Brevet FR2278773A1 — publié le 19760213

La présente invention est relative à un procédé de traitement thermique d'objets de petites dimensions et notamment de grenaille dans un lit fluidisé0 De nombreux traitements métallurgiques, par exemple la trempe isotherme, nécessitent des variations rapides de température, puis le maintien, pendant un temps déterminé, à la température atteinte. Pour le traitement de pièces de dimensions relativement importantes, on utilise des moyens connus tels que, notamment bains de plomb, bains de sels fondus, etc. Pour traiter des pièces de dimensions plus faibles, donc à grande surface spécifique, - c'est le cas de la grenaille - ces moyens classiques sont délicats à mettre en oeuvre en raison du décapage ultérieur qui doit les accompagner. Par ailleurs, on ne peut utiliser ni la trempe à l'air, ni la trempe à l'eau. En effet, la trempe à l'air ne procure pas les vitesses de refroidissement suffisantes, et la trempe à l'eau n'autorise pas une trempe isotherme, et, en outre, elle produit, par sa rapidité, de nombreuses tapures sur la grenaille. La présente invention se propose d'apporter un procédé, applicable au traitement thermique de la grenaille, qui permet d'effectuer des trempes isothermes sans décapage ultérieur, et qui procure en outre une vitesse de trempe, intermédiaire entre celle de la trempe à l'air et celle de la trempe à l'eau, ne donnant pas naissance à des taures, Le procédé selon l'invention consiste à introduire la grenaille dans un lit fluidisé de particules réfractaires porté à la température à laquelle doit s'effectuer le traitement thermique, et il est caractérisé en ce que la configuration géométrique du lit fluidisé et la dimension des particules sont choisies telles qu'il se produise un mélange des particules et de la grenaille, en ce que l'on maintient à une valeur constante, et égale à la température de traitement, la température de l'ensemble particulesgrenaille, et en ce que, finalement, on sépare la grenaille des particules constituant le lit fluidise Comme on le comprend, le procédé de l'invention est basé sur la rapidité des échanges thermiques, dans un lit fluidisé, entre le gaz de fluidisation et le solide fluidisé : dans le cas de la trempe, par exemple, la grenaille chaude cède très rapidement des calories au gaz servant à la fluidisation, et celui-ci les transmet aussi rapidement aux particules à température plus basse constituant le milieu fluidisé0 L'utilisation de la technique de la fluidisation permet donc de réaliser un véritable échange thermique solide-solide qui, gracie à l'intermédiaire du gaz utilisé pour la mise en fluidisation, s'effectue à une vitesse bien plus élevée que par simple contact On a vu que, dans le procédé de l'invention, il était nécessaire de maintenir constante la température du lit fluidisé0 Dans le cas d'une trempe isotherme de la grenaille, il convient donc de compenser les apports de chaleur provenant de la grenaille arrivant dans le lit fluidisé où s'effectue la trempe, On réalise cette étape du procédé de différentes façons, par exemple par injection d'eau qui se vaporise au contact de la surface du lit fluidisé, ou par adjonction dosée de particules froides, qui maintiennent constante la température du lit fluidisé par le meme mécanisme d'échange solide-solide, par l'intermédiaire d'un gaz, Les adjonctions dosées de particules à température différente de celle de traitement sont particulièrement recommandées lorsque l'atmosphère de traitement doit etre rigoureusement contrôlée; dans ce cas, il faut disposer d'un moyen annexe permettant de refroidir les particules propres à l'adjonction0 Par ailleurs dans le cas d'une trempe isotherme, il est nécessaire d'effectuer un arrêt de trempe (refroidissement jusqu'à la température ambiante après le maintien à la température de trempe isotherme).Le dispositif ennexe permettant de refroidir les particules propres à l'adjonction peut alors etre avantageusement utilisé pour effectuer cet arrêt de trempe isotherme. La technique des lits fluidisés peut également Qtre utilisée pour produire le refroidissement. On procède alors de la manière suivante: On introduit à la suite du traitement de trempe isotherme les particules et la grenaille dans un second lit fluidisé, maintenu au moyen d'échangeurs (tube à eau, par exemple) à la température à laquelle la grenaille doit être refroidie pour que soit effectué l'arrtt de trempe.La configuration de ce second lit fluidisé étant choisie telle que grenaille et particules restent mélangées, le refroidissement s'effectue par le même mécanisme d'échange solide-solide par l'intermédiaire d'un gaz, Après ce refroidissement, particules et grenaille sont séparées, et les particules refroidies sont réinjectées comme indiqué précédemment dans le premier lit fluidisé de trempe isotherme. Dans ce qui précède, on a fait état de l'application du procédé de l'invention à la trempe de la grenaille. On peut, bien entendu, utiliser ce procédé pour le chauffage et le maintien des températures de cette grenaille. Daps une telle application, il faut effectuer un apport thermique dans le lit fluidisé constitué par le mélange particules-grenaille; cet apport peut etre réalisé par des moyens classiques tels que: combustion interne en lit fluidisé, brûleurs immergés; ou par adjonction dosée de particules à température plus élevée que celle du traitement, le débit de ces particules plus chaudes étant réglé de façon à maintenir constante la température de traitement. Cette dernière possibilité est particulièrement intéressante lorsque l'atmosphère de traitement doit etre contrôlée, les particules pouvant alors être chauffées dans un dispositif annexe sans communication avec le lit fluidisé de traitement. Le temps de maintien peut etre réglé, comme dans le cas de la trempe Le procédé de l'invention peut se dérouler de façon continue ou discontinue. Dans le cas d'un fonctionnement discontinu, c'est-à-dire de traitements de charges de grenaille en lits fluidisés séparés par des opérations de charge et de vidange du lit fluidisé, il nty a aucun problème pour assurer, à la suite du traitement thermique, un maintien en température, qui peut étre contrôlé à l'aide des mimes moyens que le traitement lui-memee Dans le cas d'un traitement continu (c'est-à-dire introduction continue de la grenaille à traiter, prélèvement en continu du mélange constitué par les particules et la grenaille traitée, réintroduction continue des particules après séparation de la grenaille), le mélange parfait obtenu dans le lit fluidisé entre les particules et la grenaille constitue un obstacle à la réalisation d'un temps de maintien de durée déterminée et identique pour toute la grenaille: en effet, à cause de ce mélange on prélèvera, en mdme temps, de la grenaille venant entre introduite, donc insuffisamment traitée et de la grenaille ayant séjourné très longtemps, donc trop traitée; on aura donc, à la sortie de l'appareil, de la grenaille dont les grains auront subi des traitements de durées très différentes. Pour remédier à ces difficultés, l'invention propose de recourir - soit à plusieurs étages de lits fluidisés, les particules et la grenaille étant extraites d'un lit fluidisé pour être introduites dans le suivant (les contrôles de températures dans chaque lit s'effectuant comme décrit précédemment); cette disposition, en cascade, permet d'uniformiser les temps de séjour pour une fraction importante de la grenaille; - soit à un lit fluidisé muni de chicanes, ce qui a pour effet d'assurer un temps de séjour minimal, mais non un temps de séjour uniforme: un lit fluidisé muni de chicanes est, en fait, constitué de différents compartiments communiquant les uns avec les autres; les chicanes s'opposent au mélange de grenaille à traiter et de grenaille venant d'entre traitée; en effet: un grain venant d'être introduit doit parcourir successivement les différents compartiments avant d'atteindre le compartiment final; - soit à une glissière fluidisée inclinée, qui permet de réaliser un temps de séjour uniforme si la vitesse de déplacement de l'ensemble fluidisé grenaille + particules est suffisante : effet, si la vitesse de déplacement de cet ensemble est supérieure à la vitesse moyenne d'agitation des particules individuelles dans un lit fluidisé, un grain qui aurait tendance à remonter vers l'arrivée de grenaille est entratné par le mouvement d'ensemble, donc ne peut pas remonter; un grain qui aurait tendance à s'échapper plus vite vers l'extraction est rattrapé par le mouvement d'ensemblev - soit à un four à plusieurs compartiments rotatifs, qui sera décrit plus en détail ci-après4 La dernière étape du procédé de l'invention consiste en une séparation de la grenaille traitée des particules du lit fluidisé. Si l'on traite de la grenaille de fer, on peut utiliser des particules d'alumine pour constituer le lit fluidisé, et la séparation des particules d'alumine et de la grenaille traitée s'effectue par triage magnétique0 Dans ce qui précède, on a fait état de l'application du procédé de l'invention au traitement de la grenaille; on peut bien entendu utiliser ce procédé pour les traitements thermiques de tous les objets de petites dimensions, sphériques ou non, billes de verre, petites vis, écrous, ... qui peuvent & re fluidisés au sein d'un milieu pulvérulent constituéde particules de nature différente. I1 faut, bien entendu, pour chaque application particulière, adapter la configuration géométrique du lit fluidisé, et la taille des particules pour permettre le mélange de ces particules et des objets. On décrira maintenant, en référence aux dessins annexés, un exemple de réalisation, non limitatif, d'un dispositif pour assurer en continu la trempe isotherme de grenaille de fer mettant en oeuvre le procédé défini ci-dessus. Au cours de cette description, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en élévation et coupe partielle d'une installation selon l'invention; et la figure 2 est une vue en plan du four de l'installation de la figure 1. Dans cet exemple d'application particulier, ce dispositif est destiné à refroidir de 8800C à environ 300"C de la grenaille de fer constituée de billes dont les diamètres varient de lOOyu à 2,5 mm, la grenaille devant étre ensuite maintenue pendant quelques minutes à 30O0C. Ce dispositif comprend essentiellement un four, désigné en son ensemble par la référence 10, qui est constitué d'une enceinte annulaire 12 dont la partie inférieure 14 est trapézoidale afin d'obtenir une vitesse de gaz plus importante à la base du four, de façon que toutes les billes constituant la grenaille soient fluidisées. Sur la quasi totalité de la circonférence inférieure du four (sauf dans la région désignée par la référence 16, dont le rle sera expliqué plusloin) est disposée une tole petforée 18 au travers de laquelle s'effectue l'injection du gaz, par exemple de l'air, utilisé pour la mise en fluidisation du mélange particules réfractaires - billes de grenaille 30.Ce gaz de fluidisation alimente le dispositif par une conduite 200 L'enceinte interne du four est séparée en un certain nombre de compartiments par des palettes telles que 22. Ces palettes sont entraSnées en rotation par un arbre 24 mû par un moteur 26. Elles sont pourvues de brosses 28 qui assurent une étanchéité relative entre les palettes et les parois du four, tout en évitant des frottements trop importants. Les palettes 22 permettent de diviser l'enceinte du four ao en un certain nombre de secteurs tels que 34, qui se déplacent en meme temps que les palettes qui les délimitent. Sur la figure 2, on a schématisé en 32 l'arrivée des particules réfractaires constituant le lit fluidisé. Comme on l'a pré cisé plus haut dans l'exposé du procédé de l'invention, le diamètre de ces particules est choisi d'une valeur telle qu'il se produise un mélange intime entre elles et la grenaille Chaque secteur 34 est ainsi rempli, au moyen de l'arrivée 32, de particules dont la température est celle du traitement, c'est-à-dire 30O0C, dans l'exemple considéré. Par suite de la rotation de l'arbre moteur 24, ce secteur 34, contenant le lit fluidisé de particules réfractaires, est entraîné vers le dispositif d'alimentation en grenaille schématisé sur la fig.2 par la référence 36, par lequel s'effectue l'arrivée de grenaille. Cette dernière tombe dans le lit fluidisé de ce secteur 34, et elle est immédiatement fluidisée, en méme temps que les particules du lit. La grenaille introduite, comme on l'a vu plus haut, à une température de l'ordre de 880 C, est refroidie en quelques dixièmes de seconde à 300ex. La température du secteur fluidisé est contrôlée à l'aide d'un thermocouple fixe 38 qui, par l'intermédiaire d'un régulateur de température, agit sur un pulvérisateur d'eau 40. L'eau se vaporise au contact du lit fluidisé, ce qui permet d'évacuer la chaleur apportée par la grenaille chaude.Le débit d'eau est asservi à la température du lit fluidisé de grenaille et de particules, qui est ainsi maintenue constante L'arbre moteur 24 continuant sa rotation, le secteur fluidisé considéré continue entre entratné, et, quand il quitte la zone d'arrivée 36 de la grenaille, il se trouve à la température de maintien. Le dispositif peut etre conçu et exécuté de telle façon que les pertes thermiques soient très faibles et, en outre, on peut préchauffer le gaz de fluidisation, si bien que la température du secteur évolue peu au cours de son mouvement. A toutes fins utiles, on peut prévoir un contrôle de température, dans des positions successives du secteur considéré, à l'aide de thermocouples 42, la régulation de température pouvant étre réalisée par des apports éventuels de particules chaudes, dont le débit est asservi aux données des thermocouples 42 Enfin, au cours de son mouvement, le secteur contenant le lit fluidisé constitué du mélange particules réfractaires - grenaille ayant subi la trempe isotherme arrive au-dessus de la zone 16 (fiv.2). Cette zone est pourvue d'un orifice (fiv.1) ménagé à la base de l'enceinte du four 10, et qui assure l'évacuation du mélane du secteur 34 considérée Le mélange de particules et de grenaille traitée est entratné par un moyen de transport 44, qui le déverse dans une trémie 46. Ce mélange est ensuite envoyé sur un trieur magnétique 48 qui sépare la grenaille traitée 50 des particules 52, lesquelles sont alors recyclées dans le four en 32. Ainsi qu'on le voit d'après cette description, ce dispositif permet d'assurer un traitement thermique continu comportant un stade de maintien en température, dont la durée peut être choisie avec précision puisqu'elle est fonction de la vitesse de rotation de l'arbre moteur 24 entratnant les palettes du four. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, l'évacuation de la chaleur s'effectue par pulvérisation d'eau. Cependant cette réalisation ne constitue qu'un exemple. On peut, notamment, réaliser cette évacuation de chaleur par recyclage de particules froides. Le lit fluidisé de trempe n'est pas modifié, la différence étant que l'on introduit des particules froides en 32o En 16, les particules et la grenaille traitée quittent le lit de trempe pour tomber dans un refroidisseur à lit fluidisé, celui-ci est refroidi par une circulation d'eau à travers des tubes; les particules et la grenaille traitée refroidies sont prélevées du refroidisseur par un élévateur tubulaire et tombent sur un tambour magnétique permettant le triage; les particules froides sont recyclées en 32 dans le lit de trempe. Le débit du transporteur tubulaire est asservi à la température du bain de trempe contrôlée par la canne pyrométrique 38. I1 demeure bien entendu que cette invention n1 est pas limitée aux exemples d'application ou de mise en oeuvre indiqués ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1) Procédé de traitement thermique d'objets de petites dimensions, notamment de grenaille, selon lequel on introduit la grenaille dans un lit flui disé de particules réfractaires porté à la température à laquelle doit s'effectuer le traitement, ce procédé étant en outre caractérisé en ce que la configuration géométrique du lit fluidisé et la dimension des particules sont choisies telles qu'il se produise un mélange des particules et de la grenaille, en ce que l'on maintient à une valeur constante, égale à la température de traitement, la température de l'ensemble particules-grenaille, en ce que ce maintien en température est effectué pendant un temps de durée déterminée et identique pour toute la grenaille, et en ce que finalement, on sépare le grenaille traitée des particules constituant le lit fluidisé. 2) Procédé selon la revendication 1, appliqué à la trempe isotherme de la grenaille, caractérisé en ce que le maintient à une valeur constante de la température de l'ensemble fluidisé particules-grenaille s'effectue par une injection d'eau, qui se vaporise au contact de la surface du lit fluidisé où s'effectue la trempe, ce qui permet d'évacuer la chaleur apportée par la grenaille chaude. 3) Procédé selon la revendication 1, appliqué à la trempe isotherme de la grenaille, caractérisé en ce que le maintien à une valeur constante de la température de l'ensemble fluidisé particules-grenaille est réalisé par une adjonction dosée de particules froides. 4) Procédé selon la revendication 1, appliqué à la trempe isotherme de la grenaille, caractérisé en ce que le maintien à température constante de l'ensemble fluidisé particules-grenaille s'effectue par recyclage de particules froides. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens assurant le refroidissement des particules sont également utilisés pour effectuer un arrêt de trempe. 6) Procédé selon la revendication 1 appliqué au chauffage et au maintien en température de la grenaille, caractérisé en ce que le maintien à une valeur constante de la température de l'ensemble fluidisé constitué par le mélange particules-grenaille est obtenu par un apport thermique, dans ce lit fluidisé, par des moyens classiques tels que, notamment : combustion interne en lit fluidisé, brûleurs immergés. 7) Procédé selon la revendication 1 appliqué au chauffage et au maintien en température de la grenaille, caractérisé en ce que le maintien à une valeur constante de la température de l'ensemble fluidisé constitué par le mélange particules-grenaille s'effectue par adjonction dosée de particules à température plus élevée que celle du traitement, le débit de ces particules plus chaudes étant réglé de façon à maintenir constante la température de traitement. 8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, appliqué au traitement continu de la grenaille, caractérisé en ce que le maintien en température s'effectue dans plusieurs étages de lits fluidisés. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour le traitement continu de grenaille, caractérisé en ce que le maintien en température s'effectue en un lit fluidisé pourvu de chicanes. 10) Procédé selon lune quelconque des revendications t à 7 pour le traitement continu de grenaille, caractérisé en ce que le maintien en température s'effectue dans une glissière fluidisée inclinée. 113 Procédé selon l'une quelconque des revendications a à 10 caractérisé en ce que l'on traite de la grenaille de fer, le lit fluidisé étant constitué de particules d'alumine, et la séparation des particules d'alumine et de la grenaille traitée s'effectue par triage magnétique. 12) A titre de produit industriel nouveau, de la grenaille traitée par trempe isotherme selon le procédé objet de l'une quelconque des revendications 1 à 11. 13) Procédé selon l'une quelconque des revendications a à lo appliqué à des objets autres que la grenaille mais pouvant & re fluidisés, notamment des objets de petites dimensions, éventuellement non métalliques, auquel cas la séparation de ces objets des particules du lit fluidisé peut s'effectuer par tamisage 14) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement par un four ayant une enceinte annulaire à partie inférieure trapézoldale pourvue d'une tôle perforée au travers de laquelle est introduit le gaz de fluidisation; cette enceinte est divisée en un certain nombre de secteurs à l'aide de palettes entraînées en rotation, de telle façon que chaque secteur soit amené respectivement, et successivement, en regard d'une alimentation en particules constituant le lit fluidisé, en regard d'une alimentation en grenaille à traiter, puis dans des emplacements où s'effectue le maintien en température, avant de venir en regard d'un moyen d'évacuation du mélange particules-grenaille, qui est ensuite séparé par tout moyen approprié, tel que, notamment, trieur magnétique.