Brevet FR2317706A1 — publié le 19770204

La présente invention est relative aux traitements thermiques, et elle concerne plus particulièrement le traitement thermique des matières métalliques. On a constaté que dans diverses techniques de traitement thermiques telles que le recruit, le revenu, la trempe de surface par cémentation ou nitruration etc., deux des facteurs les plus importants qui influencent le degré de traitement# thermique auquel est soumis un lot de matière, sont tout d'abord la température a laquelle est effectué le traitement thermique et, en second lieu, la durée pendant laquelle a lieu ce traitement thermique.Il en est particulièrement ainsi en ce qui concerne le recuit car il est bien connu que lorsqu'une matière laminée à froid telle que de ltacier à faible teneur de carbone, laminé à froid, est recuit en pot, il recristallise pendant le chauffage jusqu1# la température de recuit et s'adoucit ensuite progressivement pendant le maintien à la em- pérature de recuit. Dans la technique classique, un traitement thermique d'une durée particulière et à une température particulière, est choisi de façon que le produit final présente des propriétés satisfaisantes. Avec les fours de recuit à grande production, il est impossible de commander étroitement la température, et celle-ci peut dériver brusquement au dessus de la température minimale nécessaire, ce qui entraine une variation du degré d'adoucissement ou de durcissement obtenu. De plus, avec les fours à grande production, des Variables incontrôlables telles que le degré d'entretien provoquent des variations de la vitesse de chauffage et dans certains cas la température reste juste inférieure à la température minimale nécessaire pendant des périodes prolongées. Ceci est très fréquent avec les fours à plusieurs piles utilisés pour le recuit. Le résultat global est une nouvelle variation des propriétés finales du produit obtenu. Dans la pratique courante, un produit est normalement considéré comme acceptable lorsqu'il a subit un traitement dtune durée supérieure à une durée donnée. En conséquence, du fait que la tempé- rature, et de ce fait l'importance du traitement thermique, ne peuvent pas toujours être réglées de façon très précise pour les raisons précitées, la plus grande partie de la matière doit subir un traitement thermique plus long que celui qui serait strictement necessaire, afin que la partie de la matière soumise au plus faible traitement thermique soit cependant suffisamment traitée. Par suite, les frais de traitement sont plus élevés qu'il ne serait nécessaire. L'invention a pour but de réduire les conséquences des incon vénients précités de la pratique classique antérieure du traitement thermique. Cette invention a pour objet un procédé pour déterminer l'importance du traitement thermique subi par une matière brute pendant un processus de traitement thermique, selon lequel on intègre un signal représentatif de la température de traitement thermique en fonction du temps, suivant la formule dans laquelle N est un nombre d'unités de traitement thermique, t est la durée du traitement thermique exprimée en heures, K1 est une constante, T est la température de traitement en i Kelvin et f(T) est le taux relatif d'adoucissement ou de durcissement à différentes températures; on additionne les valeurs de N pendant le processus de traitement thermique, et l'on détermine à partir de cette somme l'importance du traitement thermique subi par la matière re brute. Le signal peut être intégré de façon continue pendant le traitement, mais en variante cependant des échantillons ou signaux correspondant à des sondages peuvent être intégrés à des intervalles choisis pendant le traitement. De préférence, le nombre d'unités de traitement thermique que subit la matière pendant le processus est réglé à la valeur nécessaire pour traiter au degré choisi la partie de la matière qui se trouve a la température la plus basse. D'une façon appropriée, cette partie de la matière est l'une d'un certain nombre de bobines empilées, la température étant celle de la partie la plus froide de cette bobine. D'une façon commode, la valeur de N que subit la matière pendant le refroidissement est également additionnée. D'une façon souhaitable la valeur de N que subit la matière pendant le chauffage est également additionnée. De préférence, l'alimentation en combustible de chauffage des parti#es déterminées du four de traitement thermique est commandée en fonction de la température enregistrée dans ces parties par ticulières du four, afin de maintenir cette température a' un niveau tel que des nécessités de traitement thermique distinctes dans ces parties particulières du four sont satisfaites approximativement au meme moment. L'invention a également pour objet un appareil pour déterminer l'importance du traitement thermique subi par une matière brute pendant un processus de traitement thermique, qui comprend des moyens pour intégrer un signal représentatif d'une température de traitement thermique en fonction du temps, suivant la formule dans laquelle N représente un nombre d'unités de traitements thermiques t est le temps de traitement exprimé en heures, K1 est une constante, T est la température de traitement thermique exprimée en degrés Kelvin, et f (T) est le taux relatif d'adoucissement ou de durcissement à différentes températures; des moyens pour additionner les valeurs de N pendant le processus de traitement, afin de permettre de déterminer à partir de la somme obtenue l'importance du traitement thermique subi par la matière. Le dispositif intégrateur peut etre adapté pour intégrer le signal d'une façon continue pendant le traitement, mais en variante, ce dispositif intégrateur peut etre adapté pour intégrer des signaux échantillons, à des intervalles choisis, au cours du traitement. Dans le cas où des signaux échantillons sont intégrés a des intervalles déterminés, le dispositif intégrateur peut être adapté pour reproduire le signal intégré sous une forme optique, et d'une façon appropriée, des moyens sont prévus pour fournir le signal optique au dispositif additionneur à intervalles déterminés, sous la forme d'une série dtimpulsions amplifiées. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le dispositif additionneur comprend un moteur qui peut être entrainé par le signal, le déplacement angulaire en rotation de l'arbre de ce moteur étant proportionnelle a la somme des valeurs de N. Le moteur peut alors être adapté pour entraîner un dispositif d'affichage numérique, ou en variante le moteur peut etre adapté pour entraîner un dispositif de sortie a nalogique. En variante, les dispositifs intégrateurs et additionneurs peuvent être constitués par un calculateur. Dans ce cas, des moyens sont de préférence prévus pour transmettre l'information au calculateur et recevoir une information de celui-ci afin de permettre de contrôler la somme des valeurs de N. Des moyens appropriés associés au dispositif additionneur sont adaptés pour commander l'alimentation en combustible des parties particulières du four de traitement en fonction de la température enregistrée dans ces parties particulières du four, afin de maintenir leur température à une valeur telle que les exigences de traitements thermiques distinctes dans les différentes parties du four soient satisfaites sensiblement au même instant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples, sur lesquels - la Fig. 1 est un schéma des différents composants d'un appareil pour intégrer des signaux échantillons à des intervalles choisis pendant un traitement thermique; - la Fig. 2 est un bloc diagramme de l'appareil représenté à la Fig.l; - la Fig 3 est un bloc diagramme d'un appareil comprenant un micro-calculateur; - la Fig. 4 est un bloc diagramme d'un autre appareil comprenant un mini-calculateur. Avant de se référer au dessin, on estime nécessaire de donner quelques indications sur la formule elle-meme, et sur la façon dont elle est utilisée. Dans la formule K1 f(T) dt, f(T3 doit être déterminé par voie expérimentale. on constate en général que la vitesse de la plupart des processus métallurgiques se produisant pendant un traitement thermique à une température particulière diminue avec le temps, à cette température. Ainsi, par exemple, l'adoucissement pendant le recuit se produit rapidement sur de courtes périodes de recuit lorsqu'un faible adoucissement est obtenu, mais se produit lentement pour de longues périodes de recuit lorsqu'un adoucissement appréciable intervient. En prenant la dérive de la variation du taux d'adoucissement en fonction de la température, il est essentiel par conséquent que les vitesses comparées correspondent au me- me degré d'adoucissement.Lorsqu'il s'agit du recuit d'un acier effervescent, on constate, d'une façon qui n'est pas tout à fait inattendue, que le taux varie avec l'exponentielle de la température absolue. Ainsi T étant la température exprimée en degrés, X, et K1 , g étant des constantes. Le taux relatif d'adoucissement peut être déterminé en portant sur une courbe la chute de la résistance à la rupture ou de la dureté en fonction du temps pour différentes températures choisies, K2 étant alors déterminé-# partir de ces résultats. Dans ce cas par conséquent, le nombre d'unités N de traitements thermiques est donné par la formule Il est commode de définir K1 de façon telle que soit égal à l'unité pour une certaine température appropriée. K1 et K2 peuvent bien entendu varier selon la qualité particulière de la matière à recuire. La température choisie devrait etre celle la plus souvent utilisée comme température minimale. L'unité N devient alors t'l'équivalent en heures a' la température minimale choisie". On voit ainsi que N est lié à la variation des propriétés de la charge pendant le traitement thermique et est à peu près indépendant du cycle précis temps-température, nécessaire pour procurer le changement de propriétés. Dans la pratique, la température d'un four peut varier dtune façon aléatoire au cours d'un long processus de traitement thermique. C'est dans ces conditions que l'invention devient particulièrement utile et permet d'effectuer des économies par comparaison avec l'utilisation des méthodes classiques. D'une façon générale, le procédé est particulièrement approprié au recuit, et en particulier au recuit d'un acier sous forme de bobines de feuillard, dans des fours à piles multiples. Dans ce cas, N est bien entendu d'une façon plus appropriée le nombre d'unités de recuit. Le nombre N de cycles ou d'unités de recuit qui est nécessaire pour produire le degré désiré d'adoucissement dans un échantillon d'acier ayant une dureté connue, est obtenu par expérience en utilisant l'appareil qui va être décrit plus loin. Ce nombre N peut alors être utilisé pour déterminer l'instant bù une bobine de la même matière, ayant au départ la meme dureté, a été recuite, dans des conditions de production, jusqu'au degré désiré d'adoucissement. Certaines parties d'un four de recuit sont plus froides que d'autres, et dans ce cas certaines bobines ou parties de bobines situées dans ces parties du four, se trouvent à des températures inférieures à celles auxquelles sont exposées d'autres bobines. Ainsi, les expériences doivent être conduites dans ces parties du four qui se trouvent aux températures les plus basses, de sorte que le nombre N de cycles de recuit soit suffisant pour recuire complètement toutes les bobines en cours de traitement. Dans des conditions appropriées, le nombre apparent de cycles de recuit N qui est donné, tel qu'il est calculé à partir de la lecture des informations fournies par un thermo-couple peut être modifié en fonction de la géométrie et du poids des bobines d'une charge etc..., de façon que le nombre réel de cycles subi par la partie interne des bobines, situées aux emplacements recevant le plus petit nombre de cycles, soit suffisant pour le traitement thermique. Sur le dessin et plus particulièrement sur la Fig.l, le dispos sitif intégrateur comprend une came 1 qui est fixée sur un arbre 2 du servo-moteur d'un enregistreur de températures à potentiomètre (non représenté) qui est couplé à un thermo-couple d'un four (non représenté). L'arbre 2 tourne jusqu'a' une position qui est fonction de la température enregistrée. Une source lumineuse, désignée par la flèche 3 sur la Fig.l, est disposée de façon à diriger de la lumière sur la surface d'une lentille 4. La lumière qui est réfractée à travers la lentille 4 est alors utilisée pour éclairer les extrémités arrière 5 de deux cent guides optiques 6 en fibres de verre. Les extrémités 5 sont disposées linéairement en direction verticale. Les extrémités avant 7 des guides 6 sont disposées en cercle.Une cellule photo-électrique 8 est placée au voisinage im médiat des extrémités avant 7 des guides de lumière 6 et tourne avec une vitesse constante suivant le lieu géométrique du cercle. La cellule photo-électrique 8 émet une impulsion chaque fois qu'elle se trouve au droit de l'extrémité avant éclairée 7 d'une fibre de guide optique 6. La came 1 interrompt la lumière entre la source lumineuse et les fibres 6 de sorte que le nombre des fibres 6 éclairées à chaque instant est directement proportionnel au nombre N de cycles de recuit, s'accumulant pour la température particulière qui est enregistrée. Par conséquent, la came 1 doit être taillée avec précision. Les impulsions produites et émises par la cellule photo-électrique 8 sont amplifiées par un amplidicateur 9 et sont alors additionnées par l'intermédiaire d'un dispositif additionneur constitué par un moteur 10 pas à pas et envoyees â un appareil enregistreur 11. Sur la Fig. 2, les différentes parties de l'appareil sont représentées de façon plus détaillée. On constate que l'appareil d'enregistrement il comporte huit canaux, quatre canaux 12, 14, 16 et 18 pour permettre l'enregistrement de la température, et quatre canaux 13, 15, 17 et 19 pour permettre d'enregistrer le nombre accumulé d'unités de recuit. Les températures enregistrées correspondent aux températures dans quatre parties différentes du four dans lesquelles est effectué le traitement thermique. Chaque canal de température comporte un canal correspondant de cycles de recuit accumulés. Chaque canal est commuté alternativement pour fonctionner pendant 1/8 du balayage total ou de la durée du cycle de ltenregis- trieur 11, et un commutateur 20 est prévu dans ce but.Ainsi, le canal 12 de température enregistre la température pendant 1/8 du cycle, et ensuite le canal 13 d'unités de recuit est commuté pour fonctionner pendant un autre 1/8 de cycle et enregistrer le nombre N d'unités de recuit approprié pour cette température. Le canal 14 est alors commuté à son tour et ainsi de suite. Des impulsions amplifiées, comme indiqué plus haut, sont produites par la source lumineuse 3, le générateur de fonction å fibres optiques (fibres optiques 6-cellule photo-électrique 8) et l'amplificateur 9, ces deux derniers organes étant reliés à une source commune 21 d'alimentation en énergie. Les impulsions sont alors envoyées par l'intermédiaire du commutateur 20 à l'un de quatre moteurs pas à pas 10 correspondants aux quatre canaux d'uni tés de recuit 13, 15, 17 et 19. Chaque moteur 10 est entraîné pendant 1/8 du temps total du cycle de l'appareil enregistreur 11. La rotation angulaire de l'arbre de chaque moteur est par conséquent directement proportionnelle au nombre total N d'unités de recuit auquel doit être soumise la matière qui doit être traitée.On suppose que le nombre d'unités indiqué de cette façon est représentatif des unités subies par le thermo-couple particulier correspondant pendant un cycle complet de ltenregistreur 11. Chaque moteur pas à pas 10 entraîne, par l'intermédiaire de boites d'engrenages appropriées et d'embrayages 22, un dispositif d'affichage numérique (non représenté} et également un potentiomètre 23 de sortie qui délivre une tension proportionnelle au nombre d'unités. Cette tension est enregistrée pendant chaque période alternée d'enregistrement. Le nombre total de cycles ou d'unités de recuit subis par chaque thermo-couple est bien entendu huit fois plus grand que celui représenté sur 11 enregistreur 11.Cet enregistreur, en ligne avec des enregistreurs classiques à canaux multiples, explore toutes les entrées de thermo-couple une fois toutes les quelques minutes. Un comparateur de température 24 et un ensemble de tension constante 25 permettent à une partie de la tension initiale du thermo-couple d'être renvoyée de telle sorte que la plage de températures dans laquelle se produit un recuit (ou traitement thermique) notable peut être portée sur une courbe avec une plus grande précision. Le calcul du nombre accumulé de cycles de recuit est également, par conséquent, plus précis. Comme le montre la Fig. 3, les sorties de quatre thermo-couples 26, 29, sont appliquées a' un micro-calculateur 30, par l'intermédiaire d'un dispositif multiplex 31, et d'un convertisseur logique numérique 32. A des intervalles de temps fixes, (d'une façon appropriée de dix;minutes), une horloge 33 donne l'ordre au calculateur 30 d'explorer toutes les entrées des thermo-couples. Le calculateur 30 calcule alors le nombre N d'unités de recuit qui ont été subies par chaque emplacement de thermo-couple. Ce nombre est alors appliqué par une interface 34 à une imprimante numérique 35 qui imprime un total cumulatif pour chaque entrée de thermo-couple. Après chaque cycle de recuit , le calculateur est rétabli dans son état initial par un dispositif 36 de réglage. On remarquera qu'en utilisant l'appareil représenté aux Fig.l, 2 et 3, le traitement thermique ou le recuit est arrêté lorsque le nombre connu N d'unités de traitement ou de recuit a été subi par les thermo-couples. Sur la Fig. 4, les entrées provenant de quatre thermo-couples 37, 40 sont envoyées à un calculateur 41 par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique (non représenté) comme avec 1' ap- pareil représenté à la Fig.3. Cependant, un dispositif d'entrée 42, constitué par un télé-imprimeur, constitue un moyen permettant à un opérateur de communiquer une information au calculateur 41, et de recevoir une information de ce dernier. Ce télé-imprimeur permet à l'opérateur d'indiquer au calculateur 41 combien d'unités N de recuit peuvent être nécessitées par les différentes bobines situées à l'intérieur du four. A des intervalles fixes, une horloge 43 donne au calculateur 41 l'ordre d'explorer toutes les entrées des thermo-couples.Comme avec l'appareil représenté à la Fig.3, le calculateur 41 calcule le nombre N des unités de recuit qui ont été subies par chaque entrée de thermo-couple. Le calculateur imprime alors des messages d'information pour l'opérateur, indiquant tout d'abord le moment où la charge de chaque four est probablement pre- te à subir un nombre suffisant d'unités de recuit et éventuellement lorsque un nombre suffisant d'unités de recuit a été appliqué. Les messages d'information permettent à l'opérateur d'organiser le recuit afin de donner un délai minimum pour l'achèvement du processus de recuit. Pendant le processus de recuit le dispositif d'affichage 44, qui dans ce cas est un régulateur de télévision, affiche le total cumulatif N des unités de recuit. A la fin de chaque recuit, le calculateur 41 sort une feuille d'informations par l'intermédiaire de l'imprimante numérique 45, et cette feuille d'informations peut être classée comme enregistrement permanent pour la charge de chaque four. De plus, le calculateur 41 est adapté pour commander l'alimentation en combustible des différentes parties du four en émettant un signal afin d'élever ou d'abaisser les soupapes d'admission de l'alimentation en combustible, comme représenté en 46 à la Fig.4 pour une soupape d'entrée. Ce signal est émis en fonction de la température et du nombre d'unités de recuit enregistré dans la partie particulière du four, afin de maintenir la température a' une valeur telle que les exigences de traitements thermiques distincts dans les différentes parties du four sont satisfaits approximativement au même instant. Le calculateur 41 représenté à la Fig. 4, est particulièrement approprié pour commander le recuit de plusieurs fours appartenant à une grande installation de recuit. Dans les exemples décrits cidessus, on a supposé que les températures indiquées par les thermocouples correspondant aux températures de la matière dans les différentes parties du four. Ceci peut ne pas être le cas, par exemple lorsque une bobine de feuillard ou une plaque, est recuite, les parties internes peuvent se trouver à une température plus basse que celle indiquée. Dans ce cas, le calculateur peut être utilisé pour calculer à partir de la température indiquée cette température plus basse, et le calculateur peut alors utiliser cette température pour calculer une indication plus précise du nombre d'unités de recuit subies par l'ensemble de la matière. En variante, le nombre apparent N d'unités de recuit qui ont été Mourniesf tel qu'il est calculé à partir de la lecture d'un thermo-couple peut être modifié en fonction de la géométrie et du poids des bobines d'une charge etc., de telle sorte que le nombre réel d'unités subies par l'intérieur des bobines, situées aux emplacements recevant le plus petit nombre d'unités, est suffisant pour leur traitement thermique. L'avantage important de la présente invention, en particulier en ce qui concerne le recuit, est qu'elle permet de tenir compte des variations des températures de recuit, pour établir si une charge a été ou non recuite a un degré suffisant. De plus, le degré de recuit que subit une charge lorsqu'elle est chauffée et refroidie à partir de la température nécessaire de recuit, peut être pris en considération de sorte que l'invention permet de réaliser des écono- mies notables de combustible. Bien que l'invention ait été décrite en référence au recuit, elle est également applicable à d'autres formes de traitements thermiques, tels que par exemple la cémentation, la nitruration et autres. REVENDICATIONS I - Procédé pour déterminer l'importance du traitement thermique auquel est soumise une matière brute pendant un processus de traitement thermique, caractérisé en ce qu'un signal représenté tatif de la température du traitement thermique en fonction du temps est intégré suivant la formule dans laquelle N est le nombre d'unités de traitement thermique, t est le temps de traitement exprimé en heures, K1 est une constante, T est la température de traitement thermique exprimée en degré K et f (T) est le taux relatif d'adoucissement ou de durcis- sentent à différentes temperatures, les valeurs de N pendant le processus de traitement sont additionnées, et le degré de traitement que reçoit la matière en est déduit. 2 - - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal est intégré de façon continue pendant tout le tr-=- ment thermique. 3 - Procédé suivant la revendication l, caractérisé en ce que des signaux échantillons sont intégrés1 à des intervalles de temps choisis, pendant le traitement 4 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'unités de traitement thermique que subit la matière pendant le traitement est réglé à la valeur nécessaire pour traiter thermiquement, dans la mesure choisie, la partie de la matière qui se trouve à la température la plus basse. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 a' 4, caractérisé en ce que la partie de la matière à la température la plus basse est l'une d'un certain nombre de bobines empilées, la température étant celle de la partie la plus froide - de la bobine. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de N que subit la matière pendant le refroidissement est également additionnée. 7 - Procédé suivant 11 une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de N que subit la matière pendant le chauffage est également additionnée. 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que 11 alimentation en combustible de chauffage des parties particulières du four de traitement est commandée en fonction de la température enregistrée dans ces parties particulières du four, afin de maintenir cette température & une valeur telle que des exigences de traitement thermique distincts dans ces parties particulières du four sont satisfaites ap proximativement en meme temps. 4 - Appareil pour déterminer ltimportance du traitement thermique subi par une matière brute pendant un processus de traitement thermique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (1, 30, 413 pour intégrer un signal représentatif de la température de traitement thermique en fonction dl temps, suivant la formule : dans laquelle N est un nombre d'unités de traitement thermique, t est le temps de traitement exprimé en heures, K1 est une constante, T est la température de traitement thermique exprimée en degré Kelvin et f (T) est le taux relatif d'adoucissement ou de durcissement a différentes températures; et des moyens (10, 30, 41) pour additionner les valeurs de N au cours du traitement thermique afin de déterminer 11 importance du traitement thermique auquel a été soumise la matière. 10 - Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif intégrateur (1, 30, 41) est adapté pour intégrer le signal de façon continue pendant le traitement. il - Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif intégrateur (1, 30, 41) est adapté pour intégrer des signaux échantillons à des intervalles de temps choisis, pendant le traitement. 12 - Appareil suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif intégrateur (1, 3, 5) est adapté pour reproduire le signal intégré sous forme de signal optique. 13 - Appareil suivant la revendication 12, caractérisé en ce que des moyens (8, 9) sont en outre prévus pour appliquer le signal optique au dispositif additionneur (10), à des intervalles de temps choisis, sous forme d'une série d'impulsions amplifiées. 14 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le dispositif additionneur 10 comprend un moteur (10) pouvant etre entraîné par le signal, la rotation angulaire de l'arbre du moteur étant proportionnelle à la somme des valeurs de N. 15 - Appareil suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le moteur 10 est adapté pour entraîner un dispositif de sortie analogique (23). 16 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les dispositifs intégrateur et additionneur (30,31) sont constitués par un calculateur (30, 41). 17 - Appareil suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (42) pour transmettre une information à un calculateur (41) et recevoir une information de ce dernier, afin de permettre de contrôler la somme des valeurs de N. 18 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 9 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (46) as souciés au dispositif additionneur (41) pour commander l'alimentation en combustible de parties particulières du four de traitement thermique en fonction de la température enregistrée dans ces parties particulières du four, afin de maintenir cette température à une valeur telle que des exigences de traitement thermique, dis- tincts dans ces différentes parties du four sont satisfaites approximativement au même instant.