Brevet FR2651307A1 — publié le 19910301

FOUR DE TRAITEMENT THERMIQUE EQUIPE DE MOYENS DE REFROIDIS- SEMENT PERFECTIONNES. La présente invention concerne un four pour le traitement thermique ou thermochimique de métaux tels que, par exemple, les aciers d'usage général, les aciers fins au carbone et les aciers alliés. D'une manière générale, on sait que pour ces métaux, les cycles de traitement thermique font habituellement succéder une phase de chauffage, une phase de maintien isotherme à la température de traitement, et une phase de refroidissement en une ou plusieurs étapes dont les paramètres essentiels sont la vitesse de refroidissement, la température finale, les durées des maintiens isothermes et le milieu de refroi- dissement. Il s'avère que certains traitements, tels que des trempes étagées et, en particulier, les trempes bainitiques exigent des vitesses de refroidissement relativement élevées (vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe). On rappelle à ce sujet que dans le cas des trempes bainitiques, ce refroidissement à vitesse rapide est poursuivi jusqu'à une température inférieure à celle de formation de la perli- te, tout en étant supérieure à la température à laquelle commence la transformation de l'austénite en martensite. 2 - Dans les fours de traitement sous atmosphère raréfiée, la phase de refroidissement s'effectue au moyen d'un fluide de refroidissement que l'on fait circuler, à l'intérieur du four, grâce à une turbine. Cette turbine est généralement disposée dans le volume intercalaire compris entre l'enceinte étanche du four (éven- tuellement revêtue d'une couche isolante) et le caisson réfractaire appelé "casing" qui délimite le laboratoire du four. Elle engendre un courant de fluide de refroidissement en cycle fermé qui est injecté sur les pièces à traiter grâce à au moins un orifice réalisé dans le casing. Ce flui- de retourne ensuite à la turbine après passage dans un échangeur thermique destiné à évacuer les calories à l'exté- rieur du four. Il s'avère que dans les structures de four usuelles, le courant de fluide pénètre dans le casing par un orifice d'admission situé d'un côté (en général sur la face supé- rieure) et ressort par un orifice d'aspiration situé à l'opposé. On constate, à l'usage, que cette disposition présente des inconvénients dus au fait que le refroidisse- ment des pièces ne s'effectue pas de façon homogène et qu'il se produit un gradient de température entre le côté des pièces orienté vers l'orifice d'admission et le côté orienté vers l'orifice d'aspiration. Cet inconvénient devient particulièrement important dans le cas o l'on souhaite obtenir des vitesses de refroidissement relativement éle- vées: dans ce cas, les gradients de température deviennent relativement importants et risquent d'engendrer des défor- mations nuisibles, voire même des détériorations (tapures) des pièces. L'invention a plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients grâce à des dispositions simples, peu coûteuses, mais cependant efficaces. - 3 - A cet effet, elle propose un four comprenant, de façon classique, une enceinte de forme tubulaire refermée, d'un côté, par un fond et, de l'autre côté, par une porte étan- che, un caisson réfractaire ou casing disposé à l'intérieur de l'enceinte, sensiblement coaxialement à celle-ci, ce caisson délimitant un laboratoire accessible de l'extérieur grâce à une porte en matériau réfractaire située à l'opposé d'un fond, en regard de la porte étanche de l'enceinte, des moyens de chauffage disposés à l'intérieur du caisson, des moyens permettant d'engendrer un vide relatif ou d'injecter un gaz à l'intérieur de l'enceinte, et une turbine permet- tant d'effectuer une circulation de gaz à l'intérieur du four selon un circuit fermé incluant des moyens de refroi- dissement. Selon l'invention, ce four est plus particulièrement carac- térisé en ce que la turbine est disposée coaxialement à l'enceinte dans l'intervalle compris entre les deux susdits fonds, en ce que cette turbine débite dans au moins deux conduits d'injection respectivement reliés à deux orifices prévus en deux emplacements opposés de la paroi latérale du caisson, et en ce que l'orifice d'admission de la turbine est en communication avec le volume intérieur du caisson, grâce à un orifice de sortie réalisé dans le fond dudit caisson. Avantageusement, les orifices d'injection sont équipés de buses d'injection orientées obliquement, en direction de la porte du caisson, de manière à engendrer une répartition uniforme des flux de gaz de refroidissement sur les pièces. Selon une autre caractéristique de l'invention, les susdites buses d'injection sont munies de clapets (ou registres) permettant de refermer les orifices d'injection tout en mettant les conduits d'injection en communication avec le volume intercalaire compris entre le caisson et l'enceinte. Dans ce cas, des moyens sont également prévus de manière à - 4 - ce que l'orifice d'admission de la turbine se trouve égale- ment en communication avec le volume intercalaire. Ces dispositions permettent donc d'obtenir un circuit auxiliai- re de fluide qui by-passe le caisson et, en conséquence, de réaliser un système d'asservissement de la température des pièces contenues dans le four indépendant de la vitesse de rotation de la turbine. Une telle disposition permet donc d'éviter les problèmes dus aux démarrages et à la régulation de vitesse du moteur entraînant la turbine, problèmes qui sont rarement résolus de façon satisfaisante. 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 axiale schématique d'un four de traitement thermique selon l'invention; La figure 2 est une coupe transversale du four repré- senté sur la figure 1; et La figure 3 est une représentation schématique du circuit d'asservissement associé au four. Tel que représenté sur les figures 1 et 2, le four comprend tout d'abord une enceinte cylindrique 1 refermée, d'un côté, par un fond bombé 2 et, de l'autre côté, par une porte étan- che 3, l'ensemble reposant au sol grâce à un piètement 4. Bien entendu, cette enceinte 1 peut être à simple ou à double paroi avec circulation d'eau intercalaire, et être éventuellement revêtue intérieurement d'une couche en matière thermiquement isolante. Le volume intérieur de l'enceinte 1 est connecté à des moyens 5 permettant de réaliser un vide relatif ainsi qu'à des moyens d'injection d'un gaz de traitement ou d'un gaz de refroidissement. - A l'intérieur de cette enceinte 1 est disposé un caisson 6 en matière thermiquement isolante qui présente une forme parallélépipédique sensiblement coaxiale à l'enceinte 1 et qui est refermée, d'un côté, par un fond 7 et, de l'autre côté, par une porte 8 sensiblement adjacente à la porte 3 de l'enceinte 1. Ce caisson 6 délimite le laboratoire à l'intérieur duquel les pièces P à traiter sont déposées en vue d'être traitées. Dans cet exemple, le chauffage des pièces P est assuré par rayonnement grâce à des résistances chauffantes électriques 9 disposées à l'intérieur du caisson 6. Le refroidissement des pièces P est, quant à lui, effectué grâce à un circuit de refroidissement faisant intervenir une turbine T sensiblement coaxiale à l'enceinte 1 et disposée dans le volume intercalaire compris entre le fond 2 de l'enceinte 1 et le fond 7 du caisson 6. Cette turbine T est entrainée par un moteur électrique M logé dans une cloche extérieure 11 fixée de façon étanche sur l'enceinte 1, et dont l'arbre d'entraînement 11' passe au travers du fond 2. Cette turbine T débite dans deux circuits.d'injection de gaz 12, 13 raccordés à deux buses d'injection 14, 15 prévues en deux emplacements opposés de la surface latérale du caisson 6. Dans cet exemple, ces deux circuits d'injection 12, 13 passent dans deux protubérances axiales 16, 17 de l'encein- te, qui ont été prévues de manière à pouvoir réduire le diamètre de l'enceinte 1 au strict minimum. Comme précédemment mentionné, pour obtenir une meilleure homogénéité de température lors de la phase de refroidisse- ment, les buses 14, 15 sont axées obliquement par rapport à l'axe longitudinal du four et sont orientées vers la porte 8 du caisson 6. -6- Par ailleurs, ces buses 14, 15 sont équipées de clapets 19, en matière thermiquement isolante qui permettent d'inter- rompre le flux de gaz provenant de la turbine T et de le dériver dans l'espace intercalaire VI compris entre l'enceinte 1 et le caisson 6. Le retour de l'air injecté par la turbine T peut s'effectuer selon les deux trajets suivants. Dans le cas o les clapets 19, 20 sont en position ouverte, et o, en conséquence, la totalité du flux gazeux est injec- té dans le caisson 6, le retour du gaz jusqu'à l'orifice d'admission 21 de la turbine T s'effectue grâce à un orifice de sortie 22 prévu dans le fond 7 du caisson 6 qui débouche dans le volume intercalaire VI par un premier échangeur 23 dans lequel circule un fluide de refroidissement. Le flux gazeux, compris dans ce volume intercalaire VI, est ensuite aspiré par l'orifice d'admission 21 de la turbine T au travers d'un deuxième échangeur 24 également parcouru par un fluide de refroidissement. Dans le cas o les clapets 19, 20 sont en position fermée et o le flux gazeux est injecté dans le volume intercalaire VI, ce flux se trouvera directement aspiré par la turbine T au travers de l'échangeur 24. Bien entendu, pour assurer la continuité de l'isolation thermique au cours de la phase de chauffage, l'orifice de sortie est équipé d'une porte thermiquement isolante G, ici de type guillotine à double opercules 25, 26. Avantageusement, les deux échangeurs thermiques 23, 24 pourront être réalisés à l'aide d'un serpentin unique dispo- sé dans l'espace compris entre la porte G et la turbine T. Dans ce cas, la séparation entre les deux échangeurs est simplement réalisée au moyen d'une cloison radiale 30 dispo- sée coaxialement entre la porte G et la turbine T, de manière à obliger le flux de gaz émanant du caisson 6 à - 7 - emprunter un parcours sinueux passant par les deux échan- geurs 23, 24 avant de parvenir à l'orifice d'admission 21 de la turbine T. Le fonctionnement du four précédemment décrit sera exposé ci-après, en regard des figures 1 et 3 dans lesquelles les éléments correspondants portent les mêmes numéros de réfé- rence. Lors de la phase de chauffage d'un cycle de traitement, les clapets 19, 20 et la porte G sont fermés de manière à exci- ter autant que possible un échauffement contenu dans le volume intercalaire VI situé entre le caisson 6 et l'encein- te 1 ainsi que l'échauffement de cette dernière. Le chauffa- ge des pièces P est alors assuré au moyen des résistances 7 contenues dans le caisson. Au cours de ce chauffage, le volume intérieur de l'enceinte 1 peut être porté à une basse pression de manière à obtenir un vide relatif. De même, des moyens (non représentés) peuvent être prévus pour réaliser, à l'intérieur de cette enceinte 1 et, en particulier, à l'intérieur du caisson 6, une atmosphère de traitement, par exemple par injection sur les pièces P d'un gaz de traite- ment. De même, ce four peut en outre comprendre des équipe- ments permettant d'effectuer sur les pièces des traitements par bombardements ioniques et/ou des dépôts de matière par des procédés de type PVD (dépôts physiques et phase vapeur). Lors de la phase de refroidissement, un gaz neutre, servant de véhicule caloporteur, est injecté dans le four; à la suite de quoi les clapets 19, 20 et la porte G sont ouverts, tandis que la turbine T est mise en marche. Parallèlement, un courant de fluide réfrigérant est mis en circulation dans les échangeurs 23 et 24. Lorsque les clapets 19, 20 sont totalement ouverts, le flux gazeux produit par la turbine est totalement injecté sur les pièces P contenues dans le caisson 6. Ce flux passe ensuite dans les deux échangeurs avant de parvenir à l'orifice - 8 - d'admission 21. Il est clair que dans cette configuration, on obtient une vitesse maximale de refroidissement des pièces P. Par contre, lorsque les clapets 19, 20 sont fermés, les pièces P ne sont plus refroidies et la totalité du flux gazeux passe dans le volume intercalaire VI avant de revenir à la turbine T, après passage dans l'échangeur 24. Il convient de noter à ce sujet que, dans ce cas, le flux d'air ne sera que très peu chauffé par le caisson et ne nécessite pas de moyens de refroidissement importants. Du fait qu'il ne traverse que l'échangeur 24, il subit donc une perte de charge moins importante, ce qui entraîne une réduction du couple d'entraînement de la turbine T et, par conséquent, une réduction de la consommation électrique du moteur M. On peut ainsi refroidir rapidement la charge jusqu'à une température déterminée (trempe bainitique) et maintenir cette température le temps nécessaire à la transformation, par ouverture et fermeture successives des clapets et refroidir complètement ensuite pour défourner. Il est clair qu'entre les deux modes de fonctionnement pré- cédemment décrits, il existe un mode de fonctionnement intermédiaire, dans lequel les clapets 19, 20 sont partiel- lement ouverts et o une fraction variable du flux d'air est injectée sur les pièces P, tandis que la fraction restante retourne à la turbine T en passant par le volume intercalai- re VI et l'échangeur 24. L'invention tire parti de cette particularité pour effectuer un asservissement de la position des clapets en fonction de la température des pièces, détectée par un (ou plusieurs) capteur 31 et d'une loi de refroidissement préalablement établie. Dans ce cas, les clapets (qui jouent le rôle de vannes trois voies) sont équipés d'une motorisation de manière à pouvoir -9- être commandés, depuis l'extérieur du four, par un circuit d'asservissement 32, de préférence à microprocesseur, qui reçoit un signal représentatif de la température des pièces comme indiqué sur la figure 3. Un avantage important de ce mode d'asservissement consiste en ce qu'il n'intervient pas sur le moteur M de la turbine T, qui tourne à vitesse constante, de façon ininterrompue pendant toute la phase de refroidissement. Il n'est donc plus nécessaire de prévoir des variateurs de vitesses ou de dispositions particulières dues à des mises en marches et des arrêts fréquents du moteur M. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode d'exécu- tion précédemment décrit. Ainsi, par exemple, le four peut presenter une structure modulaire comportant au moins un module dont la section transversale correspond sensiblement du point de vue de la forme, à la section longitudinale du four représenté sur la figure 1. D'une façon plus précise, ce module peut présenter une enceinte tubulaire 1 axée perpendiculairement au plan de la figure 1 et comprenant deux parois latérales au lieu et à la place du fond 2 et de la porte 5. Cette enceinte peut être refermée à chacune de ses extrémi- tés au moyen d'une porte étanche ou venir se raccorder par chacune desdites extrémités à l'enceinte d'un module adja- cent. De même, le caisson 6 peut présenter une forme tubulaire de section rectangulaire qui s'étend coaxialement à l'enceinte et peut être refermé à chacune de ses extrémités par une porte thermiquement isolante. Bien entendu, les références 7 et 8 désignent ici les parois latérales du caisson et non un fond et une porte. - 10 - Le circuit de refroidissement équipant le module peut être sensiblement identique à celui précédemment décrit et ne sera donc pas explicité à nouveau. - 11 - Revendications 1. Four de traitement thermique ou thermochimique de métaux du type comprenant une enceinte (1) de forme tubulai- re refermée, d'un côté, par un fond (2) et, de l'autre côté, par une porte étanche (3), un caisson réfractaire ou casing (6) disposé à l'intérieur de l'enceinte (1), ce caisson (6) délimitant un laboratoire accessible de l'extérieur grâce à une porte (8) en matériau réfractaire située à l'opposé d'un fond (7), en regard de la porte étanche (3) de l'enceinte (1), des moyens de chauffage (9) disposés à l'intérieur du caisson (6), des moyens (5) permettant d'engendrer un vide relatif ou d'injecter un gaz à l'intérieur de l'enceinte (1), et une turbine (T) permettant d'effectuer une circula- tion de gaz à l'intérieur du four selon un circuit fermé incluant des moyens de refroidissement (23, 24), caractérisé en ce que la turbine (T) est disposée coaxiale- ment à l'enceinte (1) dans l'intervalle compris entre les deux susdits fonds (2, 7), en ce que cette turbine (T) débi- te dans au moins deux conduits d'injection (12, 13) respec- tivement reliés à deux orifices prévus en deux emplacements opposés de la paroi latérale du caisson (6), et en ce que l'orifice d'admission (21) de la turbine (T) est en communi- cation avec le volume intérieur du caisson (6), grâce à un orifice de sortie (22) réalisé dans le fond (7) dudit cais- son (6). 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices d'injection sont équipés de buses d'injection (14, 15) orientées obliquement, en direction de la porte (8) du caisson (6). 3. Four selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les susdits orifices d'injection sont munis d'obturateurs (19, 20) permettant de les refermer tout en mettant les conduits d'injection (12, 13) en communica- tion avec le volume intercalaire (VI) compris entre le caisson (6) et l'enceinte (1), et en ce que ce volume inter- - 12 - calaire (VI) est en communication avec le volume intérieur du caisson (6) et avec l'orifice d'admission (21) de la turbine (T) par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur dans lequel circule un fluide frigorigène. 4. Four selon la revendication 3, caractérisé en ce que le volume intercalaire (VI) est en communication avec le volume interne du caisson (6) par l'intermédiaire d'un premier échangeur (23), et avec l'ori- fice d'admission (21) de la turbine (T) par l'intermédiaire d'un second échangeur (24). 5. Four selon la revendication 4, caractérisé en ce que les susdits échangeurs (23, 24) sont réalisés à l'aide d'un serpentin disposé dans l'espace compris entre le fond (7) du caisson (6) et l'orifice d'admission (21) de la turbine (T), et en ce que la sépara- tion entre les deux échangeurs (23, 24) est réalisée au moyen d'une cloison radiale (30) disposée dans la région centrale dudit espace. 6. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice de sortie (22) du caisson (6) est équipé d'une porte (G). 7. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les susdits obturateurs (19, 20) sont actionnés par des moyens commandables depuis l'extérieur du four, en fonction de la température des pièces (P) et d'une loi de refroidissement préalablement établie. 8. Four de traitement thermique ou thermochimique de métaux comportant au moins un module comprenant une enceinte tubulaire (1), un caisson (6) de forme tubulaire qui s'étend à l'intérieur de l'enceinte (1), des moyens de chauffage disposés à l'intérieur du caisson (6), des moyens permettant d'engendrer un vide relatif ou d'injecter un gaz à l'inté- - 13 - rieur de l'enceinte (1) et une turbine (T) permettant d'effectuer une circulation de gaz à l'intérieur du module, caractérisé en ce que la turbine (T) est disposée dans l'intervalle compris entre les parois latérales de l'encein- te (1) et du caisson (6), en ce que cette turbine (T) débite dans au moins deux conduits d'injection (12, 13) respective- ment reliés à deux orifices prévus en deux emplacements opposés de la paroi du caisson (6), et en ce que l'orifice d'admission (21) de la turbine (T) est en communication avec le volume intérieur du caisson (6) grâce à un troisième ori- fice réalisé dans le caisson en un emplacement éloigné de celui des deux premiers orifices. 9. Four selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enceinte (1) peut être refermée à chacune de ses extrémités par une porte étanche. 10. Four selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est raccordée par au moins l'une de ses extrémités à l'enceinte d'un module adja- cent. 11. Four selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les susdits orifices d'injection sont munis d'obturateurs (19, 20) permettant de les refermer tout en mettant les conduits d'injection (12, 13) en communica- tion avec le volume intercalaire compris entre le caisson et l'enceinte (1), et en ce que ce volume intercalaire (VI) est en communication avec le volume intérieur du caisson (6) et avec l'orifice d'admission (21) de la turbine (T) par l'in- termédiaire d'au moins un échangeur de chaleur dans lequel circule un fluide frigorigène.