Brevet FR2609254A1 — publié le 19880708

La présente invention concerne la métallurgie, et plus spécialement les dispositifs pour contrôler l'état d'agrégation d'un métal sur la surface d'une coquille. Ces dispositifs peuvent être utilisés comme source d'information sur l'état d'agrégation d'un métal dans les systèmes de commande automatique des opérations de fonderie. En outre, l'invention peut être utilisée pour contrôler le niveau de la matière fondue dans les groupes métallurgiques, pour mesurer la température de la surface d'une pièce coulée, pour détecter la position de l'interface scorie-métal dans la coquille lors d'une refusion sous laitier électroconducteur. L'invention est particulièrement indiquée pour contrôler l'état d'agrégation d'un métal dans la coquille lors d'une coulée horizontale continue de la fonte. On connaît un dispositif pour contrôler le niveau d'une matière en fusion contenue dans une coquille (voir, par exemple, le certificat d'auteur d'invention d'U.R.S.S. nO 689 509, cl. G 21 C 5/56, 1977). Le dispositif comporte un corps en cuivre refroidi par eau, dans lequel est monté un convertisseur de flux de chaleur. Le corps de cuivre est conçu de façon qu'il soit à la fois un conducteur de chaleur qui transmet le flux de chaleur de la surface à contrôler vers le convertisseur du flux de chaleur et remplisse la fonction d'un dispositif de refroidissement. Le niveau de la matière en fusion est contrôlé d'après le gradient du flux de chaleur à l'interface métal-scorie. Le flux de chaleur émis par le métal liquide et le flux de chaleur émis par la scorie qui surnage à la surface du métal liquide sont différents l'un de l'autre. Le point de changement des valeurs des flux de chaleur situe donc la position de l'interface scorie-métal. Toutefois, il est très difficile d'employer un tel dispositif pour contrôler la position de l'interface métalscorie ou celle de la limite séparant les divers états d'agrégation du métal. Ainsi, par exemple, dans les conditions d'une coulée horizontale continue de la fonte, lors de l'extraction de la pièce coulée à partir de la coquille, la limite entre les divers états d'agrégation du métal se déplace rapidement dans la direction du déplacement de la pièce coulée. L'inertie d'un tel dispositif, déterminée par l'allure de la transmission du flux de chaleur par le conducteur de chaleur, ne permet pas de le mettre en oeuvre pour une coulée continue de la fonte. En outre, le dispositif nécessite un refroidissement individuel et présente un encombrement considérable, ce qui entrave aussi sa mise en oeuvre. On connaît également un dispositif pour mesurer la température de la matière en fusion (voir le certificat d'auteur d'invention d'U.R.S.S. nO 1 067 373, G 01K 7/04, 1976), dispositif comportant un convertisseur de radiations et un guide de lumière fabriqué avec un matériau transparent, réfractaire et résistant à la corrosion et monté dans la coquille de façon qu'une tranche du guide de lumière soit au ras de la surface active de la douille. Dans ce dispositif, la partie immergée de l'ensemble du guide de lumière monté dans la coquille subit généralement des destructions au cours du fonctionnement, ce qui compromet la fidélité du contrôle et fait apparaître un enfoncement sur la surface de la coquille. Cet enfoncement se remplit de métal liquide, qui cristallise et provoque la formation d'une surépaisseur sur la surface de la pièce coulée. Lors du déplacement de la pièce coulée, cette surépaisseur endommage la coquille. Le dispositif le plus proche, du point de vue de la conception, du dispositif objet de l'invention est un dispositif pour détecter le front de cristallisation lors d'une coulée en continu dans un champ électromagnétique (voir, par exemple, le brevet des Etats-Unis nO 4 415 017, Cl. Int. B22 D 11/16), comportant un détecteur de rayons infrarouges, dans lequel des guides de lumière revêtant l'aspect de filaments optiques sont montés dans un inducteur. Les filaments optiques sont disposés en spirale suivant la hauteur de l'inducteur et, si besoin est, peuvent être disposés dans un ordre de succession déterminé, sur d'autres parties du moule. Le dispositif peut être utilisé pour contrôler le niveau de la matière en fusion. La position du front de cristallisation est déterminée d'après la température de la surface de la pièce coulée et la différence de température selon la hauteur de l'inducteur à l'aide d'un processeur où arrive l'information relative à la radiation émise par la surface de la pièce coulée. Le processeur détermine la température et le gradient de température sur la surface de la pièce coulée et émet un signal de commande transmis au mécanisme de manoeuvre. Dans le dispositif connu, les guides de lumière sous forme de filaments optiques sont montés de façon qu'il y ait, entre la surface à contrôler et le guide de lumière, un milieu optique intermédiaire. Les propriétés optiques du milieu intermédiaire varient continuellement sous l'effet d'un mélange de gaz et de vapeurs émis par l'agent de refroidissement liquide, la concentration de ces gaz et vapeurs variant sans cesse dans le milieu optique intermédiaire au cours du fonctionnement. Les changements de caractéristiques optiques du milieu intermédiaire déforment les informations relatives à l'état de la surface à contrôler et compromettent toute la fiabilité de fonctionnement du dispositif. En outre, avec le dispositif connu pour contrôler le front de cristallisation, on calcule les températures de la surface de la pièce coulée. Dans les conditions des caractéristiques variables du milieu optique intermédiaire et du pouvoir rayonnant variable de la surface de la pièce coulée, il est très difficile, voire impossible dans certains cas, de déterminer la température de manière à satisfaire aux exigences modernes de la thermométrie. Suivant l'invention, le guide de lumière est monté dans la paroi de la coquille perpendiculairement à la direction de déplacement de la pièce coulée et une tranche du guide de lumière est active et disposée au ras de la surface active de la coquille, alors que l'autre, extérieure, est optiquement connectée au convertisseur de radiations. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente une vue d'ensemble du dispositif selon l'invention pour contrôler la limite entre les divers états d'agrégation du métal sur la surface de la coquille; la figure 2 représente une vue d'ensemble du dispositif selon l'invention pour contrôler la limite entre les divers états d'agrégation du métal sur la surface de la coquille, ledit dispositif étant monté dans la coquille avec une pièce d'insertion en graphite; la figure 3 représente une vue d'ensemble du dispositif selon l'invention pour contrôler la limite entre les divers états d'agrégation du métal, ledit dispositif comportant un guide de lumière flexible. Le dispositif selon l'invention pour contrôler la limite séparant les divers états d'agrégation du métal sur la surface de la coquille comporte un récepteur 1 de radiations (Fig. 1), connecté optiquement avec un guide 2 de lumière qui est, par exemple, une tige de corindon montée dans une coquille 3. Le guide 2 de lumière est positionné au ras de la surface 4 active de la coquille 3 de façon que sa tranche 5 active soit en contact avec la pièce 6 coulée ou avec la matière 7 en fusion. Un convertisseur 8 muni d'un convergent 9 et d'un récepteur 1 de radiations est monté au-dessus de la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière dans une chemise 11 de refroidissement de la coquille 3. Dans le cas où la coquille 3 est munie d'une pièce 12 d'insertion en graphite (fig. 2), le guide 2 de lumière est monté dans la pièce 12 d'insertion en graphite de façon que sa tranche 10 extérieure soit disposée dans un évidement 14 pratiqué dans la pièce 12 d'insertion en graphite. L'évidement 14 est recouvert d'une couche 15 conductrice de chaleur et impénétrable aux gaz. Dans le cas où il y a un risque d'encrassement de la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière et de la surface 16 sensible du récepteur 1 de radiations (fig. 1), le guide 2 de lumière est doté d'une portion 17 flexible (fig. 3) qui relie la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière au récepteur 1 de radiations. Le dispositif fonctionne de la manière suivante. La radiation thermique émise par la tranche 5 active du guide 2 de lumière, qui est au contact avec la matière 7 en fusion ou avec la pièce 6 coulée, est transmise par le guide 2 de lumière au convertisseur 8 de radiations. En aval du guide 2 de lumière, les radiations sont collectées par le convergent 9 et dirigées vers le récepteur 1 de radiations. Le récepteur 1 de radiations émet un signal électrique dont l'intensité est proportionnelle à la puissance des radiations incidentes. La tranche 5 active du guide 2 de lumière peut être recouverte de la matière fondue ou de la phase solide, ce qui fait qu'à la sortie du récepteur 1, on a un signal de niveau haut ou de niveau bas. En supposant que la tranche 5 du guide 2 de lumière soit recouverte par la phase solide ayant une basse température dans ce cas, à la sortie du récepteur 1, on a un signal de niveau bas. Avec le déplacement de la pièce 6 coulée par rapport à la coquille 3, la limite entre les divers états d'agrégation du métal se déplace également.Dans le cas où la tranche 5 active du guide 2 de lumière est recouverte de la matière fondue, on a à la sortie du récepteur 1 de radiations un signal de niveau haut. Il s'ensuit que, lorsque la limite entre les divers états d'agrégation du métal passe par le point de contrôle, on obtient un gradient positif du signal si la phase liquide recouvre la tranche 5 active du guide 2 de lumière après la phase solide. On obtient, au contraire, un gradient négatif du signal lorsque la phase solide recouvre le guide de lumière après la phase liquide. Au moment de l'apparition des gradients du signal de sortie provenant du convertisseur 8, la limite entre les divers états d'agrégation du métal se trouve dans la zone de la tranche 5 active du guide 2 de lumière, et ainsi de suite. La position de la limite entre les états d'agrégation du métal sur la surface de la coquille 3 est donc déterminée d'après les gradients du signal à la sortie du convertisseur 8 de radiations. La sortie du convertisseur 8 est connectée à un processeur qui traite l'information et émet un signal de commande à destination du mécanisme de manoeuvre (ils ne figurent pas dans les dessins pour des raisons de simplicité de présentation). Dans le cas où la coquille 3 a une pièce 12 d'insertion en graphite, le guide 2 de lumière, qui revêt la forme d'une tige de corindon, est monté dans la paroi de la pièce 12 d'insertion. La tranche 5 active du guide 2 de lumière se trouve au ras de la surface active de la pièce 12 d'insertion, alors que la tranche 10 extérieure est disposée dans un évidement 14 de la pièce 12 d'insertion en graphite. Un tel agencement du dispositif écarte les risques de destruction de la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière lors de l'assemblage de la coquille et du fonctionnement du dispositif. La surface de la pièce 12 d'insertion n'a pas de contact avec la surface de refroidissement de la coquille 3 dans la zone de l'évidement 14, ainsi la température dans cette zone est plus haute que dans les autres zones. La radiation émise par la surface de l'évidement 14, tout comme celle transmise par le guide 2 de lumière, arrive au récepteur 1 du convertisseur 8, de sorte qu'à la sortie du récepteur 1 apparaît un signal aléatoire qui perturbe le fonctionnement du dispositif. Pour remédier à cet inconvénient, l'évidement 14 est recouvert d'une couche conductrice de chaleur et imperméable aux gaz.La couche 15 se trouve en contact avec la surface de refroidissement et la coquille 3 et, grace à sa conductibilité thermique, a une température inférieure à celle de la surface de la pièce 12 d'insertion, d'où une diminution de l'intensité de la radiation perturbatrice. En outre, la couche 15, étant imperméable aux gaz, interdit leur pénétration depuis la pièce 12 d'insertion dans l'enceinte du convertisseur 8, en prévenant ainsi des pertes de radiation. Le convergent 9 assure la transmission de la radiation acheminée par le guide 2 de lumière au récepteur 1 de radiations. Pour réduire les pertes de radiation dues à l'absorption, la surface intérieure du convergent 9 est formée par un miroir de réflexion. Le convertisseur 8 est monté dans la coquille 3 au-dessus de la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière de façon que ses axes géométriques coïncident avec ceux du guide 2 de lumière. Une telle disposition du convertisseur 8 assure le refroidissement du récepteur 1 de radiations et un régime thermique normal de son fonctionnement. Lors du fonctionnement de la coquille 3 avec une pièce 12 d'insertion en graphite dans les conditions d'une extraction périodique de la pièce 6 coulée, la pièce 12 d'insertion se déplace par rapport à la coquille 3. Ce déplacement est dû à plusieurs facteurs, notamment à l'influence exercée par les dilatations thermiques, les contraintes mécaniques, etc., qui apparaissent lors du déplacement de la pièce 6 coulée. Ce déplacement n'excède pasen général 10 mm. Dans ces conditions, il est nécessaire que la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière soit toujours recouverte par la base du convergent 9 du convertisseur 8. Pour cette raison, le diamètre de la base du convergent 9 est égal à la somme des valeurs du diamètre du guide 2 de lumière et du double du déplacement maximal de la pièce 12 d'insertion par rapport à la coquille 3.En cas de déplacement de la pièce 12 d'insertion, la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière ne dépasse pas hors des limites de la base du convergent 9 et la radiation émise par la tranche 5 active est transmise au récepteur 1 du convertisseur 8. On évite ainsi les faux gradients du signal à la sortie du convertisseur 8, dûs au déplacement de la pièce 12 d'insertion par rapport à la coquille 3. Au cours du déplacement de la pièce 6 coulée par rapport à la coquille 3, sa surface agit sur le tranche 5 ative du guide 2 de lumière. Si la dureté du matériau du guide 2 de lumière est inférieure à celle du matériau de la pièce 6 coulée, sa tranche 5 active subit des destructions, d'où l'apparition de surépaisseurs sur la pièce 6 coulée ainsi que l'endommagement de la coquille 3 ou de la pièce 12 d'insertion en graphite. Pour remédier à cet inconvénient, il est nécessaire que la dureté du matériau du guide 2 de lumière soit supérieure à celle du matériau de la pièce 6 coulée. Ce sont les monocristaux de synthèse qui satisfont au mieux aux exigences présentées, tels les monocristaux de leucosaphir ou de rubis, avec lesquels on peut fabriquer les guides de lumière. Si besoin est, on peut accroître la fiabilité de fonctionnement du dispositif.Pour ce faire, on raccorde la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière avec le récepteur 1 d radiations par un guide 17 de lumière flexible (fig. 3). Une elle conception exclut l'encrassement de la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière et de la surface sensible 16 du récepteur 1, car elles sont recouvertes par les tranches 18 et 19 du guide 17 de lumière flexible. Lors du déplacement de la pièce 12 d'insertion par rapport à la coquille 3, la tranche 10 extérieure du guide 2 de lumière se déplace dans une direction perpendiculaire à l'axe géométrique oo du convertisseur 8, sur lequel se trouve le récepteur 1 de radiations. En position initiale, le guide 2 de lumière se trouve, lui aussi, sur ledit axe et la distance entre sa tranche 10 extérieure et le récepteur 1 de radiations est égale à la hauteur du convergent 9 du convertisseur 8. A la suite du déplacement de la pièce 12 d'insertion, la distance entre la tranche 10 du guide 2 de lumière et le récepteur 1 de radiations augmentera. C'est pourquoi, pour assurer un bon fonctionnement du dispositif, la longueur du guide 17 de lumière doit entre choisie de façon à éviter la destruction du guide 17 de lumière lors du déplacement de la pièce 12 d'insertion par rapport à la coquille 3. Dans le dispositif, pour contrôler la limite entre les divers états d'agrégation du métal sur la surface de la coquille d'une installation de coulée continue de la fonte, le guide 2 de lumière peut être fabriqué avec du corindon de synthèse, et le convertisseur 8 et la couche 15 conductrice de chaleur sur la surface de l'évidement 14, avec du cuivre, alors qu'en tant que récepteur 1 de radiations on peut utiliser une photo-diode en germanium. Si besoin est, pour contrôler plus rigoureusement la position de la limite entre les divers états d'agrégation sur la surface de la coquille, on peut monter plusieurs dispositifs de ce genre dans des endroits appropriés. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour contrôler l'état d'agrégation du métal sur la surface de la coquille comportant au moins un convertisseur (8) de radiations, connectés par l'intermédiaire d'un guide (2) de lumière approprié à une surface qui émet des radiations, ledit dispositif étant caractérisé par le fait que le guide (2) de lumière est monté dans la paroi de la coquille (3) perpendiculairement à la direction de déplacement de la pièce (6) coulée et qu'une tranche (5) du guide (2) de lumière est active et disposée au ras de la surface (4) active de la coquille (3), alors que l'autre, extérieure (10), est optiquement connectée au convertisseur (8) de radiations. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que dans le cas où; entre la surface (4) intérieure de la coquille (3), et la pièce (6) coulée, est intercalée une pièce (12) d'insertion, le guide (2) de lumière est monté dans la paroi de la pièce (12) d'insertion perpendiculairement à la direction de déplacement de la pièce (6) coulée et que la tranche (10) extérieure du guide (2) de lumière est disposée dans un évidement (14) pratiqué dans ladite pièce (12) d'insertion. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un convergent (9) collecteur est monté au-dessus de la tranche (10) extérieure du guide (2) de lumière. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le guide (2) de lumière est raccordé au récepteur de radiations par un guide de lumière flexible.