Brevet FR2500848A1 — publié le 19820903

Pour réguler la teneur en carbone de l'acier ou de la fonte traité dans un four, il est de pratique courante de réguler la composition de l'atmosphère de ce four de manière qu'elle consiste essentiellement en un gaz porteur sensiblement neutre auquel on ajoute, selon ce qui est nécessaire pour le processus particulier en cause, de faibles quantités de gaz de cémentatiori ou de décarburation, connus couramment sous le nom de gaz addi- tifs, pour modifier la teneur en carbone utile ou poten-- tiel, ce que l'on appellera ci-après "le potentiel de carbone",de la partie active de l'atmosphère du four. Les processus en cause comprennent une cémentation par gaz, une carbonitruration, une recarburation ou restauration de la teneur en carbone, un durcissement secondaire ou neutre et un recuit. Ainsi, en différents endroits d'un four continu ou à des moments différents au cours du cycle de fonctionnement d'un four discontinu, il peut s'avérer avantageux de réguler la composition de l'atmosphère, ou la composition de l'atmosphère se trouvant dans une zone particulière, afin d'y faire régner des potentiels en car- bone différents et réglés. En tout cas, l'acier ou la fonte est chauffé jusqu'à une température élevée réglée dans un four contenant une atmosphère qui peut fournir du car- bone à la surface de l'acier ou en maintenir la teneur en carbone. Dans le passé, on a largement utilisé, comme source du gaz porteur pour l'atmosphère d'un four, la dé- composition thermique d'un hydrocarbure comme du gaz na- turel ou du propane, avec fourniture d'une quantité limi- tée d'air sur un catalyseur à base de nickel. Le gaz ré- sultant est couramment connu sous le nom de gaz de géné- rateur endothermique AGA type 302 et, lorsqu'on utilise du gaz naturel, ce gaz de générateur présente à l'analyse une composition de base formée de 20 % de CO, 40 i de H, et 40 % de N2. On tend actuellement à utiliser de plus en plus un mélange de méthanol (CH3OH) et de N2 comme gaz porteur. En présence de chaleur, le méthanol se dissocie en une partie de CO et deux parties de H2. En ajoutant deux parties de N2 gazeux, on peut produire une atmosphère de four dont la composition correspond à la même analyse de base de celle du gaz de générateur endothermique AGA type 302, à savoir 20 % de CO, 40 % de H2 et 40 % de N2. Il est bien entendu admis dans l'un et l'autre cas qu'il est nécessaire de réguler le potentiel de car- bone de l'atmosphère du four afin de pouvoir fournir la quantité voulue de carbone à la surface du métal soumis à un traitement. Le potentiel en carbone détermine l'apti- tude de l'atmosphère à fournir du carbone à la surface de l'acier ou de la fonte, à maintenir la teneur en car- bone à cet-te surface ou à extraire du carbone de cette surface, à la température à laquelle-la surface a été chauffée. On-réalise normalement cette régulation en me- surant un ou plusieurs constituants de l'atmosphère du four comme, sans que cela soit limitatif, CO2, 2 ou H20, et en effectuant des ajustements convenables du débit d'introduction du ou des gaz additifs afin d'obtenir le potentiel en carbone requis. Ce procédé se fonde sur l'hypothèse selon laquelle les constituants de l'atmos- phère d'un four, autres que le ou les constituants que l'on mesure, restent constants et que, donc, le ou les constituants mesurés sont en relation directe avec le po- tentiel en carbone (ou la teneur en carbone utilisable) de l'atmosphère. il a été trouvé que cette hypothèse n'est pas exacte, en raison de l'interaction bien connue entre les divers constituants de l'atmosphère d'un four. Lorsqu'on utilisait du gaz de générateur endo- thermique AGA type 302 comme gaz porteur, il était usuel dans le passé de surveiller l'analyse du gaz terminé final quittant le générateur en mesurant et contrôlant la teneur en CO2 ou ^20 '%point de rosée) du gaz final, et d'ajuster = le rapport de mélange de l'air et de l'hydrocarbure ser- vant à produire le gaz porteur final. De même, lorsque le gaz porteur est introduit sous forme de mélange de métha- nol et de N2, la pratique consiste actuellement à mesurer ou surveiller le débit d'introduction des deux consti- tuants et à ajuster en conséquence le rapport du métha- nol à N2. L'atmosphère au sein d'un four de traitement thermique, ou en une zone spécifique au sein d'un tel four, est maintenue par un afflux de gaz et, lorsque ces gaz sont le méthanol ou un hydrocarbure semblable, N2, et un gaz additif convenable dont le rôle consiste à réguler le potentiel en carbone, il vient d'être découvert qu'il existe un certain ensemble de corrélations interdépendantes entre le débit des divers gaz, la teneur en CO et le potentiel en carbone de l'atmosphère du four. Cela permet de prévoir une variation de teneur en CO provenant d'une variation du débit du ou des gaz additifs et de prévoir en outre une variation du potentiel en carbone, pendant que la teneur est surveillée dans le four, provenant d'une variation des débits relatifs du méthanol ou d'un hydrocarbure semblable et de N2. Donc, on peut dire que lorsqu'on mesure et sur- veille séparément la teneur en CO et le potentiel en car- bone de l'atmosphère du four, on peut exercer une régula- tion, avec des corrélations interdépendantes, entre les débits relatifs du méthanol ou d'un hydrocarbure semblable et de N2, principalement en réponse à la teneur mesurée en CO, mais aussi en se référant au potentiel en carbone me- suré. De même, dans un système intégré de commande dans le- quel les débits du méthanol ou d'un hydrocarbure semblable, du N2 et du gaz additif sont tous régulés séparément, la régulation du débit du gaz additif répond principalement à la valeur mesurée pour le potentiel en carbonemais se ré- fère également à la teneur en CO de l'atmosphère. On peut donc indiquer que la présente invention concerne un procédé pour réguler le rapport entre les dé- bits du méthanol, ou d'un hydrocarbure semblable, et de N2 lorsqu'on utilise ce mélange comme gaz porteur dans un four, en vue d'ajuster la teneur en carbone de l'acier ou de la fonte traité dans ce four. L'invention comporte donc la surveillance de la teneur en CO de l'atmosphère en un ou plusieurs endroits appropriés au sein du four et l'ajus- tement du ou des débits relatifs du méthanol, ou d'un hydrocarbure semblable, et/ou de l'azote pour maintenir une teneur voulue en CO. En même temps, on régule, par des moyens séparés répondant principalement à la valeur mesurée du potentiel en carbone, la quantité ou le débit du ou des gaz additifs introduits dans le four pour modi- fier le potentiel en carbone de l'atmosphère de ce four. On doit souligner que cette régulation du ou des débits relatifs du méthanol, ou d'un hydrocarbure sembla- ble, et de l'azote a principalement pour but de maintenir à une valeur prédéterminée la teneur en CO du four. Or, en établissant une situation dans laquelle la teneur en CO de l'atmosphère du four se trouve à une valeur prédéterminée, on rend plus représentatifs du po- tentiel en carbone de l'atmosphère du four le ou les cons- tituants mesurés en vue de réguler par des pratiques clas- siques le débit du ou des gaz additifs. Ces pratiques comprennent des mesures de la te- neur d'un ou plusieurs constituants de l'atmosphère du four, comme, sans que cela soit limitatif, CO2, 02 ou H20 (point de rosée) et l'ajustement du débit d'introduction du gaz additif nécessaire pour augmenter ou diminuer le potentiel en carbone. Au lieu de déterminer le potentiel en carbone de l'atmosphère existant dans le four, comme décrit ci-dessus, on peut faire appel à d'autres moyens pour déterminer ce potentiel en carbone comme, par exemple (sans que cela soit limitatif), appliquer le procédé bien connu de détermination du potentiel en carbone à l'aide d'un fil chaud, ou en mesurant une température de flamme. En tout cas, il a été trouvé que l'on peut régu- ler bien mieux le potentiel en carbone de l'atmosphère d'un four lorsque l'on maintient à-une valeur prédéterminée la teneur en CO da cette atmosphère. Ainsi, la teneur en CO de cette atmosphère peut être maintenue par exemple à 20 %, et, si cette teneur chute au-dessous de cette valeur, on augmente la proportion du méthanol, ou d'un hydrocarbure semblable, par rapport à N2. On voit ainsi que des ajustements des débits re- latifs du méthanol, ou d'un hydrocarbure semblable, et de N2, principalement pour maintenir à une valeur prédéterminée la teneur en CO, influent sur le potentiel en carbone de l'atmosphère du four. De même, des ajustementsdu débit du gaz additif, principalement pour ajuster le potentiel en carbone de l'atmosphère du four, influent sur la teneur en CO de l'atmosphère de ce four. Les corrélations d'inter- dépendance entre les débits des trois constituants gazeux de l'atmosphère du four sont prévisibles, et la régulation des valves commandant ces débits peut prendre cela en compte pour prévoir leurs effets secondaires. Le mécanisme destiné à commander les valves pour réguler le débit des divers constituants gazeux peut, mais ne doit pas néces- sairement, comporter des microprocesseurs programmables, de manière que cet ajustement puisse facilement se réaliser. On voit donc que le procédé proposé comporte la régulation des valves séparées commandant le débit de l'hydrocarbure et de N2 pour tenir compte des variations de la teneur en CO provenant des variations de débit du gaz additif. Le procédé peut également comporter la modi- fication de la régulation des valves commandant le débit du gaz additif pour tenir compte des variations du poten- tiel en carbone provenant des variations des débits de l'hydrocarbure et de N2* On modifie la régulation des val- ves séparées commandant les débits de l'hydrocarbure et de N2 pour tenir compte des variations de la teneur en CO provenant des variationsdu débit du gaz additif et l'on modifie la régulation de la ou des valves commandant le débit du gaz additif pour tenir compte des variations du potentiel en carbone provenant des variations des débits de l'hydrocarbure et de N2 La présente invention est applicable à des trai- tements du type continu ou discontinu, et elle est également applicable à l'ajustement du potentiel en carbone à dif- férentes valeurs au cours de phases différentes du trai- tement ou dans des compartiments différents d'un four, phases ou compartiments par lesquels les pièces métalliques passent, de façon continue ou intermittente. Le débit d'addition du mélange du méthanol, ou d'un hydrocarbure semblable, et de l'azote, ainsi que des gaz additifs,doit bien entendu tenir compte de la néces- sité de purger le four pour en éliminer les impuretés inopportunes ou les constituants de l'atmosphère introduits par suite de l'ouverture nécessaire des portes d'accès lorsque les pièces métalliques à traiter sont introduites dans le four ou retirées de celui-ci, ainsi que de la nécessité de maintenir une pression positive dans le four pour éviter une infiltration d'impuretés comme l'oxygène. Le débat global peut, bien entendu, être varié en augmen- tation ou en diminution selon les exigences opératoires et de traitement. Ainsi, l'invention est applicable à des situations dans lesquelles le débit global est réduit pen- dant des périodes spécifiques du cycle de traitement. - On voit ainsi que, dans le procédé proposé, on régule la commande de toutes les valves afin d'obtenir un débit global d'introduction de gaz dans le four tenant compte des opérations de purge, de la variation des cycles de traitement ou de certaines phasesde ces cycles, et de facteurs analogues. L'exposé ci-dessus s'est référé à la partie du gaz porteur de l'atmosphère du four produite par mélange de méthanol, ou d'un hydrocarbure semblable,-et d'azote. L'hydrocarbure préféré est le méthanol, puisqu'il se dis- socie en des proportions intéressantes de CO et H2. Cepen- dant, on peut utiliser de nombreux autres hydrocarbures, choisis en vue de produire par leur dissociation des pro- portions voulues de CO et H2. Dans l'exposé ci-dessus, le terme "surveillance" englobe des mesures continues ou intermittentes. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'in- vention, de nombreuses modifications peuvent apportées au procédé de régulation de l'atmosphère d'un four en vue de réguler la teneur en carbone de l'acier ou de la fonte qui y est traité. -2500848 REVENDICATIONS 1. Procédé pour réguler l'atmosphère d'un four en vue de réguler la teneur en carbone de l'acier ou de la fonte qui y est traité, procédé selon lequel on introduit, pour ajuster et réguler le potentiel en carbone de l'at- mosphère du four, une proportion majeure d'un gaz porteur sensiblement neutre, dont les constituants consistent es- sentiellement en un hydrocarbure et en de l'azote, et une proportion mineure d'un gaz additif, procédé caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à maintenir essentiellement à une valeur prédéterminée la teneur en Co de l'atmosphère en régulant le rapport hydrocarbure/ azote, et à ajuster le potentiel en carbone (ou la teneur en carbone utilisable) de l'atmosphère en régulant l'ad- dition du gaz additif à l'atmosphère de ce four. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hydrocarbure est le méthanol. 3. Procédé selon la revendication 1, selon lequel la régulation de la composition du gaz porteur est effec- tuée par ajustement des valves séparées déterminant les débits des constituants du gaz porteur introduit dans le four, et dans lequel la régulation de l'addition du gaz additif est obtenue Dar ajustement de la ou des valves commandant le débit de ce gaz additif, procédé caractérisé en ce qu'il comporte la surveillance séparée de la teneur en CO et du potentiel en carbone de l'atmosphère, la régu- lation des valves déterminant le débit des constituants du gaz porteur principalement en réponse à la teneur de l'at- mosphère en CO surveillée, et la régulation de la ou des valves déterminant le débit du gaz additif, principalement en réponse aux valeurs mesurées lors de la surveillance du potentiel en carbone de l'atmosphère. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'hydrocarbure faisant partie du gaz porteur est le méthanol. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on modifie la régulation des valves séparées com- 2500848- mandant le débit de l'hydrocarbure et de l'azote pour tenir compte des variations de la teneur en CO résultant des va- riations du débit d'introduction du gaz additif. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on modifie la régulation de la ou des valves comman- dant le débit d'introduction du gaz additif afin de tenir compte des variations du potentiel en carbone résultant des variations des débits d'introduction de l'hydrocarbure et de l'azote. 7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on modifie la régulation des valves séparées comman- dant les débits de l'hydrocarbure et de l'azote pour tenir compte des variations de la teneur en CO résultant des variations du débit d'introduction du gaz additif et en ce qu'on modifie la régulation de la ou des valves comman- dant le débit d'introduction du gaz additif pour tenir compte des variations du potentiel en carbone provenant des variations des débits d'introduction de l'hydrocarbure et de l'azote. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'hydrocarbure est du méthanol. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte la régulation de l'ensemble des valves pour assurer un débit global d'alimentation du four tenant compte des opérations de purge, de la variation des cycles de traitement ou de leurs phases, et de facteurs analogues du traitement thermique effectué dans le four.