Brevet FR2356104A1 — publié le 19780120

La présente invention concerne un four de traitement par la chaleur et un procédé de traitement thermochimique d'une charge métallique disposée dans l'enceinte d'un four chauffé en présence d'un gaz. Des exemples typiques de tels procédés de traitement par un gaz à chaud sont la carburation, la décarburation, la réduction et la nitruration. Selon un procédé typique de traitement thermochimique par un gaz, l'enceinte du four est vidée jusqu'a ce qu'on obtienne un vide élevé, et est ensuite chauffée pour élever la température de la charge métallique. Ensuite, on envoie un gaz de traitement approprié dans l'enceinte et on le fait circuler n contact avec la charge, l'intérieur de l'enceinte étant maintenu à une pression contrôlée et généralement inférieure à la pression atmosphérique, la charge étant toujours chauffée. Au contact des surfaces métalliques chauffées de la charge, le gaz se décompose pour donner au métal les caractéristiques de surface désirées, l'enceinte étant généralement alimentéeen continu en gaz pour maintenir un débit de gaz actif constant dans l'enceinte. Le but essentiel de la présente invention est la réalisation d'un four de type nouveau et de structure améliorée, ainsi qu'un procédé selon lequel on envoie le gaz de traitement pour le faire circuler sur la charge de façon particulière, ce qui a pour effet un traitement thermochimique des surfaces de la charge plus uniforme que les traitements de l'art antérieur; le four amélioré selon l'invention permet de plus le traitement efficace d'Lne chars à traiter de taille relativement importante avec un volume relativement petit de gaz. Plus précisément, le procédé et le four selon l'invention permettent d'atteindre les objectifs définis précédemment, en faisant circuler le gaz s6r la charge selon des mouvements multi-directionnels très rapides et nÛpas selon un flux uni-direetionnel, comme dans l'art antérieur, pour permettre un contact plus uniforme du gaz actif avec toutes les surfaces de la charge et pour éliminer plus rapidement les produits de réaction gazeuse de es mêmes surfaces. L'invention a également pour objet la réalisation de moyens permettant de faire circuler le gaz e l'intérieur de ltencein- te et sur la charge, selon une circulation en va-et-vient et de commander ce mouvement de va-et-vient pour réaliser une circulation de gaz efficace sur des charges de formes extérieures variées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - Sur la figure 1, une vue en coupe d'un four de traitement par la chaleur amélioré selon l'invention, permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention - Sur les figures 2a et 2b, une vue en coupe illustrant la circulation multi-directionnelle de gaz autorisée par le four représenté sur la figure 1 - Sur les figures 3a et 3b, des vues similaires à celles des figures 2a et 2b illustrant schématiquement les circulations obtenues par une variante de four selon l'invention ; - Sur les figures 4a et 4b, des dessins schématiques illustrant une variante de mise en oeuvre du four représenté sur les figures 3a et 3b ; et - Sur les figures 5a à 5d, des vues en coupe illustrant la circulation des gaz réalisée selon une autre variante de four, incorporant les traits caractéristiques de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un four à vide 10 à parois froides, utilisé pour traiter une charge métallique il par la chaleur en présence d'un gaz de traitement généralement maintenu à une pression inférieure à la pression atmosphérique, à l'intérieur du four. Un four de ce type est décrit dans le brevet U.S. 3 171 759. Le four 10 comprend une enceinte interne cylindrique et creuse 13, maintenue sur les cotés par un bati 14 et refroidie par un manchon 15 où circule de l'eau. A l'intérieur de l'enceinte 13 est disposée une autre enceinte 16 à parois réfractaires, délimitant un volume constituant l'enceinte de traitement par la chaleur 17 où la charge 11 est supportée par dss rouleaux 19. La charge est chauffée par des éléments radiateurs convenables 20, qui peuvent être à alimentation électrique, disposés verticalement à l'intérieur de l'enceinte. Pour évacuer l'intérieur de l'enceinte 13 et par voie de conséquence l'enceinte 17, on utilise une pompe 21 qui communique avec l'intérieur de l'enceinte par le tuyau 23. Une soupape de type convenable 24 peut titre insérée sur le tuyau 23 et commandée par une alimentation de puissance non représentée pour maintenir le vide dans ltenceinte. Le gaz de traitement est envoyé dans l'enceinte à partir d'une source 27 qui l'insuffle dans l'enceinte 17 par le tuyau 28. Ledit tuyau pénètre par la partie supérieure de l'enceinte 13 et est relié à un injecteur de gaz en graphite 29 qui traverse le sommet de la paroi réfractaire 16. Une soupape désignée par 30 est disposée sur le tuyau 28 pour contrler le débit de gaz dans ltenceinte à une valeur sensiblement constante. Le pompage du gaz hors de l'en- ceinte est réalisé par la canalisation 31 débouchant dans l'enceinte au voisinage de sa partie inférieure, ladite canalisation communiquant avec une pompe 21 par l'intermédiaire d'une soupape 33 permettant de maintenir une pression de valeur constante à l'inté--- rieur de l'enceinte.Le four 10, tel que précédemment décrit est de conception particulièrement adaptée aux procédés de traitement thermochimique tels que la carburation sous vide selon laquelle le carbone d'un gaz hydrocarboné est transféré à la surface de la charge métallique chaude, pour obtenir un durcissement superficiel de cette charge 11. Dans les procédés de carburation sous vide classiques, le volume 17 à l'intérieur de l'enceinte est pompé jusqu'à ce qu'on obtienne un vide poussé, puis chauffé pour que la charge métallique soit soumise à un cycle de traitement sous vide de faible durée. Ensuite, l'enceinte est chauffée à une température d'environ 1090oC et est ensuite de nouveau remplie par l'intermédiaire du tuyau 28 par un gaz approprié tel que du méthane CH4. A titre d'exemple, on peut envoyer le méthane de façon continue dans la chambre, avec un débit de 700 litres par heure, et le flux de gaz s'échappant de l'enceinte peut entre régulé pour. maintenir la pression à l'intérieur de l'enceinte égale à 1/8 d'atmosphère environ. Le flux de gaz dans la chambre est maintenu jusqu'à ce que le niveau de pression désiré soit atteint. Le méthane circule sur la pièce de travail Il et se décompose au contact des surfaces de la pièce chauffée. La réaction de décomposition controlée est où le carbone est absorbe par les surfaces chautfees et litydrogene déplacé. Pour obtenir une profondeur de pénétration uniforme et contrôlée de la concentration en carbone, le carbone doit pouvoir être mis en présence de toutes les surfaces de la pièce. Ainsi, les gaz doivent de préférence circuler sur la pièce de travail de façon à remplacer en continu les produits de décomposition de l'hydrogène avec le méthane actif au voisinage de toutes les surfaces de la pièce. La présente invention est fondée sur la découverte que les surfaces de la pièce Il peuvent Btre traitées plus uniformément qu'auparavant en faisant circuler le gaz sur la pièce de travail selon un mouvement multi-directionnel rapide et alternatif, plutdt que la circulation conventionnelle uni-directionnelle du gaz, produite habituellement par des ventilateurs et autres instruments similaires.En donnant au gaz un mouvement de va-et-vient à la surface de la pièce à traiter, cette pièce est mieux alimentée en gaz actif, ceci sur tous les cotés de la pièce, et les produits de la réaction gazeuse sont plus facilement éliminés de la surface de la pièce de travail, ce qui fait que les réactions de traitement se font plus rapidement, ce qui permet de traiter des pièces plus denses et plus volumineuses avec un volume de gaz relativement faible. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le gaz circule au contact de la pièce 11 selon un mouvement de va-et-vient. A cette fin, un plongeur 35 recouvert d'un matériau isolant est ajusté à l'intérieur d'une cavité ou compartiment 36 qui communique avec l'enceinte 17, et qui est représenté sur la figure 1 dans la partie basse de l'enceinte. Un organe 37, par exemple un cylindre pneumatlquu 37 est fixé en dessous de l'enceinte 13 et comprend un piston 39 relié au plongeur. Quand le piston 39 se déplace vers le bas, le plongeur 35 suit ce meme mouvement en aspirant le gaz dans le compartiment 36, ce qui fait que le gaz s'écoule vers le bas, comme représenté sur la figure 2a.Réciproquement, lorsque le plongeur 35 s'élève sous l'action du piston 37, le gaz s'écoule dans l'enceinte 17, comme représenté sur la figure 2b. Grâce au dispositif tel que représenté sur la figure 1, et les deux modes de fonctionnement représentés sur les figures 2a et 2b, le gaz est admis en continu dans l'enceinte 17 et animé d'un mouvement de va-et-vient dans l'enceinte 17, mouvement de va-et-vient qui s'effectue également au contact de la pièce Il à traiter, à une fréquence choisie et une vitesse déterminée par les caractéristiques du mouvement oscillatoire, vélocité et période du plongeur 35. DQ au mouvement de va-et-vient du gaz sur les surfaces des pièces à traiter, les gaz circulent de façon turbulente au voisinage de la surface de la pièce et sont en contact plus uniforme avec toutes les surfaces de la pièce à traiter.Lorsqu'il est utilisé pour la mise en oeuvre d'un procédé de carburation sous vide, le dispositif de circulation en va-et-vient selon l'invention permet le remplacement rapide de lthydrogène par du méthane actif au voisinage des parois de la pièce à traiter, ce qui fait que ce gaz est de composition plus uniforme et traite selon des profondeurs plus uniformes la même pièce. De plus, le système permet l'utilisation de plus faibles quantités de gaz pour traiter une charge métallique d'une taille déterminée et permet le traitement efficace d'une charge relativement grande ou dense dans une enceinte de volume relativement petit.Le dispositif est efficace à des pressions allant devaleurs très faibles (50 à 100 microns) jusqu'à des valeurs relativement élevées (ctest-à-dire à la pression atmosphérique ou à des pressions supérieures) et de plus, ne se détériore pas rapidement dans les conditions de hautes températures et en présence d'un gaz réactif. Le plongeur 35 peut entre réalisé entièrement ou recouvert du même matériau réfractaire que celui des parois t6, et ainsi peut avoir une longue durée de vie, même lorsqu'exposé à l'effet des gaz réactifs. Le four 10' représenté sur les figures 3a, 3b, 4a et 4b est identique au four 10, à l'exception du fait que les plongeurs donrant un mouvement de va-et-vient au gaz, 35', sont disposés dans des compartiments 36' situés à l'extrémité inférieure et à ltextré- mité supérieure de enceinte 17'. Comme représenté sur les figures 3a et 3b, les plongeurs 35' peuvent se déplacer en phase et dans la meme direction, un plongeur se déplaçant vers l'intérieur de la chambre 17', alors que l'autre plongeur se retire et vice versa, pour donner au gaz à l'intérieur de cette enceinte 17' un mouvement bi-directionnel dO à l'aspiration et au refoulement du gaz dans les compartiments tels que 36'.Ou encore, on peut donner un mouvement de circulation plus aléatoire au gaz à l'intérieur de ltenceinte, tel que représenté sur les figures 4a et 4h en disposant des plongeurs 35', comme représenté sur ces figures en opposition de phase, ce qui fait que l'on aspire et refoule en même temps le gaz dans les deux compartiments 36'. Sur les figures 5a à 5d, on a représenté un four 10 ' ' dans lequel un plongeur 35" est situé dans un compartiment 35" sur un côté de l'enceinte 17" et un plongeur additionnel 35'' est situé à angle drait dans un autre compartiment 36", En déplaçant les plongeurs selon une séquence opératoire déterminée, le gaz peut circuler selon différentes directions pour être mis en contact avec les surfaces des parois, de façon optimale, pour des pièces de contour irrégulier dont certaines parties ne seraient pas mises encontact avec le gaz de circulation par un mouvement de va-et-vient unique. Une séquence donnée à titre d'exemple sur les figures 5a à 5d montre un cycle complet selon lequel le gaz est déplacé du bas vers le haut, de la gauche vers la droite, du haut vers le bas et de la droite vers la gauche. REVENDICATIONS 1- Four de traitement par la chaleur muni drupe enceinte entourée de parnis délimitant une enceinte de chauffage, d'éléments chauffants disposés à ltintérieur de l'enceinte pour chauffer une charge disposée dans ladite enceinte, de moyens incluant une entrée pour faire pénétrer dans ladite enceinte un flux sensiblement continu de gaz de traitement, de moyens incluant un orifice de sortie pour aspirer un flux sensiblement constant de gaz de ladite enceinte, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des moyens pour donner au gaz dans enceinte un mouvement de va et vient, alors qu'il s'écoule de ladite entrée jusqu'à ladite sortie, ce qui fait que la circulation de gaz à l'intérieur de l'enceinte est une circulation oscillatoiret et que le trajet du gaz au voisinage de la pièce charge est oscillatoire. 2- Four de traitement par la chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend de plus un compartiment communiquant avec ladite enceinte, et en ce que les derniers moyens comprennent un plongeur situé à l'intérieur du compartiment se déplaçant vers et s'éloignant de ladite enceinte, et des moyens pour agir sur ledit plongeur à l'intérieur dudit compartiment de façon à ce que ledit plongeur aspire du gaz dans ledit compartiment lorsqu'il est déplacé hors de ladite enceinte et repousse le gaz hors dudit compartiment lorsqu'il est déplacé vers ladite enceinte, de façon à ce que le gaz circule au voisinage de la charge selon un mouvement oscillatoire de va et vient. 3- Four de traitement par la chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qutil comprend de plus un compartiment additionnel communiquant avec ladite enceinte et un plongeur additionnel disposé dans ledit compartiment additionnel qui se déplace alternativement verset loin de ladite enceinte et des moyens pour agir sur ledit plongeur additionnel situé dans ledit compartiment additionnel 4- Four de traitement par la chaleur selon la revendication 3, caractérisé an ce que ledit plongeur et ledit plongeur additionnel sont disposés sur des catés en vis à vis de ladite enceinte. 5- Four de traitement par la chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour mouvoir lesdits plongeurs agissent en phase et dans la mEme direction, ce qui fait que lorsqu'un plongeur se déplace vers ladite enceintE l'autre plongeur s'en éloigne et inversement. 6- Four de traitement par la chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'action sur les plongeurs font que lesdits plongeursagissent en opposition de plongeurs phase, lesdits/se deplaçant vers l'intérieur de ladite enceinte et s'en éloignant simultanément'. 7- Four de traitement par la chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un plongeur et un plongeur ad ditionnel sont disposés sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre. 8- Procédé de traitement par la chaleur d'une charge, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : on fait passer un gaz de traitement dans une enceinte chauffée contenant une charge, de façon sensiblement continue, et on donne au gaz dans enceinte un mouvement de va et vient pour faire circuler le gaz à l'intérieur de l'enceinte selon un mouvement alternatif au voisinage de la charge. 9- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ce mouvement de va et vient est produit en aspirant une partie du gaz dans un compartiment communiquant avec ladite enceinte et ensuite en expulsant ledit gaz dudit rompartiment poc le faire pénétrer dans ladite enceinte. 10- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le mouvement de va et vient est imposé au gaz dans l'enceinte par aspiration dans les premier et second compartiments communiquant avec les côtés opposés de ladite enceinte et en expulsant ledit gaz desdits compartiments. 11- Procédé salon la revendication 10, caractérisé en ce que le mouvement de va et vient est imposé au gaz en aspirant le gaz dans ledit premiercompartiment alors que l'on expulse que simultanément la gaz dudit second compartiment puis/lton expulse le gaz dudit premier compartiment en aspirant simultanément du gaz dans ledit second compartiment. 12- Procédé selon la revendication 10, caractérisé an ce que le mouvement de va et vient est imposé audit gaz an aspirant simultanément le gaz dans les deux dits compartiments puis en expulsant le gaz simultanément hors des deux dits compertimarts 13- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le mouvement de va et vient du gaz dans l'enceinte est imposé en aspirant le gaz et en l'expulsant d'un premier et d'un second compartiments communiquant avec ladite enceinte et disposés sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre. 14- Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le mouvement de va et vient est imposé au gaz par aspiration du gaz dans ledit premier compartiment, aspiratian du gaz dans ledit second compartiment, expulsion du gaz hors dudit premier compartiment et ensuite expulsion du gaz hors dudit second compartiment.