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PROCEDE D'ANALYSE PAR SPECTROMETRIE
D'EMISSION OPTIQUE D'UNE SUBSTANCE EN FUSION Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique d'une substance en fusion à haute température. Elle est particulièrement dédiée à l'analyse d'un métal en fusion, comme la fonte ou l'acier, mais est aussi applicable à l'analyse de scorie, verre, lave ou autres substances liquides à haute température.
[0002] L'invention se rapporte aussi à un nouveau dispositif pour la mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique, objet de la présente invention.
Domaine d'application et état de la technique [0003] Le domaine d'application préférentiel de l'invention est l'analyse de bains constitués de métaux, de laves, de verre ou de scorie, lesdits éléments précités étant à l'état fondu, partiellement ou totalement et autres réfractaires en fusion.
[0004] Les domaines où l'on effectue l'analyse de la composition de produits fondus à haute température, c'est- à-dire à température supérieure à 300C , tels que par exemple l'acier liquide, l'aluminium liquide, le verre liquide ou bien la lave liquide, sont fort vastes. Les méthodes usuellement utilisées impliquent le prélèvement d'un échantillon, lequel subit d'abord un refroidissement
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et est ensuite soumis à diverses techniques d'analyse après ledit refroidissement partiel ou total.
[0005] Différentes techniques d'analyses peuvent être utilisées et sont choisies en fonction des éléments de la composition à identifier qualitativement ou à doser quantitativement. Ce choix est dicté par les modalités pratiques liées aux conditions opératoires comme par exemple la forme physique sous laquelle se présente l'élément à analyser (bain d'acier dans un convertisseur d'aciérie, bain de réfractaire dans un four de fusion, verre liquide dans un four ou lave dans un volcan) et le mode opératoire souhaité (l'accessibilité pratique à la substance, l'ambiance présente sur le lieu de l'analyse, la durée admissible pour obtenir le résultat de l'opération d' analyse) .
[0006] La présente description sera focalisée sur le domaine de l'analyse de masses métalliques en fusion et ce en vue de clarifier la description, sans préjudice d'application de la méthode à d'autres substances fondues à haute température.
[0007] Dans le cadre de l'analyse de métaux en fusion, la spectrométrie d'émission est la technique la plus utilisée car elle est très rapide, ne nécessite que peu de travail au niveau de la préparation des échantillons et permet de doser simultanément un grand nombre d'éléments.
[0008] Rappelons que la spectrométrie d'émission est basée sur l'excitation du matériau à analyser de manière à produire une ionisation de la matière qui le constitue. Le rayonnement émis est ensuite analysé dans un spectromètre qui décompose ce rayonnement en différentes longueurs d'ondes correspondantes aux éléments présents.
[0009] On distingue différents types de spectromètres mais les plus usuels dans les domaines
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concernés sont munis de. détecteurs a photomultiplicateurs ou de systèmes CCD (Charged Coupled Device) ou CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor). Les équipements d'analyse par spectrométrie d'émission sont soit des équipements de laboratoire soit des équipements portables destinés à l'analyse de produits solides.
[0010] L'intérêt économique des procédés d'analyse par spectrométrie est connu et d'application courante dans l'industrie car il permet de suivre, contrôler et superviser toute la chaîne de production du métal.
[0011] Dans le domaine particulier de la production d'acier, on a pu estimer qu'environ 30 millions d'analyses sont effectuées chaque année dans le monde. En outre, on assiste à un développement de laboratoires automatisés dont l'évaluation du coût est d'environ 5 millions d'euros et ce dans le cadre du contrôle d'une production d'environ 10 millions de tonnes d'acier.
[0012] Il va de soi que la contrainte de rentabilité impose que l'on recherche les méthodes les plus simples et les plus rapides donc les moins coûteuses en terme de rentabilité des procédés de fabrication.
[0013] Dans cette recherche de la productivité, plusieurs méthodes visant à doser le métal liquide en supprimant le prélèvement d'un échantillon ont été étudiées et sont actuellement en développement en laboratoire ou en essais plus ou moins avancés sur ligne pilote.
[0014] Les méthodes actuelles consistent à effectuer une excitation à distance du produit, par exemple au moyen d'un faisceau laser, le produit émet alors sous l'excitation du faisceau un rayonnement induit qui est analysé par un spectromètre d'émission, ce dernier étant localisé plus ou moins loin du produit incandescent analysé et ce selon les possibilités pratiques de mise en #uvre,
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comme par exemple les, conditions de travail dans une aciérie.
[0015] Le rayonnement issu du produit analysé peut être conduit vers le spectromètre de différentes manières telles que par fibre optique, par un télescope, etc.
[0016] La figure 1 illustre ces procédés en développement ou au stade de pilote industriel.
[0017] Sur cette figure 1, on distingue le métal 1 ou toute substance solide ou liquide à analyser, compris dans un récipient 7, le dispositif laser 2 dont le faisceau 3 frappe le métal 1, y provoque un échauffement tel qu'un rayonnement 4 en est émis, ledit rayonnement 4 étant au moins partiellement conduit vers un spectromètre 5 qui est relié à différents moyens 6 permettant d'interpréter l'information contenue dans le rayonnement 4 en vue d'en obtenir l'analyse du métal 1.
[0018] La figure 2 illustre une procédure alternative pouvant être mise en #uvre lors de l'analyse d'un bain métallique en fusion.
[0019] On distingue sur la figure 2, la substance 1 à analyser qui est le bain métallique contenu dans un récipient 7, un spectromètre 8 CCD qui est mis en contact avec le bain métallique 1, ledit spectromètre 8 étant après un certain temps détruit par fusion dans le bain 1 analysé.
Le spectromètre 8 précité est pourvu d'un détecteur de rayonnement, ledit rayonnement étant éventuellement préalablement séparé en différentes composantes par un réseau ou un cristal. Le détecteur précité peut être du type CCD ou équivalent et doté d'un système émetteur qui transmet les données fournies par le détecteur vers une antenne 10 pour un traitement ultérieur d'analyse et/ou d'exploitation dans un moyen approprié 6.
[0020] La mise en #uvre du dispositif illustré sur la figure 2, consiste à induire dans le bain métallique 1 à
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analyser une excitation, via le moyen d'excitation 2, en général un laser émettant le faisceau 3 qui frappe le bain métallique 1 en un endroit proche du spectromètre 8 de manière à ce que ce dernier capte et analyse le rayonnement issu du bain 1 induit par le faisceau 3 issu du laser d'excitation 2. Le résultat de l'opération d'analyse du spectromètre 8 est transmis par un moyen 9 (par exemple sous forme d'onde par voie hertzienne ou par câble) vers un moyen de captage 10, ce dernier étant éventuellement apte à stocker l'information ou à la transmettre vers une unité 6 permettant d'interpréter l'analyse du rayonnement induit en vue de déterminer la composition chimique du bain métallique.
Il va de soi que toute l'opération d'analyse et de transmission est effectuée avant destruction par fusion dudit spectromètre 8.
[0021] On notera aussi que des développements sont en cours pour miniaturiser et simplifier les spectromètres utilisant un détecteur du type CCD ce qui devrait à terme donner à ce type d'équipement un caractère de capteur à usage unique ou consommable, d'un coût suffisamment faible pour une utilisation industrielle rentable au niveau coût de production.
[0022] Les différentes technologies précitées, tant celles déjà utilisées en production industrielle que celles en développements, sont toutes tributaires d'un élément extérieur à l'objet de l'analyse pour créer l'excitation qui génère le rayonnement analysé par spectrométrie.
[0023] A l'heure actuelle, cela implique souvent l'utilisation d'un système laser, lequel est placé a proximité de l'objet de l'analyse, par exemple le bain métallique sis dans un convertisseur. En plus, ledit système laser implique aussi différents équipements de visées permettant de diriger le faisceau laser.
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[0024] En pratique de production industrielle, on constate que les conditions ambiantes autour des postes de production des métaux liquides, comme les aciéries, et par analogie pour l'analyse de laves autour des volcans, sont fort agressives vis-à-vis des appareillages utilisés dans leur contrôle, les systèmes optiques étant plus particulièrement fragiles dans le contexte précité. Il en découle que l'utilisation de l'équipement laser précité est source de problèmes techniques et rend souvent aléatoire et fort malaisée tout développement en vue d'une application industrielle large et intensive des méthodes d'analyse par spectrométrie mettant en #uvre une excitation via des moyens impliquant un rayonnement issu de lasers.
But de l'invention [0025] Le procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique d'une substance en fusion, objet de la présente invention, plus particulièrement dédié à l'analyse d'un métal en fusion, comme la fonte ou l'acier, mais qui est aussi applicable à l'analyse de scorie, verre, lave ou autres éléments liquides à haute température, ne nécessite pas la présence de systèmes (lasers ou autre) extérieurs en vue de provoquer l'excitation de la matière constitutive de l'objet à analyser. La méthode de l'invention permet de simplifier les installations d'analyse par spectrométrie et d'abaisser les coûts économiques y liés.
Présentation de l'invention [0026] Conformément à la présente invention, un procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique d'une substance en fusion, particulièrement dédié à l'analyse d'un métal en fusion, comme la fonte ou l'acier, mais qui est aussi applicable à l'analyse de scorie, verre, lave ou autres éléments liquides considérés à une
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température supérieure- à 300 C, préférentiellement supérieure à 500C , dans lequel on utilise un élément appelé "élément sensible", lequel comprend au moins un spectromètre d'émission,
est essentiellement caractérisé - en ce qu'on utilise un élément sensible comprenant au moins un moyen pour provoquer l'excitation de la substance à analyser et permettre de générer totalement ou partiellement un rayonnement qui sera analysé par un spectromètre présent dans l'élément sensible, - en ce qu'on met l'élément sensible précité en contact avec la substance en fusion à analyser, - en ce qu'on capte une information, appelée signal d'analyse, émise par l'élément sensible entre le moment de sa mise en contact avec la substance en fusion à analyser et sa destruction par fusion dans ladite substance, et en ce que l'information transmise comprend des éléments d'analyse fournis par un spectromètre présent dans l'élément sensible, - et en ce qu'on déduit du signal d'analyse transmis, directement à la lecture ou après traitement,
la composition chimique, au moins partielle, en éléments de la substance à analyser.
[0027] Vu que l'élément sensible utilisé dans la méthode précitée pour effectuer l'analyse inclut aussi bien un spectromètre d'émission qu'un moyen pour opérer l'excitation de la substance analysée et générer une partie ou la totalité du rayonnement analysé par le spectromètre présent, son emploi apporte une solution aux problèmes liés à l'utilisation d'un moyen d'excitation extérieur, tel un laser, qui doit être placé près de la substance à analyser.
[0028] La méthode consiste donc à mettre en #uvre un système d'auto-excitation de la matière à analyser de façon à émettre un spectre d'émission analysable par un
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spectromètre in situ, c'est-à-dire un spectromètre présent dans l'élément mis en contact avec la substance en fusion à analyser. Ces systèmes d'auto-excitation, dits embarqués, sont intégrés dans un élément sensible qui est un capteur à usage unique ou consommable.
[0029] Suivant une modalité de mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique, objet de la présente invention, on applique une technique de modulation pour tenir compte des conditions pratiques opératoires, comme par exemple ce qu'on appelle en mesure et contrôle une mesure du rayonnement de fond. De préférence, on procède au moins à une mesure du spectre émis par la substance à analyser sans excitation de celleci. Le spectre du rayonnement de fond ainsi obtenu est alors soustrait au spectre relevé par l'élément sensible après excitation de la substance à analyser. Sur base du résultat de cette opération, un signal d'analyse indépendant du rayonnement de fond est émis par l'élément sensible.
[0030] Suivant une autre modalité de mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique, objet de la présente invention, on procède avant d'effectuer l'opération d'excitation de la substance à analyser à au moins une mesure de température de la substance analysée pour corriger le signal émis par l'élément sensible. Il s'agit de tenir compte d'éventuelles variations (longueur d'onde, amplitude, largeur) des raies d'émission caractéristiques de la matière après excitation de la substance analysée en fonction de la température.
[0031] Suivant encore une autre modalité de mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique, objet de la présente invention, on procède à au moins une mesure de la position spatiale de l'endroit analysé afin d'en évaluer la pertinence de son choix pour
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une mesure. Cela consiste à s'assurer que celui-ci n'est pas situé, par exemple, à un endroit de moindre intérêt tels que les bords de la cuve ou proche d'une surface oxydée. L'analyse de la substance située à ces endroits risque de ne pas être représentative de la substance à analyser contenue dans la cuve.
[0032] Suivant une modalité de mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique, objet de la présente invention, au moins un moyen pour opérer l'excitation est de type électrique, préférentiellement ledit moyen comprend au moins un condensateur chargé équipé d'un système de rupteur, éventuellement alimenté par une pile et pouvant produire un nombre de décharges compris entre 1 et 2000 décharges, chaque décharge ayant une durée d'au moins lOnsec (nanoseconde) et une intensité d'au moins 0,01 Ampère.
[0033] Suivant une autre modalité de mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique, objet de la présente invention, au moins un moyen pour opérer l'excitation est de type chimique, préférentiellement comportant une quantité, de préférence moins de 1 000 ml, de liquide qui est mise en contact avec la substance en fusion à analyser de manière à produire une réaction chimique de haute énergie produisant l'excitation de la matière à analyser et générer un rayonnement analysé par un spectromètre présent dans l'élément sensible, préférentiellement la réaction chimique du type explosive.
[0034] Suivant encore une autre modalité de mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique, objet de la présente invention, le moyen pour opérer l'excitation comprend un conteneur du liquide servant à l'excitation par réaction chimique qui a pour objet de moduler la durée temporelle de la mise en contact de la substance à analyser et du moyen d'excitation
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présent, éventuellement, en gérant la détérioration et ensuite la destruction d'un ou de plusieurs composants du spectromètre présent in situ et servant à l'analyse du rayonnement.
[0035] Dans le cas précité, cela consiste en l'utilisation comme moyen d'excitation un conteneur, ce dernier est muni d'un dispositif appelé soupape d'explosion, constitué en un métal ou en un alliage métallique dont la température de fusion est supérieure d'au moins 10 C à celle du métal à analyser ; exemple dans le cas d'analyse d'aciers ULC, on peut utiliser un acier dopé au tungstène comme soupape.
[0036] Suivant une modalité préférentielle de mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission optique, objet de la présente invention, dans laquelle la substance à analyser est un métal liquide, le moyen pour opérer l'excitation est de type chimique et met en #uvre un liquide, préférentiellement de l'eau, de préférence le volume minimum de liquide mis en #uvre est de O,Olml.
[0037] La présente invention a aussi trait à un dispositif pour la mise en #uvre du procédé de l'invention.
[0038] Le dispositif pour la mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission, objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce que l'élément sensible qui est mis en contact avec la substance en fusion à analyser comprend une partie formant une enveloppe, laquelle englobe au moins en partie l'élément sensible précité, de préférence ladite enveloppe est constituée en un matériau intumescent, préférentiellement de la vermiculite.
[0039] Suivant une modalité de réalisation du dispositif pour la mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission, objet de la présente invention, l'enveloppe précitée est conçue au niveau de sa géométrie
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de manière à retarder la destruction par fusion de l'élément sensible, préférentiellement la géométrie favorise la mise en contact de la partie sensible du spectromètre avec la substance en fusion à analyser, préférentiellement un métal en fusion.
[0040] Suivant une autre modalité de réalisation du dispositif pour la mise en #uvre du procédé d'analyse par spectrométrie d'émission, objet de la présente invention, l'élément mis en contact avec le métal en fusion à analyser est compris dans une enceinte dont l'atmosphère intérieure est contrôlée, celle-ci est formée d'un gaz ou un mélange de gaz, préférentiellement elle comprend de l'azote et/ou de l'argon, ou est mise sous vide, préférentiellement à une pression d'au moins de 10-1 mm Hg à 10% près dans le cas du vide.
Description d'une forme d'exécution de l'invention [0041] L'innovation apportée dans le cadre de la présente invention simplifie le mode opératoire mis en #uvre pour analyser par spectrométrie d'émission optique la composition d'un bain métallique.
[0042] La figure 3 illustre une modalité préférentielle de mise en #uvre du procédé, objet de l'invention.
[0043] Pour analyser le bain métallique 1 contenu dans le récipient 7, préférentiellement un convertisseur, une poche d'aciérie ou un four de fusion et/ou de réduction, on y introduit un élément sensible 11 comprenant suivant l'invention au moins un spectromètre et un système d'auto-excitation du métal constitutif du bain 1 à analyser. On déclenche l'excitation de manière manuelle, automatique ou autre quand l'élément est en contact avec le bain 1 à analyser et on capte via l'antenne 10 un signal 9 issu de l'élément 11, ledit signal pouvant être traité par
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un moyen 6 d'interprétation des résultats des mesures opérées par un spectromètre sis dans l'élément 11.
[0044] Il en résulte une simplification des installations de par la suppression de tout système d'excitation extérieur à l'élément sensible introduit au contact du métal liquide. Ne subsistent que les moyens d'introduction de l'élément sensible dans le bain métallique et des moyens de récupération des données issues de l'élément sensible par voie hertzienne ou physique telle une liaison par câble.
[0045] Les domaines industriels dans lesquels il est possible de mettre en #uvre la présente méthode d'analyse par spectrométrie d'émission sont fort nombreux et ne se limitent pas uniquement aux traitements en aciérie mais peuvent aussi servir pour le suivi par analyse de leur composition pour d'autres bains métallurgiques, éventuellement des bains servant au dépôt de métal comme c'est le cas en galvanisation. Un gain de productivité important peut être escompté puisqu'à aucun moment il n'y a interruption, donc perte de temps, du processus industriel de production pour réaliser l'analyse par spectrométrie d'émission optique.
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METHOD OF SPECTROMETRY ANALYSIS
FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method of analysis by optical emission spectrometry of a molten substance at high temperature. It is particularly dedicated to the analysis of a molten metal, such as cast iron or steel, but is also applicable to the analysis of slag, glass, lava or other high temperature liquid substances.
The invention also relates to a new device for implementing the analysis method by optical emission spectrometry, object of the present invention.
Field of application and state of the art [0003] The preferred field of application of the invention is the analysis of baths consisting of metals, lava, glass or slag, said elements being in the molten state , partially or totally and other refractory melt.
The areas where the analysis of the composition of molten products is carried out at high temperature, that is to say at a temperature greater than 300 ° C., such as, for example, liquid steel, liquid aluminum, the liquid glass or the liquid lava are very large. The methods usually used involve taking a sample, which first undergoes cooling
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and is then subjected to various analysis techniques after said partial or total cooling.
Different analysis techniques may be used and are chosen according to the elements of the composition to be identified qualitatively or to quantitatively assay. This choice is dictated by the practical conditions related to the operating conditions such as the physical form in which the element to be analyzed (steel bath in a steel mill converter, refractory bath in a melting furnace, liquid glass in a furnace or lava in a volcano) and the desired operating mode (the practical accessibility to the substance, the atmosphere present at the place of analysis, the permissible duration to obtain the result of the analysis operation) .
The present description will be focused on the field of the analysis of molten metal masses in order to clarify the description, without prejudice to the application of the method to other melted substances at high temperature.
In the context of the analysis of molten metals, emission spectrometry is the most used technique because it is very fast, requires little work in sample preparation and allows for simultaneous dosing. a lot of elements.
Remember that the emission spectrometry is based on the excitation of the material to be analyzed so as to produce an ionization of the material that constitutes it. The emitted radiation is then analyzed in a spectrometer which breaks down this radiation into different wavelengths corresponding to the elements present.
[0009] There are different types of spectrometers but the most common in the fields
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concerned are provided with. photomultiplier detectors or CCD (Charged Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) systems. Emission spectrometric analysis equipment is either laboratory equipment or portable equipment for the analysis of solid products.
The economic value of spectrometric analysis methods is known and common application in the industry because it allows to monitor, control and supervise the entire metal production chain.
In the particular field of steel production, it has been estimated that about 30 million analyzes are performed each year in the world. In addition, we are witnessing the development of automated laboratories with a cost estimate of around € 5 million, as part of the control of a production of about 10 million tons of steel.
It goes without saying that the profitability constraint requires that we seek the simplest and fastest methods so the least expensive in terms of cost-effectiveness of manufacturing processes.
In this research of productivity, several methods for assaying the liquid metal by removing the sample from a sample have been studied and are currently under development in the laboratory or in more or less advanced tests on a pilot line.
Current methods consist in performing a remote excitation of the product, for example by means of a laser beam, the product then emits under the excitation of the beam an induced radiation which is analyzed by an emission spectrometer, this the latter being located more or less far from the incandescent product analyzed and this according to the practical possibilities of implementation,
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as for example the conditions of work in a steel mill.
The radiation from the analyzed product can be conducted to the spectrometer in different ways such as optical fiber, a telescope, etc.
Figure 1 illustrates these processes in development or industrial pilot stage.
In this Figure 1, there is the metal 1 or any solid or liquid analyte, included in a container 7, the laser device 2 whose beam 3 strikes the metal 1, causing a heating such as radiation 4 is emitted, said radiation 4 being at least partially led to a spectrometer 5 which is connected to different means 6 for interpreting the information contained in the radiation 4 in order to obtain the analysis of the metal 1.
[0018] Figure 2 illustrates an alternative procedure that can be implemented during the analysis of a molten metal bath.
FIG. 2 shows the substance 1 to be analyzed which is the metal bath contained in a container 7, a CCD spectrometer 8 which is brought into contact with the metal bath 1, said spectrometer 8 being after a certain time destroyed. by melting in the bath 1 analyzed.
The aforementioned spectrometer 8 is provided with a radiation detector, said radiation possibly being separated into different components by a network or a crystal. The aforementioned detector may be of the CCD or equivalent type and provided with an emitter system which transmits the data supplied by the detector to an antenna 10 for further analysis and / or exploitation processing in an appropriate means 6.
The implementation of the device illustrated in Figure 2, is to induce in the metal bath 1 to
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analyzing an excitation, via the excitation means 2, in general a laser emitting the beam 3 which strikes the metal bath 1 at a location close to the spectrometer 8 so that the latter captures and analyzes the radiation from the induced bath 1 by the beam 3 coming from the excitation laser 2. The result of the analysis operation of the spectrometer 8 is transmitted by a means 9 (for example in the form of a wave by radio relay or by cable) to a sensing means 10, the latter possibly being able to store the information or to transmit it to a unit 6 making it possible to interpret the analysis of the induced radiation in order to determine the chemical composition of the metal bath.
It goes without saying that the entire analysis and transmission operation is performed before the fusion destruction of said spectrometer 8.
It will also be noted that developments are underway to miniaturize and simplify the spectrometers using a CCD-type detector which should eventually give this type of equipment a disposable sensor character or consumable, a cost low enough for profitable industrial use at the cost of production.
The various technologies mentioned above, both those already used in industrial production and those in development, are all dependent on an element external to the object of the analysis to create the excitation that generates the radiation analyzed by spectrometry.
At present, this often involves the use of a laser system, which is placed near the object of the analysis, for example the metal bath located in a converter. In addition, said laser system also involves different targeting equipment for directing the laser beam.
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In industrial production practice, it is found that the ambient conditions around liquid metal production stations, such as steel mills, and by analogy for the analysis of lava around volcanoes, are very aggressive vis-à-vis the apparatus used in their control, the optical systems being more particularly fragile in the aforementioned context. It follows that the use of the aforementioned laser equipment is a source of technical problems and often makes it difficult and very difficult for any development for a wide and intensive industrial application of spectrometric analysis methods using excitation. via means involving radiation from lasers.
OBJECT OF THE INVENTION The method of analysis by optical emission spectrometry of a molten substance, object of the present invention, more particularly dedicated to the analysis of a molten metal, such as cast iron or steel, but which is also applicable to the analysis of slag, glass, lava or other high-temperature liquid elements, does not require the presence of external systems (lasers or other) to cause the excitation of the material constituent of the object to be analyzed. The method of the invention makes it possible to simplify the spectrometric analysis facilities and to reduce the related economic costs.
PRESENTATION OF THE INVENTION In accordance with the present invention, a method of analysis by optical emission spectrometry of a substance in fusion, particularly dedicated to the analysis of a molten metal, such as cast iron or steel, but which is also applicable to the analysis of slag, glass, lava or other liquid
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a temperature greater than 300 ° C., preferably greater than 500 ° C., in which an element called "sensitive element" is used, which comprises at least one emission spectrometer,
is essentially characterized in that a sensitive element comprising at least one means for causing the excitation of the substance to be analyzed is used and makes it possible to generate totally or partially a radiation which will be analyzed by a spectrometer present in the sensitive element, in that the above-mentioned sensitive element is brought into contact with the molten substance to be analyzed, in that an information, called an analysis signal, is emitted by the sensitive element between the moment it is put into play. in contact with the fusion substance to be analyzed and its fusion destruction in said substance, and in that the transmitted information comprises analysis elements provided by a spectrometer present in the sensitive element, and in that deduced from the transmitted analysis signal, directly on reading or after treatment,
the chemical composition, at least partial, of elements of the substance to be analyzed.
Since the sensitive element used in the aforementioned method for performing the analysis includes both an emission spectrometer and a means for operating the excitation of the analyte and generate some or all of the analyzed radiation. by the spectrometer present, its use provides a solution to the problems associated with the use of external excitation means, such as a laser, which must be placed near the substance to be analyzed.
The method therefore consists in implementing a system of self-excitation of the analyte so as to emit an analyzable emission spectrum by a
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in situ spectrometer, ie a spectrometer present in the element brought into contact with the molten substance to be analyzed. These so-called embedded self-excitation systems are integrated in a sensitive element which is a disposable or consumable sensor.
According to a method of implementation of the optical emission spectrometry analysis method, object of the present invention, a modulation technique is applied to take account of practical operating conditions, such as for example what is calls in measurement and control a measure of the background radiation. Preferably, at least one measurement of the spectrum emitted by the substance to be analyzed is carried out without excitation of this substance. The spectrum of the background radiation thus obtained is then subtracted from the spectrum detected by the sensitive element after excitation of the substance to be analyzed. On the basis of the result of this operation, an independent analysis signal of the background radiation is emitted by the sensitive element.
According to another embodiment of the method of analysis by optical emission spectrometry, object of the present invention, it proceeds before performing the excitation operation of the analyte to at least a temperature measurement of the substance analyzed to correct the signal emitted by the sensitive element. It is a question of taking into account possible variations (wavelength, amplitude, width) of the characteristic emission lines of the material after excitation of the analyzed substance as a function of the temperature.
According to yet another embodiment of the optical emission spectrometry analysis method, which is the subject of the present invention, at least one measurement of the spatial position of the analyzed location is carried out in order to evaluate the relevance of his choice for
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a measurement. This is to ensure that it is not located, for example, at a place of less interest such as the edges of the tank or close to an oxidized surface. The analysis of the substance in these locations may not be representative of the analyte in the tank.
According to one embodiment of the method of analysis by optical emission spectrometry, object of the present invention, at least one means for operating the excitation is of the electric type, preferably said means comprises at least one charged capacitor equipped with a breaker system, possibly powered by a battery and capable of producing a number of discharges between 1 and 2000 discharges, each discharge having a duration of at least 10nsec (nanosecond) and an intensity of at least 0 , 01 Ampere.
According to another embodiment of the method of analysis by optical emission spectrometry, which is the subject of the present invention, at least one means for operating the excitation is of the chemical type, preferentially comprising a quantity, of preferably less than 1000 ml, of liquid which is contacted with the melt to be analyzed so as to produce a high energy chemical reaction producing excitation of the analyte and generating radiation analyzed by a spectrometer present in the the sensitive element, preferably the chemical reaction of the explosive type.
According to yet another embodiment of the optical emission spectrometry analysis method, object of the present invention, the means for operating the excitation comprises a container of the liquid used for the excitation by reaction. chemical object whose purpose is to modulate the temporal duration of the contacting of the substance to be analyzed with the excitation means
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present, possibly, by managing the deterioration and then the destruction of one or more components of the spectrometer present in situ and used for the analysis of the radiation.
In the aforementioned case, it consists in the use as a means of excitation a container, the latter is provided with a device called explosion valve, consisting of a metal or a metal alloy whose melting temperature is at least 10 C greater than that of the metal to be analyzed; In the case of analysis of ULC steels, for example, a tungsten-doped steel can be used as a valve.
According to a preferred embodiment of the method of analysis by optical emission spectrometry, object of the present invention, in which the substance to be analyzed is a liquid metal, the means for operating the excitation is to chemical type and implements a liquid, preferably water, preferably the minimum volume of liquid used is O, Olml.
The present invention also relates to a device for implementing the method of the invention.
The device for implementing the emission spectrometry analysis method, object of the present invention, is essentially characterized in that the sensitive element which is brought into contact with the molten substance to be analyzed. comprises an envelope-forming part, which at least partly encompasses the aforementioned sensitive element, preferably said envelope is made of an intumescent material, preferably vermiculite.
According to one embodiment of the device for the implementation of the emission spectrometry analysis method, object of the present invention, the aforementioned envelope is designed at the level of its geometry.
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in order to delay the destruction by melting of the sensitive element, preferably the geometry favors bringing the sensitive part of the spectrometer into contact with the melt substance to be analyzed, preferably a molten metal.
According to another embodiment of the device for implementing the emission spectrometry analysis method, which is the subject of the present invention, the element put in contact with the molten metal to be analyzed is included in FIG. an enclosure whose internal atmosphere is controlled, it is formed of a gas or a mixture of gases, preferably it comprises nitrogen and / or argon, or is evacuated, preferably at a pressure from at least 10-1 mmHg to 10% in the case of vacuum.
DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT OF THE INVENTION [0041] The innovation provided in the context of the present invention simplifies the procedure used to analyze the composition of a metal bath by optical emission spectrometry.
Figure 3 illustrates a preferred embodiment of the method, object of the invention.
To analyze the metal bath 1 contained in the container 7, preferably a converter, a steel mill pocket or a melting furnace and / or reduction, there is introduced a sensitive element 11 comprising according to the invention at least one spectrometer and a self-excitation system of the metal constitutive of the bath 1 to be analyzed. The excitation is triggered manually, automatically or otherwise when the element is in contact with the bath 1 to be analyzed and a signal 9 coming from the element 11 is picked up via the antenna 10, said signal being able to be processed by
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a means 6 for interpreting the results of the measurements made by a spectrometer located in the element 11.
This results in a simplification of the facilities by the removal of any external excitation system to the sensitive element introduced in contact with the liquid metal. Only the means for introducing the sensitive element into the metal bath remain and means for recovering the data coming from the sensitive element by radio or physical means such as a cable connection.
The industrial domains in which it is possible to implement the present method of analysis by emission spectrometry are very numerous and are not limited solely to steelmaking treatments but can also be used for monitoring by analysis of their composition for other metallurgical baths, possibly baths for the deposition of metal as is the case in galvanizing. A significant productivity gain can be expected since at no time is there an interruption, and therefore a waste of time, of the industrial production process to perform the optical emission spectrometry analysis.