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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.