Procédé pour mesurer en fonction du temps le volume des gaz générés
au cours de la décomposition thermique d'un échantillon de matériau
dans le but de déterminer la vitesse de génération de ces gaz,
et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé
L'objet de la présente invention est un procédé pour mesurer, en fonction du temps, le volume des gaz générés au cours de la décomposition thermique d'un échantillon de matériau, notamment de sable aggloméré destiné à la fabrication de moules de fonderie. L'invention comprend également un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Il y a longtemps qu'on a reconnu l'intérêt de mesurer le volume des gaz générés au cours de la décomposition thermique de substances les plus diverses, soit aux fins d'analyse, soit dans le but de sélectionner, parmi plusieurs substances, celle qui dégage le moins de gaz. C'est le cas en particulier en fonderie : il importe, en effet de choisir pour la fabrication des moules une substance, par exemple un sable et un liant, qui dégage le moins de gaz possible lors de la décomposition provoquée par l'échauffement consécutif à la coulée. Car ces gaz ont un effet néfaste sur la pièce coulée en provoquant des défauts de surfaces, des bulles et des soufflures.
On connaît plusieurs procédés pour mesurer le volume global des gaz dégagés au bout d'un temps déterminé. Ces procédés ne permettent donc pas de suivre l'évolution, au cours du temps, du volume des gaz dégagés. De plus, ceux qui permettent une mesure précise des petits volumes ne peuvent mesurer de grands volumes, réciproquement, ceux qui sont capables de mesurer des volumes importants ont une sensibilité réduite et, de ce fait, ne sont pas aptes à la mesure précise des petits volumes. On connaît aussi des procédés qui permettent de faire au cours d'une expérience, plusieurs mesures à des intervalles de temps finis.
Mais ces intervalles ne peuvent être rendus infiniment petits, si bien que ces procédés ne permettent de mesurer qu'une vitesse moyenne de dégagement des gaz, et le résultat obtenu reste une approximation relativement grossière de la vitesse réelle instantanée. Or, la connaissance de cette vitesse instantanée est particulièrement importante en fonderie, où l'on cherche à fabriquer les moules à l'aide de substances dont la vitesse du dégagement gazeux, lors du contact avec le métal liquide, reste en tout temps inférieure à la vitesse avec laquelle ces gaz peuvent s'échapper à travers les pores du moule. Faute de quoi il y a accumulation de gaz à l'interface moule-métal, ce qui provoque sur la pièce coulée les défauts mentionnés.
De plus, les procédés connus laissent en général échapper à la mesure les gaz condensables, notamment la vapeur d'eau. Or il y a intérêt à inclure dans la mesure cette fraction condensable, notamment en fonderie, où la vapeur d'eau représente une proportion importante des gaz dégagés par les moules.
L'invention a pour but d'éliminer les inconvé- nients précités en proposant un procédé de mesure du volume de ces gaz en fonction du temps, dans le but de déterminer la vitesse de génération des gaz, y compris certaines fractions condensables. Ce procédé est caractérisé par le fait que l'on chauffe l'échantillon dans un four étanche, que l'on conduit les gaz dégagés par l'échantillon dans une enceinte volumétrique à volume variable, que l'on fait une mesure continue de ce volume, que l'on enregistre cette mesure en fonction du temps et que l'on évite la condensation d'au moins certains de ces gaz. Dans une mise en oeuvre particulière préférée, on évitera notamment la condensation de la vapeur d'eau.
Une mise en oeuvre particulière du procédé revendiqué se distingue des procédés connus par le fait que, au moment où l'on commence l'enregistrement du volume de 1'enceinte volumétrique, l'on introduit brusquement l'échantillon dans le four, préalablement chauffé, et que l'on maintient constante la température de ce four. L'enregistrement représente alors fidèlement le volume des gaz déga gés. Cet enregistrement se traduit par une courbe continue telle que la courbe 1 représentée à la fig. 1, inscrite, par exemple, dans un diagramme cartésien dont l'axe des ordonnées est gradué en volume et dont l'axe des abscisses porte une échelle du temps.
Une telle courbe 1 part, au temps initial to, d'un vo lume vo représentant le volume initial de l'enceinte volumétrique. Il est aisé de déduire tant les volumes totaux Vl-Vo V2-v0, etc. des gaz dégagés aux temps ti, t2, etc., et cela par lecture directe du diagramme, que la vitesse de dÚgagement dV/ Ó tout instant, en
dt déterminant la pente de la tangente à cette courbe.
Par exemple, le fait que la pente de la tangente 2 est plus grande que celle de la tangente 3 montre que le dégagement des gaz est plus rapide aux temps t, qu'au temps t.
II est souvent utile d'enregistrer sur le même diagramme d'autres grandeurs ayant trait à la mesure notamment la température à l'intérieur de l'échantillon, celle du four, etc. Le procédé proposé le permet aisément. L'échelle des ordonnées du diagramme représente alors plusieurs grandeurs. Ainsi, sur la fig. 1, la courbe 4 représente la température du four, la courbe 5 celle de l'échantillon.
Pour obtenir l'enregistrement, on peut recourir à tout procédé connu, mais les enregistrements réalisés par des procédés électriques ou photographiques sont les plus commodes.
Dans le procédé proposé, on maintient de préférence la pression des gaz dégagés très voisine de la pression atmosphérique, de sorte que la mesure a lieu dans des conditions proches de la réalité. Il permet toutefois de faire aisément la mesure à une pression différente.
De préférence, pour éviter la condensation de certaines fractions condensables des gaz dégagés, notamment de la vapeur d'eau, on maintient toutes les parois avec lesquelles ces gaz sont en contacts à une température supérieure à la température de condensation de celles-ci. Dans la plupart des cas une température de 1000Cà2000Cest suffisante, mais le procédé permet de travailler à des températures différentes.
L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon 1'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend un four étanche, un récipient volumétrique à volume variable qui est en communication avec le four, un dispositif de mesure capable de mesurer de façon continue le volume du récipient volumétrique, un dispositif d'enregistrement susceptible d'enregistrer cette mesure en fonction du temps et des moyens pour empêcher ladite condensation.
Le dessin annexé illustre le procédé et représente schématiquement et à titre d'exemple, des formes d'exécution particulières d'un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La fig. 1 reproduit un enregistrement.
La fig. 2 représente, en coupe, une première forme d'exécution et la fig. 3, en coupe également, une variante d'une partie de l'appareil ainsi qu'une variante du dispositif d'enregistrement.
On voit sur la fig. 2 le four étanche 6 relié par le tuyau 7 au récipient volumétrique 8. Ce récipient volumétrique est formé d'une cloche 9 dont la partie ouverte 10 plonge dans un liquide volumétrique 11 contenu dans une cuve à niveau constant 12. Le niveau dans cette cuve est maintenu constant par un déversoir 13 qui déverse le trop-plein de liquide dans un bac 14. Le tuyau 7 traverse le haut de la cloche 9 et son extrémité 15 débouche à la hauteur du niveau constant 16 de la cuve 12. A l'intérieur de la cloche 9 se trouve un plongeur 17 dont le poids apparent est mesuré, par exemple à l'aide d'une balance électrique 18. Un enregistreur 19, par exemple un enregistreur électrique, enregistre cette mesure en fonction du temps.
Cet enregistreur 19 peut aussi être chargé d'enregistrer d'autres grandeurs ayant trait à la mesure notamment la température du four, celle de l'échantillon, etc. : c'est alors un enregistreur multiple, muni de plusieurs entrées.
Le tuyau 7 est entouré d'une gaine 20 reliée à une gaine 21 entourant la cloche 9. Une pompe 22 est prévue pour mettre en circulation un liquide thermostatique 23. Pour cela la pompe 22 aspire le liquide thermostatique contenu dans un réservoir 24, le refoule par un tuyau 25 dans le fond 26 et dans le couvercle 27 du four, reliés l'un à l'autre par un tuyau 28, puis dans les gaines 20 et 21 d'où il revient dans le réservoir 24 par un tuyau 29. Un moyen de chauffage est prévu dans le fond du réservoir 24 pour maintenir le fluide thermostatique à la température requise. Ce moyen consiste par exemple en un corps de chauffe électrique 30 dont l'alimen- tation est réglée par un régulateur 31 commandé par un thermocouple 32.
Une pompe à vide 33, reliée par un tuyau 34 et une vanne 35 au haut de la cloche 9, permet, grâce à la dépression qu'elle crée à l'intérieur de celle-ci, d'élever le liquide volumétrique 11 de sorte que son niveau libre 36 soit plus élevé que le niveau 16 dans la cuve 12.
Le four étanche 6 est un four à induction constitué d'un fond creux 26, d'un couvercle creux 27 et d'une paroi 37. A l'extérieur est disposé un enroulement 38 relié à un générateur HF non représenté.
Le corps de chauffe est formé d'un cylindre 39 en graphite supporté par une pièce réfractaire 40. Un thermocouple 39a est chargé de mesurer la tempé rature du corps de chauffe et de la maintenir constante en commandant un régulateur, non représenté, réglant la puissance HF envoyée dans l'enroulement 38. A l'extérieur du cylindre 39 est disposé un cylindre 41 en matière réfractaire qui sert d'écran thermique destiné à limiter la perte de chaleur vers l'ex- trieur. L'échantillon 42 est supporté par une tige 43 pouvant coulisser dans un guide étanche 44. La tige 43 est creuse : elle contient les conducteurs 45 d'un thermocouple 46 qui pénètre dans un logement 47 ménagé dans l'échantillon 42.
Ce thermocouple 46 est destiné à mesurer la température à l'intérieur de l'échantillon et il est prévu de relier les conducteurs 45 à 1'enregistreur 19 si l'on veut enregistrer cette température sur le diagramme de dégagement des gaz.
Le guide 44 comporte un logement 48 dans lequel l'échantillon 42 peut être placé lorsque la tige coulissante 43 est abaissée. Des moyens, non représentés, sont prévus pour mouvoir cette tige. Un portillon mobile 49 est destiné à fermer l'ouverture par où l'échantillon pénètre dans le four. Des moyens connus, non représentés, sont prévus pour ouvrir automatiquement ce portillon 49 sitôt que la tige 43 pousse l'échantillon et pour le fermer automatiquement sitôt que l'échantillon est en place.
Le fonctionnement de l'appareil est le suivant :
Avant la mesure, l'échantillon 42 est déposé dans le logement 48, la tige 43 étant abaissée. Le four 6 est porté à la température requise, la pompe 22 est mise en marche de façon à faire circuler le liquide thermostatique 23. La température de ce fluide est portée et maintenue à la valeur choisie, par exemple 1500C, grâce au système de régulation de température constitué par les éléments 30, 31 et 32. La vanne 35 étant ouverte, la pompe 33 élève le liquide volumétrique dans la cloche 9, après quoi la vanne est refermée, de façon à isoler cette pompe de l'en- ceinte 8. La cuve 12 est remplie jusqu'au niveau du déversoir 13.
Au début de la mesure proprement dite, 1'enregistreur 19 est mis en marche en même temps que la tige 43 est poussée en avant de façon à introduire brusquement l'échantillon dans le four 6. Les gaz commencent à se dégager, traversent, sous forme de bulles 50, le liquide volumétrique contenu dans la cloche 9 et se répandent dans 1'enceinte 8 sans que puissent se condenser ceux dont la température de condensation est inférieure à la température communiquée aux parois du tuyau 7 et de la cloche 9 par le liquide thermostatique. L'ouverture 15 du tuyau 7 étant à la hauteur du niveau libre 16, la pression dans le four est égale à la pression atmosphérique. Le dégagement des gaz fait baisser petit à petit le niveau 36 et le poids apparent du plongeur 17 augmente. Ce poids s'enregistre sur l'enregistreur qui trace une courbe représentant le volume de l'enceinte 8.
Au fut et à mesure que le niveau 36 s'abaisse, le liquide volumétrique refoulé s'écoule par-dessus le déversoir 13 ce qui maintient constant le niveau 16.
Il est évident que plusieurs modifications mineures peuvent être apportées à cet appareil sans en modifier le principe :
Par exemple, il n'est pas indispensable que le liquide thermostatique traverse le fond 26 et le couvercle 27 du four ; la pompe 22 peut être reliée directement à la gaine 20 au voisinage de l'endroit où le tuyau 7 quitte le four 6. Cette gaine doit alors être arrêtée de façon étanche à cet endroit. Il est possible aussi de remplacer le liquide thermostatique par un autre fluide, notamment un gaz. Dans le but d'expérimenter avec une pression dans le four 6 dif férente de la pression atmosphérique, on peut faire déboucher le tuyau 7 à une hauteur différente de celle du niveau 16. On peut aussi choisir, pour liquide volumétrique, un liquide lourd, par exemple du mercure.
Une autre variante consiste à utiliser un seul et même liquide comme liquide volumétrique et comme liquide thermostatique. La modification à apporter à l'appareil est représentée sur la fig. 3. La gaine 21 est munie d'au moins un orifice de fuite, tel que 51, qui débouche directement dans le liquide volumétri- que 11 et le déversoir 13 déverse dans le réservoir 24.
La fig. 3 représente également une autre variante, qui concerne, elle, le système de mesure et le dispositif d'enregistrement. Il s'agit d'un enregistrement photographique de la hauteur d'une colonne libellométrique 52 contenue dans un tube transparent 53 dont l'extrémité supérieure est en communication avec 1'enceinte volumétrique 8 et dont l'ex- trémité est en communication avec un réservoir de liquide libellométrique constitué par une vessie 54.
Dans ces conditions, la colonne libellométrique 52 s'élève à une hauteur égale à celle du niveau 36.
Pour empêcher la condensation des gaz dans ce tube 53, celui-ci est également situé à l'intérieur de la gaine 21. Ce tube est éclairé par une source lumineuse, par exemple une lampe rectiligne 55. A travers la partie transparente 56 dont est munie la gaine 21, un système optique 57 forme, sur une plaque photographique 58 une image de la colonne libellométrique 52. Cette plaque photographique est déplacée dans son plan à vitesse constante à l'aide de moyens connus, par exemple un moteur synchrone 59 et une vis 60. Il en résulte que la plaque photographique enregistre une courbe 61 qui représente la variation de la hauteur de la colonne libellométrique 52 au cours de l'expérience, donc la variation du volume des gaz dégagés.
Ce dispositif d'enregistrement se prête à l'enregistrement simultané et sur le même diagramme d'autres grandeurs physiques ayant trait à la mesure.
Il suffit par exemple de placer dans le champ du système optique 57 une glace semi-transparente 62 sur laquelle se projette le spot d'un galvanomètre 63 qui mesure ladite grandeur.
Les avantages des procédés et appareils décrits résident dans le fait qu'ils permettent de mesurer avec précision et de façon continue le volume des gaz dégages, y compris certains gaz condensables comme la vapeur d'eau, et d'enregistrer cette mesure, ce qui permet de déterminer aisément la vitesse avec faquelle ces gaz sont générés.
REVENDICATIONS
I. Procédé pour mesurer, en fonction du temps, le volume des gaz générés au cours de la décompo- sition thermique d'un échantillon de matériau, notamment de sable aggloméré destiné à la fabrication de moules de fonderie, dans le but de déterminer la vitesse de génération de ces gaz, caractérisé par le fait que l'on chauffe l'échantillon dans un four étanche, que l'on conduit les gaz dégagés par l'échantil- lon dans une enceinte volumétrique à volume variable, que l'on fait une mesure continue de ce volume, que l'on enregistre cette mesure en fonction du temps et que l'on évite la condensation d'au moins certains de ces gaz.