Brevet FR2467886A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne un procédé pour tremper des aciers et pour refroidir des alliages métalliques à l'aide d'une solution aqueuse additionnée de tétraborate de sodium. La trempe d'unités de volumes importants à des cadences élevées, telle que par exemple celle de grandes couronnes de fil, en cadence avec un train de laminoir, impose des exigences particulières à l'agent de trempe et à l'installation de trempe. L'action de l'agent de trempe doit rester uniforme bien que, en succession rapide, la teneur calorifique élevée de couronnes de fil lourdessoit cédée à l'agent de trempe et qu'ainsi il puisse se produire facilement une élévation de température, mais aussi des fluctuations de températures. Or une variation de la température du bain provoque une variation de la trempe. Dans ces conditions les couronnes de fil qui se succèdent ne sont pas trempées d'une manière uniforme. Il est donc nécessaire d'avoir un agent de trempe qui puisse être maintenu à une tempé- rature constante sans grande difficulté. En outre, un changement de programme pour ce qui concerne le diamètre ou la qualité du fil ne doit pas rendre nécessaire un changement de l'agent de trempeetd. procédé de trempe,puis- qu'un tel changement emporte une perte de temps et donc une diminution de la production. L'agent de trempe doit être donc d'un type tel que la propagation de la chaleur des températures élevées aux températures basses s'effectue, d'une part, suffi- samment rapidement et que, d'autre part, elle s'effectue sans différence ou saut brusque et ménage ainsi suffisamment la ma- tière trempée pour que même des qualités critiques sensibles aux tapures de trempe puissent être trempées avec succès. En outre, pour bien satisfaire aux exigences requises, la grande quantité de chaleur donnée à l'agent de trempe doit pouvoir être dissipée d'une manière économique. A celas'ajoutent encore d'autres exigences pour ce qui concerne l'agent de trempe. Il doit posséder une action uniforme,, même si les positions sont différentes,sur tous les éléments de surface, il doit être stable du point de vue thermique, il ne doit pas se décanter ou se déposer sur la pièce à traiter et doit être d'un prix favorable de manière à ne pas mettre en cause l'économie de la trempe. Il faut aussi que l'effet de re- froidissement ne donne pas d'effet sensible sur les impuretés habituelles de l'agent de trempe utilisé. 2 2467886 Les exigences prédominantes sont les trois premières con- ditions citées, à savoir la constance de la température du bain, une propagation de la chaleur rapide, mais sans fluctuations importaiWies, et la possibilité de refroidir facilement le bain. Les agents de trempe connus et utilisés ne remplissent qu'en partie la tâche complexe qui vient d'être indiquée, les huiles de trempe connues nécessitant une dépense coûteuse pour maintenir constante la température du bain, tandis que des quantités d'huiles très importantes doivent être pompées dans le système de refroidissement qui, lui aussi, en conséquence, est grand. En outre, les huiles de trempe connues ne donnent pas la qualité de propagation sensiblement uniforme de la chaleur qui est exigée. L'huile de trempe n'est pas stable non plus d'un point de vue thermique, elle se dissocie à des températures élevées et son efficacité s'en trouve modifiée. Le danger d'in- cendie et la formation de fumée constituent d'autres inconvé- nients. Il est connu d'ajouter aux huiles de trempe habituelles, à base d'hydrocarbures, des additifs qui, par exemple, doivent empêcher la sensibilité aux tapures d'aciex déterminé. C'est ainsi, par exemple, qu'à la demande de brevet mise à l'Inspection publique en République Fédérale Allemande sous le No.-13 33 966, on recommande des additions de 2 à 20 % d'un agent mouillant soufré à base de phénol, la stabilité de tels additifs n'étant pourtant pas suffisante. L'agent de trempe le moins coûteux, l'eau, ne satisfait pas aux exigences d'une propagation de la chaleur, d'une tempé- rature élevée à une température plus basse, d'une manière res- tant sensiblement uniforme. Si l'on ajoute des additifs pour empêcher la couche de vapeur dans la zone des températures plus élevées (phénomène de caléfaction), il reste que l'on obtient une élévation brusque de la propagation de la chaleur pour. des températures en surface qui s'abaissent, et un abaissement ulté- rieur pour des températures encore plus basses. Par des additions habituelles de 10 % de sel de cuisine ou de lessive de soude, ou de sel contenant du cyanure, on ne peut donc résoudre les difficultés mentionnées. A la demande de brevet publiée en République Fédérale Allemande sous le No. 28 15 090, on recommande d'ajouter à l'eau des additifs à base de verre soluble, de borax, de nitrate de sodium ou de nitrate de potassium, de substances 3 2467886 organiques, d'agents mouillants ou d'autres agents ayant un effet semblable. De cette recommandation, donnée d'une manière très générale, le spécialiste ne peut déduire une règle prati- que qu'avec difficulté, parce que le choix est trop grand et parce que les données précises pour ce qui concerne le choix, l'utilisation et la concentration de l'agent font défaut. Suivant cet état de la technique, on peut utiliser aussi pour patenter des solutions aqueuses de 6 à 10 % de verre soluble bouillant, ou de 8 à 12 % de-borax, à l'ébullition, ou de 4 à 6 % de nitrate de sodium ou de nitrate de potassium bouillants, qui sont des agents de refroidissement utilisables. Le but que l'on se fixe ainsi se distingue cependant de celui suivant l'invention d'une manière notable. On choisit et règle l'agent derefmroidisoement connu, pour ce qui concerne les additifs et la température, de manière à ce qu'il ne se produise aucune trempe du fil traité, mais qu'il se crée simplement une perlite en bande épaisse. En outre, le refroidissement du fil qui se trouve sous forme de boucle horizontale ouverte s'effectue au défilé sur des trans- porteurs à bande. La manière dont s'effectue le refroidissement se distingue aussi de l'invention. C'est pourquoi on ne peut déduire de la demande de brevet publiée en République Fédérale Allemande sous le No. 28 15 090 la solution de la tache que l'on s'est fixée ci-dessus. Enfin on connaît aussi des solutions aqueuses de sels (C.R.M. No. 32, septembre 1972, page 14). Suivant ce document, il faut choisir une proportion de sels qui représente de 1 à fois la quantité d'eau et qui peut aussi être encore plus élevée, afin de déplacer le point d'ébullition de ces solutions vers les températures plus élevées, jusqu'à 340'C. De ce docu- ment, on peut donc tirer par exemple la recommandation de dissou- dre 222 grammes de CaCl2 dans 100 grammes d'eau. Cette solution a un point d'ébullition de 1600C. En raison de la faible teneur en eau de cette solution, une perte d'eau agit d'une manière particulièrement importante sur l'effet de refroidissement de cet agent. L'entrainement notable de sels et le processus de lavage coûteux qui s'ensuit emportent des inconvénients techniques et économiques. En outre, la propagation de la chaleur atteinte ne suffit pas à la trempe de couronnes de fil dans les solutions connues. Le niveau de l'indice de propagation moyen de chaleur 4 2467886 est pour ces solutions de 600 W/m K, alors que celui de l'agent de trempe suivant l'invention est de 2000 W/m K. La température élevée du bain de 1600C et l'indice de propagation de chaleur moyen relativement bas de l'agent de trempe montrent que cet agent ne convient pas comme agent de trempe en vue de résoudre les difficultés que l'on se propose de résoudre suivant l'in- vention; cet agent est destiné à patenter des fils. Il s'est en outre révélé que l'on ne peut résoudre la tâche que l'on s'est fixé à l'aide des agents de refroidissement connus. Après des essais innombrables, on a trouvé qu'en obser- vant la procédure suivante, on peut utiliser un agent de refroi- dissement qui, d'une manière surprenante, remplit remarquablement la tâche que l'on s'est fixé: a) solution aqueuse, afin d'utiliser la chaleur d'évapo- ration de l'eau pour le refroidissement du bain; b) bain de trempe à la température d'ébullitionafin d'obtenir la constance exigée de la température c) addition de 200 à 500 grammes de tétraborate de sodium à 1000 grammes d'eau, pour élever la propagation de la chaleuraux températures élevées, par rapport-à l'eau, et pour diminuer la phase d'ébullition et, en même temps, pour la dépla- cer vers une température plus élevée; d) addition de 10 à 300 grammes de sulfate de sodium, pour élever davantage la densité de l'agent de trempe. Le sulfate de sodium augmente la solubilité du tétraborate de sodium dans l'eau; e) addition de 1 à 200 grammes de glycérine pour unifor- miser la propagation de la chaleur dans une gamme de températures plus vaste. La concentration optimale, suivant l'invention, de tétraborate de sodium va bien au-delà de la concentration consi- dérée comme favorable jusqu'ici. Les additions préférées de sulfate de sodium et de glycérine, qui sont en outre prévues, constituent une partie essentielle de l'invention, même sielles ne sont pas absolument nécessaires dans chaque cas d'utilisation. A la figure 1, on donne l'indice de propagation de la chaleur pour divers agents de trempe, en fonction de la tempé- rature en surface du produit trempé. La courbe 1 vaut pour une huile de trempe du commerce entre 60 et 80C et la courbe 2 pour de l'eau distillée à l'ébullition. Les courbes 3 à 7 valent 2467886 pour des agents de trempe conformes à l'invention ayant les compositions suivantes. Eau Tétraborate Sulfate _ au 0) de sodium de sodium Glycérine (H20) (Na2B407) (Na2SO4) (C3H803) (3) 1,0 0,320 _ _ (4) 1,0 0,340 _ (5) 1,0 0,360 _ _ (6) 1,0 0,450 _ 0,070 (7) 1,0 0,490 0,260 _ Il ressort de la figure 1 que le nouvel agent de trempe a un indice de propagation de la chaleur élevé dans une grande plage de températures, sans qu'il se produise de brusque sauts gênants. Pour exécuter le procédé suivant l'invention, il est prévu une installation de trempe particulière. Le récipient est avantageusement chauffé directement il a une enveloppe à double paroi emplie d'huile thermique. L'enveloppe chauffée va au-delà du niveau libre du bain et en- ferme aussi le fond, de sorte qu'il est exclu que les additifs puissent précipiter ou former des incrustations. On peut ainsi mieux maintenir constante la composition du bain. Le fond en forme de cône du bain de trempe présente un angle tel que tout dépôt de battitures est évité. On filtre le bain en le faisant passer suivant un courant secondaire et on le rend exempt de battitures. Dans le courant secondaire, on ajoute seulement l'eau qui correspond à la perte d'eau par évaporation. Il est aussi opportunément prévu des moyens pour régler ce processus de manière à assurer la constance de la composition du bain. Des surfaces de condensation se trouvant au-dessus du bain de trempe contribuent aussi à maintenir constante la compo- sition du bain. Le produit condensé, qui se dépose sur ces sur- faces de condensation, est retourné au bain. La vapeur, qui ne se condense pas sur ces surfaces, est aspirée et refroidie et le produit condensé que l'on obtient ainsi est également retourné au bain. Les additifs évacués avec le produit trempé sont 6 246?886 redissous en continu ou en discontinu par un dispositif de sur- veillance de la concentration et sont retournés au bain. La figure 2 représente une installation de trempe ayant les caractéristiques suivant l'invention, qui est décri- te ci-dessous. Le récipient 101 de trempe, ayant une enveloppe 102 à double paroi emplie d'huile thermique, est rétrécie vers le bas en forme de cône. Un serpentin 103 de chauffage entoure ce récipient. Il est prévu des appareils 104 de mesure pour contrôler et régler la concentration, la densité et la température, ainsi que des appareils 105 pour contrôler le niveau de la face libre du liquide. On peut effectuer l'addi- tion d'additifs manuellement ou automatiquement et cette addition n'est pas représentée au schéma. L'addition d'eau s'effectue par un conduit 106 etestiéglée par une vanne 107 à trois voies qui permet de recycler l'eau pour une partie par un conduit 108 au réservoir. L'eau recyclée peut être amenée à la température souhaitée par un dispositif 114 supplémentaire de chauffage, lequel est réglé par un dispositif 109 de surveillance de la température. Par la pompe 111, est soutiré du bain 101 par une vanne 112, en étant entraîné par un courant de l'eau de recyclage, un courant secondaire qui est envoyé sur le filtre 110, à l'aide de l'eau de recyclage mise en déplacement par la pompe 113. Une vanne 115 et un diaphragme 116 de mesure permettent de régler l'arrivée d'eau au réservoir 501 et au bain de trempe. Au-dessus du bain de trempe sont prévues des surfaces de condensation, qui ne sont pas représentées, et qui retournent l'eau condensée directement au bain de trempe. La vapeur d'eau non condensée est prise par la hotte 201 aspirante et se condense dans le dispositif 202 réfrigérant. Le produit condensé est utilisé pour noyer, et donc laver, les couronnes dans le réci- pient 301. Par la vanne 302, l'eau est envoyée à l'aide de la pompe 304, en passant par un filtre 305 et par un tuyau 306, au récipient 401 de lavage o s'effectue le premier lavage des couronnes par immersion. Cette eau est envoyée par l'intermé- diaire de la vanne 403, par la pompe 404, sur le filtre 405 avant d'aller au bain 101 de trempe ou au réservoir 501. La représentation schématique de la figure 2 ne peut donner qu'une vue générale de l'installation de trempe, et on peut songer à des variantes sans s'écarter de l'idée de base 7 2467886 de l'invention. C'est ainsi, par exemple, que la liaison des divers éléments de l'installation peut être telle qu'en aucun cas il ne soit nécessaire de recourir, pendant le fonctionne- ment, à une deuxième source d'énergie. Le procédé suivant l'invention et l'installation pour l'exécuter peuvent être utilisés, par exemple, pour des couron- nes d'acier à tremper. Mais on peut durcir aussi,avec avantage, par le nouveau procédé dans l'installation illustrée,d'autres formes de produits à durcir, comme des barres, ou des pièces forgées. En outre, l'invention peut être utilisée pour la métal- lurgie des métaux non ferreux, qui doivent être refroidis à partir de températures élevées. 8 2467886 REVENDICATIONS 1. Procédé pour tremper des aciers et pour refroidir des alliages métalliques à l'aide d'une solution aqueuse, addition- née de tétraborate de sodium, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir la proportion pondérale de tétraborate de sodium, par rapport à l'eau, entre 20 à 100 et 50 à 100, et à effectuer la trempe à la température d'ébullition de la solution. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à additionner l'agent de trempe de l à 30 parties en poids de sulfate de sodium pour 100 parties en poids d'eau. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à additionner l'agent de tremps de 0,1 à parties en poids de glycérine pour 100 parties en poids d'eau. 4. Installation pour exécuter le procédé selon l'une des revendications l à 3, caractérisé en ce qu'au-dessus du bain (101) de trempe sont prévues des surfaces de condensation refroidies, ainsi qu'une hotte (201) aspirante suivie d'un dispositif (202) réfrigérant. 5. Installation pour exécuter le procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le récipient (101) de trempe présente une enveloppe (102) à double paroi qui est emplie d'huile thermique et qui a un serpentin (103) de chauffage et le fond du récipient (101) de trempe s'amincit en forme de cône.