque dans la portion de chambre (16) des moyens de refroidissement (32,34) positionnés en relation opposée par rapport au thermocouple (20) à l'extrémité opposée de la chambre annulaire définie, la portion de chambre (16) ayant une ouverture apte à admettre un échantillon du bain de métal en fusion dans la chambre annulaire définie lors de l'immersion, les moyens de refroidissement (32,34) étant aptes à provoquer le début d'une modification de phase du métal en fusion contigu au thermocouple ; et des moyens d'échappement aptes à évacuer le gaz de la chambre définie lors de l'admission de l'échantillon de métal, les moyens d'échappement dirigeant le gaz d'échappement vers l'extérieur de la portion de corps (14). 2. Sonde (10) destinée à être immergée dans un bain de métal en fusion, caractérisée en ce qu'elle comprend une portion de corps (14) une portion de chambre (16) formée solidairement dans la portion de corps (14) , la portion de chambre (16) définissant une chambre un élément de thermocouple (20) monté sur la portion de corps (14) et s'étendant dans la chambre (16) définie ; et une plaque de refroidissement (32) positionnée sensiblement à une extrémité de la chambre (16) et positionnée dans une relation opposée par rapport à l'élément de thermocouple (20) la portion de chambre (16) comportant une pluralité d'ouvertures (30) menant dans la chambre sur le côté opposé de la chambre (16) par rapport à la plaque de refroidissement (32), les ouvertures (30) assurant l'admission du métal en fusion dans la chambre (16) lors de l'immersion de la sonde (10) et l'échappement des gaz de la chambre lors de l'admission du métal, les gaz étant dirigés vers l'extérieur de la portion de corps (14) et la plaque de refroidissement (32) provoquant une modification de phase du métal admis dans la chambre (16) dans la zone contiguë au thermocouple (20). 3. Sonde (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la portion de corps (14) définit un vide ouvert (18), ce vide ouvert (18à) étant rempli d'un ciment réfractaire (22), l'élément de thermocouple (2à) étant monté dans ledit ciment (22), et ce ciment (22) définissant une paroi (24) de la chambre (16). 4. Sonde (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'extrémité allongée du thermocouple (20) est positionnée de façon équidistante entre la paroi (24) de ciment (22) et la plaque de refroidissement (32). 5. Sonde (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'extrémité prolongée du thermocouple (20) est positionnée à une distance plus rapprochée de la plaque de refroidissement (32) à l'intérieur de la chambre (16) que de la paroi (24) de ciment (22). 6. Sonde (10) selon la-revendication 2, caractérisée en ce que la plaque de refroidissement (32) comprend de plus un logement qui entoure dans une relation espacée l'extrémité prolongée du thermocouple (20) à l'intérieur de la chambre (16). 7. Sonde (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plaque de refroidissement (32) est en acier étiré. 8. Sonde (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plaque de refroidissement (32) est en aluminium. 9. Sonde (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre (16) et la portion de corps (14) sont en un matériau céramique. 10. Sonde (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre (16) et la portion de corps (14) sont en une construction moulée monobloc. 11. Sonde (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus un tube d'entrée (41) s'étendant depuis une ouverture dans la plaque de refroidissement (32) et apte à admettre le métal en fusion dans la chambre (16) lors de l'immersion de la sonde (10). 12. Sonde (10) selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus un tube d'entrée (41) s'étendant depuis une ouverture dans le logement et apte à admettre le métal en fusion dans la chambre (16) lors de l'immersion de la sonde (10). 13. Sonde (10) selon la revendication 12, caractérisée en ce que le tube d'entrée (41) est réalisé en le même matériau que le logement. 14. Sonde (10) selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus un matériau désoxydant positionné à l'intérieur du tube d'entrée (41), le matériau désoxydant servant à désoxyder le métal en fusion admis dans la chambre (16) lors de l'immersion de la sonde (10). 15. Sonde (10) d'immersion apte à être montée sur l'extrémité d'un support creux allongé pour l'immersion dans un bain de métal en fusion, la sonde (10) étant caractérisée en ce qu'elle comprend une portion de corps (14) apte à être introduite dans et à obturer l'extrémité du support creux (12) un thermocouple supporté par la portion de corps (14) et s'étendant depuis la portion de corps (14) dans la direction opposée au support creux (12) une portion de chambre (16) définissant une chambre (16) entourant le thermocouple (20), la portion de chambre (16) et la portion de corps (14) étant aptes à former solidairement la sonde (10), une pluralité d'ouvertures (30) dans la portion de chambre (16),.les ouvertures (30) étant formées de façon contiguë à la portion de corps (14) fournissant un passage depuis l'extérieur de la sonde (10) jusque dans la chambre (16) des moyens pour refroidir le métal en fusion (32,34) admis dans la chambre, les moyens de refroidissement étant positionnés sur sensiblement une extrémité de la chambre (16) et en relation opposée par rapport au thermocouple (20), les moyens de refroidissement (32,34) étant aptes à provoquer une modification de phase du métal en fusion admis dans la chambre (16) dans une direction allant depuis les moyens de refroidissement en passant devant le thermocouple (20) vers la portion de corps (14) et les ouvertures (30) dans la portion de corps (14) ; et des moyens pour l'évacuation des gaz depuis la chambre (16) lors de l'admission du métal en fusion, ces moyens dirigeant les gaz vers l'extérieur de la portion de corps et l'extérieur du support creux (12). 16. Sonde (10) d'immersion selon la revendication 15, caractérisée en ce que la portion de corps (14) et la portion de chambre (16) sont réalisées à partir d'au moins deux pièces séparées qui sont reliées solidairement pour définir la sonde (10) comportant la chambre (16), les moyens de refroidissement (32,34) étant sensiblement entourés à l'intérieur de la chambre (16) après que les pièces aient été solidairement assemblées. 17. Sonde (10) d'immersion selon la revendication 15, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement (32,34) forment un logement qui borde une portion importante de l'intérieur de la chambre (16), le logement entourant le thermocouple (20) et comportant un tube d'entrée (41) s'étendant à travers la portion de chambre (16) et fournissant un passage entre la chambre (16) et l'extérieur de la sonde (10).