Brevet FR2889313A1 — publié le 20070202

PROCEDE POUR ANALYSER UN METAL LIQUIDE ET DISPOSITIF A UTILISER A CET EFFET L'invention concerne un procédé pour analyser la composition d'un bain de métal liquide et un dispositif à utiliser à cet effet. Un procédé et un dispositif de ce type sont connus par la demande de brevet l0 britannique GB 2154315A. Cette publication décrit un procédé et un dispositif pour analyser la composition d'acier en fusion. Selon le procédé décrit, une sonde qui est pourvue de moyens pour transporter un faisceau de lumière laser est placée au-dessus d'un bain d'acier liquide. La partie de l'acier atteinte par la lumière laser émet un rayonnement spécifique des éléments. Le rayonnement émis est conduit, par l'intermédiaire d'un système optique également logé dans la sonde, vers un spectromètre en vue de son analyse. Les résultats de l'analyse permettent de déduire la composition de l'acier. Ce procédé est également connu sous l'appellation LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy). Sur son côté tourné vers le bain, la sonde est munie d'un tube céramique qui protège la sonde contre un contact avec l'acier liquide et avec la scorie recouvrant l'acier liquide. Pour empêcher la pénétration d'acier liquide dans le tube céramique, on applique à l'intérieur du tube une pression de gaz au moyen d'un courant de gaz qui est introduit par un orifice d'entrée de la sonde et qui est évacué par des orifices de sortie de la sonde, présentant une section de passage limitée. Dans la présente description, on entend par lumière laser toute forme de rayonnement électromagnétique qui est produit par un laser. En outre, on entend aussi par métal un alliage composé en ordre principal d'un ou de plusieurs métaux et d'autres métaux ou non métaux. Un problème du procédé connu est que la matière atteinte par le faisceau laser à la surface du bain, telle que l'acier et des éléments d'alliage dans l'état de la technique, réagit avec le gaz ou avec des impuretés présentes de manière inévitable dans le gaz, comme l'oxygène dans le cas où le gaz est un gaz inerte. Les impuretés réagissent avec la matière et forment des composés qui à leur tour, sous l'effet de l'énergie du faisceau laser, génèrent au moins en partie un rayonnement et faussent ainsi la mesure de la composition du bain. Un autre problème est qu'il peut se former des composés présentant un point de fusion ou un point d'ébullition tellement élevé qu'ils ne fondent pas et ne se vaporisent pas, mais forment une croûte solide à l'endroit où le faisceau laser devrait arriver. Ce problème est particulièrement important avec des métaux réactifs. Lorsque la composition du bain varie, la croûte solide protège le bain contre une analyse ultérieure, de sorte que l'on ne peut pas mesurer la composition actuelle exacte du bain. Les problèmes se posent en particulier lors de mesures qui durent longtemps lorsque l'on exige une précision statistique. Un objet de la présente invention est de procurer un procédé pour analyser un métal, dans lequel la précision de mesure n'est pas influencée par des impuretés dans 15 le gaz. Un autre objet de l'invention est de procurer un procédé pour analyser un métal, qui convient également pour analyser des métaux réactifs. Encore un autre objet de l'invention est de procurer un procédé pour analyser un métal, qui convient également pour la mesure de faibles concentrations d'un élément dans un bain d'un métal ainsi que pour des mesures de longue durée. Ces objets, ainsi que d'autres, sont atteints par un procédé pour analyser la composition d'un bain contenant un métal liquide, dans lequel un faisceau laser est projeté sur la surface du bain et dans lequel au moins une partie du métal forme un échantillon qui est analysé, caractérisé en ce qu'au moins à l'endroit où le bain est atteint par le faisceau laser, les impuretés à la surface du bain sont éliminées par un balayage avec un courant de gaz de balayage. Le courant du gaz de balayage emporte des impuretés sous la forme de produits de réaction indésirables formés, jusqu'à l'extérieur de la zone de la surface où le faisceau laser atteint le bain. Des essais ont montré que l'élimination d'impuretés peut être exécutée d'une façon tellement efficace qu'il est possible de procéder à la mesure en continu, de sorte que l'on peut réaliser une mesure et une observation précises d'une composition variable du bain. Le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux dans le cas où le métal liquide est un alliage d'aluminium liquide. L'aluminium présente une affinité particulièrement grande pour l'oxygène, de sorte que même le très faible potentiel d'oxygène de 10-7 dans l'argon utilisé comme gaz de balayage est trop élevé pour pouvoir effectuer une analyse de la composition d'un bain d'aluminium, certainement dans le cas où de faibles concentrations d'éléments d'alliage ou d'impuretés doivent être déterminées. Avant la présente invention, le LIBS ne convenait également pas pour déterminer en continu ou avec une haute précision la composition d'un bain d'aluminium liquide, comme cela est nécessaire lors de la production d'alliages d'aluminium. Une autre amélioration du procédé selon l'invention est obtenue par une forme de réalisation qui est caractérisée en ce que la vitesse et la direction du courant du gaz de balayage sont choisies de telle façon que la surface du bain présente ensuite un ménisque bombé à l'endroit où il est atteint par le faisceau laser. Il est apparu qu'il est possible, par le choix de la direction dans laquelle le gaz est envoyé vers la surface ainsi que de la quantité de gaz, de favoriser la formation, le maintien et la hauteur d'un ménisque bombé. Il est particulièrement efficace d'envoyer le gaz de balayage de telle façon que le gaz de balayage soit évacué radialement sur le ménisque bombé et emporte les impuretés en direction radiale. Une forme de réalisation particulièrement efficace de l'invention est caractérisée en ce qu'un système de tube immergé, pourvu d'une face supérieure, d'une face inférieure et d'une enveloppe latérale, est placé au moins en partie dans le bain et le courant du gaz de balayage est fourni au-dessus du bain dans le système de tube immergé et est dirigé sur le bain au moins à l'endroit où le bain est atteint par le faisceau laser. Le système de tube immergé plongeant dans le bain de métal liquide crée un ménisque bombé du métal fondu à l'intérieur de l'enveloppe latérale du système de tube immergé. Des impuretés solides ou liquides qui se forment sur le ménisque, sont emportées par le courant de gaz de balayage vers une zone située hors du faisceau laser. Il est apparu que, avec une surface supérieure plane d'un bain par exemple d'aluminium fondu, il peut se former un creux de 10 mm de profondeur à l'endroit où le faisceau laser frappe la surface du bain. Les crasses qui empêchent une mesure fiable s'accumulent dans le creux. Cette forme de réalisation de l'invention permet d'éviter ce problème. Une autre forme de réalisation du procédé selon l'invention est caractérisée en ce que du gaz de balayage est évacué hors du système de tube immergé sous la surface du bain dans le système de tube immergé. En choisissant le diamètre de l'enveloppe tubulaire, la profondeur d'immersion de l'enveloppe latérale et la vitesse du courant du gaz, on peut ainsi faire en sorte que les impuretés soient évacuées vers l'extérieur du système de tube immergé. Le procédé selon l'invention est particulièrement utile dans le cas où le métal liquide est un alliage d'aluminium liquide. L'aluminium liquide est particulièrement réactif et forme, déjà pour de très faibles quantités d'oxygène provenant du gaz de balayage ou de fuites, une croûte d'oxyde d'aluminium qui fausse la mesure. Avec le procédé selon l'invention, l'oxyde d'aluminium formé est évacué par le gaz de balayage vers l'extérieur de la zone où le faisceau laser atteint la surface de l'aluminium. L'invention est également concrétisée par un dispositif à utiliser dans le procédé pour analyser la composition d'un bain contenant un métal liquide, dispositif qui comprend un système de tube immergé qui est pourvu d'une face supérieure, d'une face inférieure et d'une enveloppe latérale avec une paroi intérieure et une paroi extérieure, une source pour créer un faisceau de lumière laser, et d'un tube d'arrivée de gaz pour l'amenée de gaz de balayage vers l'intérieur du système de tube immergé, caractérisé en ce que le tube d'arrivée de gaz est pourvu d'un passage de section réduite pour augmenter au moins localement la vitesse d'écoulement du gaz dans la direction du bain et est configu:ré à l'intérieur de l'enveloppe latérale de telle façon que, pendant l'utilisation, le bain forme un ménisque bombé à l'intérieur de l'enveloppe latérale. De préférence, le tube d'arrivée de gaz à l'intérieur de l'enveloppe latérale est au moins en partie concentrique à l'enveloppe latérale. Lors de l'utilisation du dispositif, le système de tube immergé est plongé dans le bain de métal liquide, ce qui entraîne la formation d'un ménisque bombé. Il est apparu que la hauteur du ménisque bombé peut être augmentée en évacuant le gaz de balayage le long de la face inférieure du tube immergé. De préférence, le gaz de balayage est amené avec une vitesse sélectionnée dans la direction du point le plus haut du ménisque bombé. Un avantage supplémentaire est que des impuretés sont emportées par le gaz de balayage le long du ménisque. Il est apparu que, par l'impulsion que le faisceau laser exerce sur le métal fondu, des gouttes de métal fondu sautent hors du bain et se déposent notamment sur le système optique qui est utilisé pour guider le faisceau laser vers le bain et guider un éventuel rayonnement spécifique des éléments vers un appareil d'analyse, ou sur une conduite de gaz destinée à l'évacuation de l'échantillon de gaz vers un appareil d'analyse. Dans cette forme de réalisation de l'invention, on empêche également que des gouttes de métal liquide atteignent le système optique ou une conduite de l'échantillon de gaz, d'une part par un alésage plus petit, d'autre part par une vitesse accrue du gaz. Une autre amélioration dia dispositif selon l'invention est obtenue avec une forme de réalisation qui est caractérisée en ce que l'enveloppe latérale du système de tube immergé est pourvue, dans la partie pénétrant dans le bain pendant son utilisation, d'ouvertures d'échappement et/ou de fentes pratiquées dans la face inférieure de l'enveloppe latérale. De façon surprenante, il est apparu que, dans cette forme de réalisation, le ménisque est autostabilisant ou est autostabilisant dans une plus grande mesure que sans cette disposition, en d'autres termes que le ménisque est symétrique dans le tube immergé, en particulier lorsque l'enveloppe latérale présente une section transversale circulaire. Il apparaît en outre que, dans cette forme de réalisation, des fluctuations qui se produisent à la suite de l'impulsion du faisceau laser sont mieux amorties dans une forme de réalisation dans laquelle des fentes et/ou des ouvertures ont une section transversale croissante de la face intérieure de l'enveloppe latérale vers la face extérieure de celle- ci. Une autre forme de réalisation préférée du procédé selon l'invention est caractérisée en ce qu'au moins une partie de la paroi intérieure de l'enveloppe latérale du système de tube immergé est constituée d'une matière qui n'est pas mouillée par le métal liquide. Dans cette forme de réalisation, la formation et la hauteur d'un ménisque bombé sont encore favorisées. En outre, on obtient ainsi que le tube immergé présente une plus longue durée de vie grâce à une moindre attaque chimique, parce que l'enveloppe latérale vient moins en contact avec la matière. L'invention sera expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide d'une représentation schématique d'un montage de mesure convenant pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans les dessins, La Fig. 1 représente une coupe transversale schématique à travers un montage de mesure pour la mesure de la composition d'un bain selon l'invention; et 1 o La Fig. 2 est une vue de la face inférieure de l'enveloppe latérale d'un système de tube immergé à utiliser dans le procédé selon l'invention. Dans la figure 1, le repère 1 désigne une partie d'un bain de métal fondu, tel qu'un bain d'un alliage d'aluminium fondu. Dans le bain pénètre un système de tube immergé 2 qui, dans la forme de réalisation illustrée, est pourvu d'une enveloppe tubulaire 3. Un tube d'arrivée de gaz 4 est formé de façon concentrique dans l'enveloppe latérale. L'enveloppe latérale 3 et le tube d'arrivée de gaz 4 sont couplés l'un à l'autre au moyen de joints toriques 5, qui assurent également l'étanchéité au gaz. Par suite de l'immersion d'une partie de l'enveloppe latérale 3 dans le bain 1, il se crée à l'intérieur de l'enveloppe latérale un ménisque sphérique 6. De préférence, au moins une partie de la paroi intérieure de l'enveloppe latérale est constituée d'une matière non mouillable. Un faisceau laser 15, produit par une source laser non représentée, atteint le ménisque à l'endroit de la zone d'impact 7, qui est située au-dessus du foyer du faisceau laser pour éviter des problèmes de positionnement et pour éviter que du gaz se trouvant au-dessus du ménisque forme un plasma. Le tube d'arrivée de gaz 4 est pourvu d'un passage 8 avec un étranglement central 9. La direction du courant de gaz de balayage provenant d'une source de gaz non représentée est indiquée par les flèches 10, 11 et 12. En raison de l'étranglement de l'alésage, le gaz de balayage acquiert une vitesse accrue lorsqu'il franchit l'alésage. Le courant de gaz de balayage circule le long du ménisque et emporte les particules solides et éventuellement liquides dans la direction de la flèche 13, de telle façon qu'une zone d'impact propre 7 soit toujours exposée au faisceau laser. En outre, le courant de gaz favorise le maintien et l'hauteur du ménisque. La propreté de la zone d'impact 7 est en outre favorisée par la courbure descendante du ménisque. Le gaz de balayage quitte le tube immergé sous forme de bulles de gaz 14 et emporte les particules solides. La figure 2a montre une vue latérale du tube immergé; dans ce cas, du tube inférieur 3 sous la forme d'une tube cylindrique circulaire. La figure 2b est une vue de la face inférieure du tube immergé. La paroi 20 de l'enveloppe latérale 3 est pourvue de fentes crénelées 21. De préférence, la section transversale des fentes augmente de l'intérieur vers l'extérieur, comme le montre la figure 2b. De ce fait, la vitesse d'écoulement du gaz à la face intérieure du tube immergé est plus grande qu'à la face extérieure, ce qui a un effet stabilisant sur la position du ménisque et en même temps favorise le fait que le métal reste en mouvement dans le tube immergé et donne ainsi une bonne image du métal dans le bain fondu. En outre, ou en alternative, l'enveloppe latérale peut être pourvue de trous 22 qui sont immergés dans le bain lors de l'utilisation du procédé. Les fentes et les trous ont un effet de stabilisation et d'homogénéisation sur la forme du ménisque. De plus, on suppose qu'ils provoquent un écoulement supplémentaire autour de la face inférieure du tube immergé, qui contribue à ce que le métal liquide dans le tube immergé soit constamment renouvelé et donne ainsi une bonne image du métal fondu dans le reste du bain. REVENDICATIONS 1. Procédé pour analyser la composition d'un bain contenant un métal liquide, dans lequel un faisceau laser est projeté sur une surface du bain et dans lequel au moins une partie du métal forme un échantillon qui est analysé, caractérisé en ce qu'au moins à l'endroit où le bain est atteint par le faisceau laser, les impuretés à la surface du bain sont éliminées par un balayage avec un courant de gaz de balayage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse et la direction du courant du gaz de balayage sont choisies de telle façon que la surface du bain présente ensuite un ménisque bombé à l'endroit où celui-ci est atteint par le faisceau laser. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un système de tube immergé pourvu d'une face supérieure, d'une face inférieure et d'une enveloppe latérale est placé au moins en partie dans le bain et le courant du gaz de balayage est fourni au-dessus du bain dans le système de tube immergé et est dirigé sur le bain au moins à l'endroit où le bain est atteint par le faisceau laser. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que du gaz de balayage est évacué hors du système de tube immergé sous la surface du bain dans le système de tube immergé. 5 Procédé selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le métal liquide est un alliage d'aluminium liquide. 6. Dispositif à utiliser dans le procédé pour analyser la composition d'un bain contenant un métal liquide selon une ou plusieurs des revendications précédentes, dispositif qui est muni d'un système de tube immergé pourvu d'une face supérieure, d'une face inférieure et d'une enveloppe latérale avec une paroi intérieure et une paroi extérieure, une source pour produire un faisceau de lumière laser, et d'un tube d'arrivée de gaz pour l'amenée de gaz de balayage vers l'intérieur du système de tube immergé, caractérisé en ce que le tube d'amenée de gaz est pourvu d'un passage de section réduite pour augmenter au moins localement la vitesse d'écoulement du gaz de balayage dans la direction du bain et est configuré à l'intérieur de l'enveloppe latérale de telle façon que, pendant l'utilisation, le bain à l'intérieur de l'enveloppe latérale forme un ménisque bombé le long duquel le gaz de balayage s'écoule. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enveloppe latérale du système de tube immergé est pourvue, dans la partie plongeant dans le bain pendant l'utilisation, d'ouvertures d'échappement et/ou de fentes pratiquées dans la face inférieure de l'enveloppe latérale. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fentes et/ou les ouvertures présentent une section transversale croissante de la face intérieure de l'enveloppe transversale à la face extérieure de celleci. 9. Dispositif selon une ou plusieurs des revendications 6 8, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la paroi intérieure de l'enveloppe latérale du système de tube immergé est constituée d'une matière qui n'est pas mouillée par le métal liquide.