Brevet FR2509452A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un four pour le traitement thermique ou thermochimique de pièces métalliques telles que des boulets en chrome. D'une manière générale on sait que le traitement thermochimique des boulets de chrome s'effectue dans un four à l'intérieur duquel on porte les boulets, disposés dans un creuset, par exemple en graphite, à une température d'environ 1250t sous une athmosphère de gaz de traitement telle qu'une athmosphère d'hydrogène. I1 statère quten utilisant des moyens classiques, la durée de traitement (de l'enfournement au au'défour- noient) est très longue notamment du fait que - la montée en température des boulets est très lente en raison de la masse calorifique importante des boulets à traiter et de l'écran thermique réalisé par le creuset (le temps de montée en température pouvant exéder 10 heures). - Le refroidissement de cette charge est également très longue étant donné qu'il est difficile, compte tenu de la forme du creuset, de faire passer au travers de la charge, d'une façon homogène, un gaz de refroidissement à un débit suffisant. C'est la raison pour laquelle, en vue de traiter de grosses quantités de boulets on a préféré, plutAt que de réduire les cycles de traitement, de fabriquer des fours à haute capacité, permettant de traiter des charges relativement importantes. L'importance de la charge (par exemple 6 Tonnes) permet alors de compenser la perte de productivité due à la durée de traitement (par exemple une fournée tous les trois jours). Toutefois l'inconvénient de cette solution réside essentiellement dans le fait que ces fours de haute capacité sont relativement chers et manquent de souplesse notamment lorsque la demande en boulets traités n'est pas régulière. L'invention a donc pour but de supprimer ces inconvénients. Elle propose un four de traitement de dimensions et de capacité plus réduites (2 tonnes) mais à cycle de traitement plus rapide (par exemple une fournée par jour) de manière à obtenir des rendements sensiblement égaux à ceux des fours précédemment mentionnés mais autorisant une plus grande souplesse d'utilisation et ce avec un investissement plus réduit. Pour parvenir à ces résultats, le four de traitement thermique ou thermochimique selon 1'invention fait intervenir une structure de four de traitement sous vide classique équipé de moyens de chauffage, de moyens permettant de créer à l'intérieur de l'enceinte un vide relatif et des moyens de régulation. A l'intérieur de ce four est disposé un creuset a double fond à paroi-intermédiaire perforée, qui forme une séparation entre le volume principal du creuset, à l'intérieur duquel sont placés les boulets à traiter, et une chambre d'admission de gaz de traitement reliée à une source de gaz de traitement située à l'intérieur du four. Selon l'invention, le volume principal du creuset est divisé au moyen d'un cloisonnement vertical en au moins un couple de compartiments adjacents communiquant l'un avec l'autre grâce à un passage menagé dans le bas du cloisonnement. Dans ce cas l'orifice d'accès de l'un de ces deux compartiments se trouve refermé au moyen d'un couvercle amovible équipé d'un conduit d'admission raccordé à un distributeur de gaz de refroidissement. Ainsi, lors de la phase de refroidissement, le gaz sous pression délivré par le distributeur traverse la charge de boulets contenue dans la première chambre dans le sens descendant, traverse la charge de boulets contenue dans la seconde chambre dans le sens ascendant, puis s'échappe dans le four. En raison de la section plus réduite que traverse le gaz on obtient donc une meilleure homogénéité de refroidissement de la charge. Par ailleurs en divisant la cavité principale du creuset en plusieurs couples de compartiments équipés comme précédemment on obtient à la fois une meilleure ventilation de la charge et une plus grande rapidité du refroidissement. Le creuset utilisé dans le four selon l'invention peut présenter des formes et des dimensions variées. I1 peut par exemple présenter une forme rectangulaire allongée. Dans ce cas le susdit cloisonnement comprend deux séries alternées de cloisons verticales transversales à savoir, une première série de cloisons s'étendant entre les deux parois longitudinales Jusqu'au double fond du creuset, de manière à obtenir une séparation totaleset une deuxième série de cloisons se terminant, dans leur partie inférieuret légèrement au-dessus du double fond de manière à créer un passage mettant en communication les deux compartiments adjacents. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention dans le cas d'un four à sole élévatrice, le creuset présente une forme annulaire ouverte dans sa partie supérieure. Dans ce cas le cloisonnement est constitué par des cloisons verticales radiales disposées selon une configuration (en représentation développée) analogue à celle d'un creuset rectangulaire. Selon une autre caractéristique de l'invention le circuit de refroidissement de la charge s'effectue en circuit fermé. Dans ce cas, le circuit de gaz de refroidissement est connecté à la sortie d'un surpresseur dont l'entrée communique avec le volume interne du four par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. Ainsi le gaz de refroidissement sous pression délivré par le surpresseur et distribué dans chacun des couples de compartiments du creuset, traverse la charge d'une façon uniforme puis circule à l'intérieur du four avant d'âtre aspiré par le surpresseur, après refroidissement dans l'échangeur. On obtient ainsi un refroidissement homogène de la charge et du creuset ainsi que de l'ensemble du four de sorte que l'on peut défourner la charge à basse température du four. Par ailleurs dans le cas où l'on utilise un creuset de forme annulaire dans une structure de four à sole élévatrice, les moyens de chauffage du four peuvent consister en deux séries de résistances de chauffage verticales disposées à proximité de chacune des deux parois cylindriques du creuset. Une telle disposition permet donc de réduire considérablement le temps de montée en température de la charge. Bien entendu, le système de refroidissement précédemment décrit doit etre compatible avec le système de circulation du gaz de traitement, à l'intérieur de la charge. A cet effet, l'invention prévoit dans le distributeur de gaz de refroidissement une vanne permettant, en position ouverte de faire communiquer les compartiments obturés par les susdits couvercles avec le volume interne du four. Ainsi, les gaz de traitement émis par la chambre d'admission, au travers des perforations du double fond, peuvent ainsi traverserdtune façon uniforme la totalité de la charge et se disperser ensuite à l'intérieur du four. Cette vanne peut en outre permettre, en position fermée comme il sera expliqué par la suite, d'assurer une pression mécanique d'étanchéité entre les conduits d'admission de gaz de refroidissement et les couvercles respectifs des susdits conparEnenbo En effet, en raison de la hauteur de la température de traitement cette pression d'étanchéité ne peut pas être maintenue sans risque de détérioration des conduits d'admission au cours de la phase de chauffage. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une coupe verticale schématique d'un four de traitement thermochimique de boulets à sole élévatrice. La figure 2 est une vue suivant f de la charge du four représenté figure 1. La figure 3 est une coupe verticale schématique en vue développée du creuset destiné à recevoir la charge du four représenté figure 1. La figure 4 est une coupe axiale schématique d'un four de type classique équipé d'un creuset de forme parallèlépipédique. Avec référence à la figure 1, le four se compose d'une enceinte métallique (à double enveloppe t et interposition d'eau) en forme de cloche présentant une paroi verticale cylindrique, et un dessus bombé 2. Cette enceinte est refermée par un fond mobile 3 formant la sole du four sur laquelle est montée la structure support 4 de la charge à traiter. Cette sole est équipé de moyens 5 permettant d'assurer l'étanchéité du four en position fermée et est associé à des moyens non représentés permettant de ltélever de manière à assurer la fermeture du four et de l'abaisser lors de l'ouverture en vue de procéder au chargement ou au déchargement. L'isolation thermique de ce four est réalisée de façon classique par un moufle 6 en forme de cloche refermé dans sa partie inférieure par une paroi 7 thermiquement isolante solidaire du fond mobile 3. En vue de permettre la circulation des gaz entre le volume intérieur du moufle 6 et l'espace compris entre le moufle 6 et l'enveloppe 1, la paroi 7 est équipée d'au moins un passage 8 formant une chicane optique. Dans ce four, la charge à traiter est contenue dans un creuset en graphite de forme annulaire 9 comprenant deux parois verticales cylindriques coaxiales 10, il refermées dans leur partie inférieure par un double fond 12, 13 qui délimite le volume principal 14 du creuset 9 destiné à recevoir la charge et une chambre d'admission 15 de gaz de traitement connectée à une source de gaz de traitement non représentée. La paroi intermédiaire 13 de ce double fond 12, 13 est munie d'une série de perçages 16 permettant le passage des gaz de traitement au travers la charge de boulets disposés dans le volume principal 14. Le chauffage de la charge s'effectue par rayonnement au moyen de deux séries de résistances verticales 17, 18 faisant face aux deux parois verticales cylindriques 10, du creuset 9. Par ailleurs ce four comprend en plus de tous les équipements dont sont habituellement pourvus les fours classiques de traitement sous atmosphère raréfiée, (pompe à vide, système de régulation de pression, de température etc...) un système permettant un refroidissement rapide et homogène de la charge de boulets ainsi que de l'ensemble du-four. A cet effet le volume principal de creuset 9 est divisé en une succession de compartiments 20, 21 au moyens de deux séries alternées de cloisons radiales verticales à savoir - une série de cloisons 22 atteignant la paroi intermédiaire 13 du double fond 12, 13 de manière à réaliser une séparation totale, et - une série de cloisons 23 s'arrêtant à à hauteur du double fond 13 de manière à permettre un passage de gaz 24 entre les deux compartiments adjacents 20, 21. On obtient ainsi une série de couples de compati ments 20, 21 communiquant ltun avec l'autre par le susdit passage 24. Un des compartiments de chacun de ces couples 21, 22 est refermé de façon étanche au moyen d'un couvercle 25 muni d'un orifice 26 dans lequel vient s'engager un tube d'alimentation 27 en gaz de refroidissement traversant le moufle 6 et connecté à un distributeur 28 de gaz de refroidissement logé dans la partie supérieure du four. Ce distributeur 28 est lui-mme raccordé par une liaison télescopique 30 à un circuit de gaz de refroisissement 31, traversant la double enveloppe 2 du four et connecté à la sortie d'un surpresseur 32 dont le circuit d'admission est raccordé au volume interne du four par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 33. On obtient ainsi un circuit de refroidissement en boucle fermée, ou éventuellement semi-fermée, selon lequel, le gaz de refroidissement sous pression et à basse température est transmis, par l'intermédiaire du distributeur 28 et des tubes d'alimentation 27, dans les compartiments 21 refermés par les couvercles 25. Il se crée donc à l'intérieur de ces compartiments 21 un courant gazeux traversant la charge de boulets vers le bas (flèche 35), puis passant au travers les passages 24 pour remonter ensuite au travers de la charge contenue dans les compartiments 20 adjacents. Au sortie de ces compartiments 20, le gaz de refroidissement circule à l'intérieur du moufle 6, passe par la chicane optique 8, puis, se trouve aspiré par le circuit d'admission du surpresseur 32 dans lequel il se trouve refroidi par l'action de l'échangeur de chaleur 33. Toutefois, il est nécessaire que ce circuit de refroidissement n'altère pas le fonctionnement du circuit de gaz de traitement. C'est la raison pour laquelle l'invention prévoit une vanne 36 permettant, lors de la phase de traitement proprement dite, de mettre le distributeur 28 en communication avec le volume intérieur du four. Le gaz de traitement peut ainsi circuler librement dans les compartiments 21 refermés par les couvercles 25. Dans l'exemple représenté cette vanne 36 consiste en une ouverture 37 ménagée dans la face supérieure du distributeur 28 et qui peut être fermée au moyen d'un clapet 38 actionné par un vérin 39 à tige verticale, situé à l'extérieur du four. L'avantage d'une telle disposition réside dans le fait qu'elle permet en outre de résoudre le problème de l'étanchéité des tubes d'admission 27 en gaz de refroidissement sur leurs couvercles 25 respectifs. En effet la jonction de ces tubes sur les couvercles s'effectue à l'intérieur du moufle 6 en des emplacements soumis à haute température (environ 12500C). En consèquence, en raison des modifications de la résistance mécanique des pièces à cette température et des effets de dilatation, il n'est pas possible d'assurer en continu une pression d'étanchéité. Pour résoudre ce problème l'invention propose de réaliser cette étanchéité à l'aide de collerettes 40 disposées au voisinage de l'extrémité des tubes d'admission 27 et qui viennent s'appliquer fermement sur les couvercles 25, sous l'effet de la pression exercée par le vérin 39, lorsque la vanne 36 est en position fermée, c'est-à-dire lorsque le four est en phase de refroidissement. Cette solution est rendue possible notamment gracie au montage téléscopique du distributeur 28 sur le circuit de gaz de refroidissement 31 et au fait que les tubes d'admission 27 peuvent coulisser au travers du moufle 6. Il est clair qu'au cours de la phase de chauffage et de traitement, la vanne 36 est à l'état ouvert et le vérin 39 tend à soulever les tubes d'admission 27, de sorte que les collerettes 40 ne subissent aucune con trajet susceptible de les déformer à haute température et ne peuvent pas non plus provoquer les déformations des tubes d'admission 27. Avec référence à la figure 4, le four se compose d'une enceinte thermiquement isolante 45, par exemple de forme tubulaire, munie à l'une de ses extrémités d'une porte 46 également thermiquement isolante. A l'intérieur de cette enceinte est prévue une structure support longitudinale 47 sur laquelle peut venir se diposer un creuset 48 de forme parallèlépipè- dique fermé dans sa partie supérieure par un couvercle étanche 49. Ce creuset comprend dans sa face frontale antérieure une ouverture 50 dans laquelle peut venir s'in- troduire un conduit d'admission 51 de gaz de refroidissement, et dans sa face frontale postérieure une ouverture d'échappement des gaz 52. D'une façon analogue à celle prédedemment décrite, le creuset comprend un double fond à paroi intermédiaire 53 perforé qui forme une séparation entre le volume principal 54 du creuset, à l'intérieur duquel peut dtre disposée la charge et une chambre d'admission 55 de gaz de traitement. Le volume principal 53 du creuset 48 est divisé au moyen d'un cloisonnement vertical comprenant deux séries alternées de cloisons verticales transversales 56, 57, à savoir une série 56 partant du couvercle 49 et se terminant à une hauteur déterminée du double fond 53 et une série partant du double fond 53 et se terminant à une distance déterminée du couvercle 49, cet ensemble faisant une succession de chicanes au travers desquelles le gaz de refroidissement suit un trajet sinueux. REVENDICATIONS 1.- Four pour le traitement thermique ou thermochimique de pièces métalliques telles que des boulets de chrome, ce four comprenant une structure et un équipement de four de traitement sous vide classique, ainsi qu'au moins un creuset 9 à double fond 12, 13 à paroi intermédiaire 13 perforée qui forme une séparation entre le volume principal 14 du creuset à l'intérieur duquel peut être disposée la charge et une chambre d'admission 15 de gaz de traitement reliée à une source de gaz de traitement disposée à l'intérieur du four, caractérisé en ce que le volume principal 14 du creuset 9 est divisé au moyen d'un cloisonnement vertical 22, 23 en au moins un couple de compartiments adjacents 20, 21 communiquant l'un avec l'autre grâce à un passage 24 ménagé dans le bas du cloisonnement, et en ce que, l'orifice d'accès de l'un de ces deux compartiments 21 se trouve refermé au moyen d'un couvercle amovible 25 équipé d'un conduit d'admission 27 raccordé à un distributeur 28 de gaz de refroidissement. 2.- Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le creuset 9 présente une forme rectangulaire allongée et comprend alors deux séries alternées de cloisons verticales transversales 22, 23, à savoir, une première série de cloisons 22 s'étendant entre les deux parois longitudinales jusqu'au double fond 13 du creuset 9, de manière à obtenir une séparation totale et une deuxième série de cloisons 23 se terminant, dans leur partie inférieure, légèrement au-dessus du double fond 13 de manière à créer un passage 24 mettant en communication les deux compartiments adjacents. 3.- Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le creuset 9 présente une forme annulaire ouverte dans sa partie supérieure, et en ce que dans ce cas le cloisonnement est constitué par deux séries alternées de cloisons verticales radiales 22, 23, les cloisons 22 de l'une de ces deux séries s'étendant jusqu'au double fond 13, tandis que les cloisons 23 de l'autre série laissent un passage libre 24 au niveau du double fond 13. 4.- Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement 31 de la charge s'effectue en circuit fermé ou semifermé. 5.- Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de gaz de refroidissement 31 est connecté à la sortie d'un surpresseur 32 dont l'entrée communique avec le volume interne du four par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 33. 6.- Four selon l'une des revendications précédentes présentant une structure de four à sole élevatrice et dans lequel le creuset 9 a une forme annulaire, caractérisé en ce que les moyens de chauffage du four consistent en deux séries de résistances de chauffage 18, 17 verticales disposées à proximité de chacune des deux parois cylindriques du creuset 9. 7.- Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les susdits conduits d'admission 27 sont raccordés à un distributeur de gaz de refroissement qui comprend une vanne 36 permettant, en position ouverte, de faire communiquer les compartiments 21 obturés par les susdits couvercle 25 avec le volume interne du four. 8.- Four selon la revendication 7,caractérisé en ce que la susdite vanne comprend une ouverture 37 ménagée dans la face supérieure du distributeur 28 et qui peut être fermée au moyen d'un clapet 38 actionné par un vérin à tige verticale. 9.- Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits d'admission 27 sont montés coulissants dans leur couvercle 25 respectif et comprennent une collerette 40 d'étanchéité, et en ce que ltensemble tubes d'admission 27 distributeur 28 est mobile verticalement de manière à ce que sous effet de la pression exercée par le susdit vérin 39, en position fermée de la vanne 36,les collerettes 40 puissent venir s'appliquer fermement sur les couvercles 25 et réaliser ainsi 11 étanchéité. 10.- Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le creuset 48 présente une forme parallèlépipédique, est fermé, dans sa partie supérieure par un couvercle étanche et présente dans sa face frontale antérieure une ouverture 56 dans laquelle peut venir s'introduire un conduit d'admission 51 de gaz de refroidissement, et dans sa face frontale postérieure une ouverture d'échappement des gaz 52 et en ce que le volume principal 54 du creuset 48 est divisé au moyen d'un cloisonnement vertical comprenant deux séries alternées de cloisons verticales transversales 56, 57 faisant une succession de chicanes forçant le gaz de refroidissement à suivre un trajet sinueux.