Brevet FR2464445A1 — publié le 19810306

1. Il existe actuellement de nombreuses utilisa- tions pour un appareil traitant un échantillon ou une pièce sous des pressions et des températures élevées, par exemple les fours destinés à réaliser des liaisons sous pression de gaz et les appareils de compression isostatique à chaud. Dans ces appareils, il est typique de traiter une pièce à 10000C et sous 105 MPa, bien que ces valeurs ne constituent pas des conditions maximales de température et de pression rencon- trées. Un appareil convenant à de telles applications comprend généralement un four placé à l'intérieur d'une enceinte résistant à la pression ou autoclave. Le four fournit la chaleur à la pièce et protège l'enceinte contre la température excessive. L'enceinte maintient le four et la pièce sous les pressions souhaitées. Pour une pression donnée, le diamètre de l'enceinte détermine l'épaisseur minimale de sécurité de la paroi de l'enceinte. Afin que les enceintes ne soient pas extrêmement lourdes, il est souhaitable d'en réduire autant que possible le diamètre. Autrement dit, l'espace compris entre la surface intérieure du revêtement de l'enceinte et la pièce doit être très petit, bien qu'il soit occupé par le four. Dans la plupart des procédés, il est essentiel que la température de la pièce soit extrêmement uniforme. Dans le cas contraire, des problèmes peuvent résulter d'un manque d'uniformité de la dilatation thermique de la pièce. Par conséquent, le four de l'appareil à haute pression et haute température doit répartir uniformément la chaleur dans la pièce. L'invention concerne une structure à four et enceinte sous pression ou autoclave, conçue pour minimiser le diamètre de l'enceinte sous pression tout en assurant une répartition uniforme de la chaleur dans la pièce afin que cette dernière prenne une température uniforme. L'appareil selon l'invention a un rapport avec le dispositif de circulation mécanique dans un four à auto- clave décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 151 400. 2. L'invention concerne donc un appareil permettant d'effectuer des opérations de liaison sous pression de gaz, de compression isostatique à chaud ou autres et dans lequel une pièce peut être traitée à des températures et des pressions élevées. Cet appareil comprend une enceinte cylindrique et allongée résistant à la pression et comportant une hotte ou un four isolé qui entoure une pièce et une sole sur laquelle la pièce repose. La sole est placée sur un socle réfractaire et un élément chauffant cylindrique entoure ce socle, de préférence totalement audessous de la sole. Il est préférable que l'élément chauffant soit en carbone ou en graphite. D'autres éléments chauffants à effet Joule, compre- nant une toile de molybdène ou de tungstène, peuvent donner satisfaction. L'élément chauffant peut être réalisé en SiC afin d'oxyder l'atmosphère avec une moindre consommation d'énergie. Un blindage réfractaire cylindrique peut être dis- posé autour du socle et de l'élément chauffant afin de permettre une transmission par convection de la chaleur de l'élément chauffant à la pièce placée sur la sole. Une cavité proche de la base du socle forme un logement pour organe d'impulsion, présentant des orifices de décharge orientés radialement et débouchant à travers la paroi du socle. Un organe d'impulsion est placé dans la cham- bre formée par cette cavité et comporte un arbre qui part vers le bas. Un mécanisme convenable entraîne cet arbre, par exemple au moyen d'un moteur électrique placé dans la partie inférieure de l'enceinte sous pression. Dans une forme de réalisation, l'arbre traverse le fond de l'enceinte et pénè- tre dans un dispositif-de commande étanche auquel des- aimants menés sont fixés. Des commandes magnétiques convenables sont décrites, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2 996 363 et n0 4 106 825. Le four comporte un registre télécommandé. Par conséquent, l'organe d'impulsion peut faire circuler l'atmosphère sous pression uniquement à l'intérieur du four, ou bien, par modification de la position du registre, l'organe d'impulsion peut faire circuler l'atmosphère du four le long des parois intérieures de l'enceinte sous pression et à l'intérieur du four. 3- L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'une forme de réalisation de l'appareil à four selon l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique montrant la circulation de l'atmosphère du four totalement à l'intérieur du four; et - la figure 4 est une vue schématique montrant la circulation de l'atmosphère du four le long de la surface intérieure de la paroi de l'enceinte pendant le refroidisse- ment. La figure 1 représente une enceinte sous pression 1, 2 diposée à l'extérieur d'un four comprenant une hotte 4, un blindage 9 et des éléments chauffants 8. Une pièce 7 est placée sur une sole 6 et un socle 5. Un déflecteur cylindrique 3 est disposé entre la hotte 4 et la surface intérieure de la paroi de l'enceinte 2. Comme montré sur la figure 1, l'enceinte sous pression ou autoclave comprend une embase 1 et une enveloppe ou coque retournée 2 ayant la forme d'un chapeau ou d'une cloche. Une bride, située à la base de l'enveloppe, présente des ouvertures au moyen desquelles des organes de fixation permettent d'assujettir l'enveloppe à l'embase. Un joint ou une garniture annulaire 21 assure l'étanchéité à la pression. L'embase ou l'enveloppe présente des ouvertures (non repré- sentées) qui sont reliées à un dispositif permettant d'éta- blir une pression à l'intérieur de l'enceinte, par exemple au moyen d'une atmosphère inerte. Des valeurs de pression attei- gnant 210 MPa sont typiques. L'épaisseur de l'enveloppe dépend des pressions à contenir et du diamètre de l'enve- loppe. En général, l'enveloppe est réalisée en acier à haute résistance. Selon l'invention, un socle 5, reposant sur l'embase, supporte une sole 6. Cette dernière doit être suf- 2464445 - 4. fisamment résistante pour supporter la pièce aux températures de travail. Le diamètre de la sole 6 est supérieur à celui du socle. Ceci permet à la base de la pièce 7 d'être plus grande que l'extrémité supérieure du socle 5. Un pied creux 22 supporte avantageusement un fond de four 23 sensiblement au-dessus de l'embase 1. Le pied 22 et le fond 23 peuvent être réalisés en acier au carbone. Un support 24, assurant une isolation thermique et électrique et pouvant être réalisé en matière isolante réfractaire ou en matière moulable à forte teneur en alumine, repose sur le fond du four. La partie supérieure du support 24 porte un bloc 25 présentant une chambre à organe d'impulsion. La sole 6, en graphite, molybdène ou tungstène, est placée au-dessus d'un prolongement 26 du socle. Un organe d'ancrage 27, fixé au bloc délimitant la chambre de l'organe d'impulsion, est engagé dans le prolongement du socle en graphite afin d'assu- rer l'alignement. Un élément cylindrique chauffant à effet Joule, en carbone, ou en graphite, en SiC ou en métal réfractaire (par exemple en molybdène), entoure le socle sans le toucher. Cet élément chauffant peut comprendre une cage cylindrique constituée de barreaux 8 disposés de manière que deux barreaux adjacents soient reliés par leurs extrémités supé- rieures au moyen de chapeaux 8a recouvrant chaque paire de barreaux. Deux anneaux conducteurs, dont l'un, représenté en 8b, comporte une denture extérieure et dont l'autre, repré- senté en 8c, comporte une denture intérieure, sont disposés autour du socle afin de former des embases qui supportent les barreaux cylindriques 8 et qui alimentent les paires de bar- reaux en courant électrique. Des connexions électriques 35 et 36 traversent l'embase de l'enceinte afin d'alimenter en courant électrique sous tension appropriée les éléments chauffants. Dans la forme préférée de réalisation décrite, le fond 23 du four, le support isolant 24 et le bloc 25 présen- tent des ouvertures permettant à des barreaux 29 de graphite, de carbone, de molybdène ou de tungstène, vissés aux anneaux conducteurs 8b et 8c, de pénétrer dans l'espace délimité au- - dessous du fond du four. Des éléments 30, placés dans cet espace, relient les barreaux à une borne 31 qui est connectée à un tube traversant l'embase 1 et permettant le passage de câbles conducteurs du courant électrique. Un blindage réfractaire 9 est placé autour de la périphérie de l'élément chauffant. Sa fonction principale est d'empêcher la chaleur dégagée par l'élément chauffant de rayonner directement vers l'extérieur et vers la hotte 4. Le blindage 9 peut être réalisé en un réfractaire isolant, par exemple des briques isolantes légères ou une matière réfractaire moulable. Ce blindage peut également comprendre un écran contre les rayons à plusieurs enveloppes. Le blindage 9 repose sur le fond du four par l'intermédiaire du support 24. La partie supérieure du blindage doit être ventilée. La paroi supérieure du blindage présente donc des trous 45 qui sont de préférence espacés les uns des autres autour d'un centre. Deux rangées d'ouvertures sont ménagées à proxi- mité de la base de la hotte 4. Chaque rangée est constituée de plusieurs ouvertures espacées circonférentiellement autour de la hotte. Les axes des ouvertures d'une rangée sont situés sensiblement dans un plan parallèle à l'embase de l'enceinte. Les deux rangées d'ouvertures sont espacées axia- lement ou verticalement. En général, les ouvertures 62 de retour, formant la rangée inférieure, sont situées radiale- ment à l'extérieur des canaux 47 d'entrée, comme décrit ci- après. Les ouvertures 64 de décharge, formant la rangée supé- rieure, sont situées au-dessus de la rangée d'ouvertures 62 de retour et juste au-dessus du support isolant 24. Le support isolant 24 présente une ouverture axiale 48 de laquelle des canaux d'entrée 47 partent radiale- ment. Ces canaux 47 sont situés de manière à être alignés avec les ouvertures 62 de retour présentées par la hotte 4. Le bloc 25 présente une chambre de laquelle partent plusieurs orifices radiaux 49 de décharge et dans laquelle un organe d'impulsion 50 est placé et fixé à un arbre 52 partant vers le bas. Cet arbre traverse le support isolant 24, le fond 23 du four, le pied 20 et l'embase 1 de l'enceinte sous pression. 6. L'arbre 52 pénètre dans un dispositif de commande magnétique étanche du type décrit, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2 996 363 et no 4 106 825 précités. Dans une autre forme de réalisation, l'arbre 52 est entraîné par un moteur électrique placé entre l'embase 1 et le fond 23 du four. Dans ce cas, la température de l'espace, ménagé au-dessous du fond du four doit être maintenue avec soin à une valeur permettant un fonctionnement sûr du moteur électrique. De plus, le moteur électrique exige d'augmenter l'espace compris entre le fond et l'embase. Quels que soient les moyens utilisés pour faire tourner l'arbre 52, ils doivent permettre un réglage de vitesse. Il est ainsi possible d'adapter la circulation établie à l'intérieur de l'enceinte au procédé particulier ou à l'étape particulière de procédé en cours dans l'enceinte. Après avoir traversé le fond 23 du four, l'arbre 52 passe dans une bague alignée axialement et dans laquelle il tourillonne. Ce montage est souhaitable dans le cas o, du fait de sa longueur, l'arbre produit des vibrations exces- sives s'il ne tourillonne pas en passant à travers le fond 23. L'organe 50 d'impulsion peut être une "cage d'écureuil" de conception classique ou un élément de toute autre concep- tion convenable. Etant donné que cet organe d'impulsion est soumis à des températures élevées, il doit être réalisé, de même que l'arbre 52, dans des matières pouvant supporter de telles températures. La structure décrite jusqu'à présent est sensi- blement analogue à celle décrite dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique n0 4 151 400 précité, sauf en ce qui concerne la hotte 4, la rangée d'ouvertures 62 d'entrée et la rangée d'ouvertures 64 de décharge ménagées dans la hotte. Le déflecteur tubulaire 3 placé entre la surface intérieure de la paroi de l'enceinte et la hotte 4 présente plusieurs ouvertures 70 espacées circonférentiellement et situées également radialement à l'extérieur des canaux 47 d'entrée et des ouvertures 62 de retour ménagées dans la hotte. Un registre annulaire 72, pouvant coulisser étroitement à l'intérieur du déflecteur 3, comprend un mince 7. tube de métal réfractaire, par exemple d'acier inoxydable ou autre. Ce registre annulaire 72 comporte une bride radiale 73 qui fait saillie vers l'intérieur de son bord supérieur. La largeur de la bride radiale 73 est suffisante pour fermer l'espace annulaire compris entre le déflecteur 3 et la hotte 4 avec un jeu assez important pour permettre un mouvement aisé du registre 72. Ce dernier présente plusieurs ouvertures 74 proches de sa bride radiale 73 et destinées à être placées en alignement avec les ouvertures 70 du déflecteur 3 par des mouvements verticaux de positionnement du registre. Le déflecteur 3, de même que le registre annu- laire 72, peut comprendre un mince tube de métal réfractaire, car sa seule fonction est de diriger l'écoulement de l'atmos- phère en circulation. Plusieurs colonnes 76 commandées par bobines sont placées sur l'embase 1 et disposées de manière à élever et abaisser le registre annulaire 72 sur une faible distance, par-exemple de 10 à 15 cm, lorsque les bobines sont excitées électriquement ou désexcitées, suivant le cas. Lorsque le registre annulaire est en position haute (comme montré sur les figures 1 et 3), l'atmosphère du four est aspirée vers le bas entre le blindage 9 et la hotte 4, sort par les ouvertures 64 de décharge ménagées dans la hotte et est ensuite dirigée par le registre annulaire vers les ouvertures 62 d'entrée ménagées dans la hotte et vers les canaux 47 d'entrée. A ce moment, les ouvertures 70 du déflec- teur 3 et les ouvertures 74 du registre annulaire ne sont pas alignées. Lorsque le registre annulaire est en position basse (comme montré sur la figure 4), l'atmosphère du four est aspirée vers le bas entre le blindage 9 et la hotte 4 et sort par les ouvertures 64 de décharge de la hotte. L'atmos- phère est ensuite dirigée par la bride radiale 73 vers le haut,entre la hotte 4 et le déflecteur 3, puis elle est aspirée vers le bas entre le déflecteur 3 et la surface inté- rieure de la paroi 1 de l'enceinte. L'atmosphère est ensuite aspirée par les ouvertures alignées 70 du déflecteur 3 et 74 du registre annulaire 72 de manière à pénétrer dans les ouvertures 62 d'entrée et dans les canaux 47 d'entrée. 8. Lorsque l'organe d'impulsion 50 est mis en rota- tion, il entraîne vers l'intérieur du four l'atmosphère ou les gaz le long de l'arbre 52 et il refoule les gaz radiale- ment vers l'extérieur dans l'espace ménagé entre la paroi du socle et le blindage 9, à proximité des éléments chauffants 8. Les gaz sont chauffés en passant à proximité des éléments chauffants (pourvu que ces derniers soient alors chauffés) et ils sont refoulés dans l'espace situé au-dessus de la sole 6 o ils transmettent la chaleur à la pièce. Les gaz passent ensuite entre le blindage 9 et la hotte 4. Le circuit de retour dépend ensuite de la position du registre annulaire, comme indiqué précédemment. - La hotte isolante 4 assure l'isolation thermique principale entre, d'une part, la pièce et l'élément chauffant et, d'autre part, l'enveloppe de l'enceinte sous pression. La hotte est conçue pour minimiser la transmission de chaleur à l'enveloppe et pour avoir une faible capacitéthermique. Elle peut être conçue suivant un certain nombre de manières. La hotte représentée sur la figure 1 comprend un garnissage intérieur 40 en acier inoxydable et un garnissage extérieur 41 en acier au carbone, séparés par une couche 42 d'isolation thermique constituée de fibres céramiques. D'autres structu- res de hotte peuvent ne pas comporter de revêtement intérieur et peuvent comporter des briques isolantes réfractaires à la place des fibres. Un autre bouclier ou blindage thermique axial 43 peut être placé sur l'extrémité supérieure- de la hotte afin qu'il soit possible d'obtenir de meilleurs résul- tats. Ce bouclier doit être réalisé en métal réfractaire, par exemple en alliage du type "Inconel". De même que dans le cas du socle, la quantité d'énergie thermique disponible pour élever la température de la pièce est d'autant plus grande que la quantité d'énergie thermique absorbée par la hotte est faible. Par conséquent, la capacité thermique de la hotte doit être réduite. 3-5 Le ou les éléments chauffants de l'appareil selon l'invention sont situés totalement au-dessous de la pièce et ils n'occupent donc pas l'espace compris entre la pièce 7 et la hotte 4. Ceci permet de diminuer le diamètre de la hotte 9. et, par conséquent, de l'enveloppe, avec les avantages qui en résultent et qui sont indiqués précédemment. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. - 10. REVENDICATIONS 1. - Appareil destiné à effectuer une liaison par pression de gaz, une compression isostatique à chaud ou toute autre opération de traitement d'une pièce (7) sous des tempé- ratures et des pressions élevées, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte cylindrique et allongée, résistant à la pression et entourant un four comprenant un fond (23) et une hotte isolante (4) qui repose sur le fond et qui renferme la pièce (7) reposant sur une sole (6), un déflecteur cylin- drique (3) étant placé entre la paroi intérieure de l'enceinte sous pression et la hotte isolante, un socle réfractaire, cylindrique et allongé (5) s'élevant du fond du four et portant la sole, un élément chauffant cylindrique (8) étant disposé autour et sensiblement sur toute la longueur du socle, au-dessous de la sole, un blindage cylindrique (9) entourant le socle et l'élément chauffant et s'élevant du fond du four et au-dessus de la sole, le socle présentant une chambre proche de sa base, de laquelle partent radialement des orifices (49) de décharge et dans laquelle est placé un organe d'impulsion (50) qui comporte un arbre (52) de commande partant vers le bas, un registre télécommandé (72) permettant de diriger l'écoulement de l'atmosphère du four sous l'action de l'organe d'impulsion afin que, lorsque ce registre occupe une première position, l'écoulement soit dirigé totalement vers l'intérieur de la hotte du four et que, lorsqu'il occupe une seconde position, l'écoulement soit dirigé de l'intérieur du four vers une zone comprise entre le déflecteur et l'intérieur de la paroi de l'enceinte, avant de revenir à l'organe d'impulsion. 2. - Appareil pour effectuer une liaison par pression de gaz, une compression isostatique à chaud ou toute autre opération de traitement d'une pièce (7) sous des tempé- ratures et des pressions élevées, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte cylindrique et allongée, résistant à la pression et renfermant un four comprenant un fond 23 sur lequel repose une hotte isolante (4) destinée à recouvrir la pièce (7) portée par une sole (6), un déflecteur cylindrique (3) étant traversé, à proximité de sa partie inférieure, par i1. des ouvertures (70), le déflecteur étant placé entre la paroi intérieure de l'enceinte sous pression et la hotte isolante, un support isolant (24) reposant sur le fond du four et pré- sentant une ouverture axiale de laquelle partent radialement des canaux (47) d'entrée, un socle réfractaire, cylindrique et allongé (5) comportant une base qui repose au-dessus de l'ouverture axiale du support isolant, la sole reposant sur le socle réfractaire, un élément chauffant cylindrique (8), coaxial au socle, reposant sur la base isolante, un blindage cylindrique (9), qui entoure le socle et l'élément chauffant, s'élevant du fond du four et au-dessus de la sole et étant traversé, à proximité de sa partie inférieure, par des ouver- tures, le socle présentant une chambre adjacente à sa base et en communication avec l'ouverture axiale du support isolant, des canaux (49) de décharge partant radialement de cette chambre dans laquelle est placé un organe d'impulsion (50) qui comporte un arbre (52) de commande faisant saillie vers le bas, un registre télécommandé (72) comprenant un obtura- teur cylindrique qui comporte une bride radiale (73) placée entre la hotte (4) et le déflecteur (3) afin de diriger l'écoulement de l'atmosphère du four sous l'action de l'organe d'impulsion afin que, lorsque ce registre est dans une première position, les ouvertures du déflecteur soient fermées et l'écoulement soit dirigé totalement vers l'inté- rieur de la hotte du four et que, lorsque ledit registre est dans une seconde position, les ouvertures du déflecteur soient ouvertes et l'écoulement soit dirigé de l'intérieur du four vers une zone comprise entre le déflecteur et la surface intérieure de la paroi de l'enceinte, avant de revenir à l'organe d'impulsion. 3. - Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des organes (76) commandés par des bobines électriques déplacent le registre (72) entre les première et seconde positions. 4. - Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le registre (72) comprend une partie cylin- drique à laquelle une bride radiale (73) est fixée, et des organes (76) qui permettent de télécommander le registre vers 12. une première position dans laquelle la partie cylindrique recouvre les ouvertures (70) du déflecteur (3) et la bride radiale (73) empêche tout écoulement, sortant par les ouver- tures proches de la partie inférieure de la hotte, de s'éle- ver entre le déflecteur et la hotte (4), les organes (76) permettant de télécommander le registre vers une seconde position dans laquelle la partie cylindrique découvre les ouvertures du déflecteur et la bride radiale empêche tout écoulement, sortant par les ouvertures proches de la partie inférieure de la hotte, de descendre entre le déflecteur et la hotte.