Brevet FR2680231A1 — publié le 19930212

La présente invention concerne un four de type puits à chauffage par résistance notamment pour le traitement par plasma de pièces métalliques longues, comportant une enceinte à vide composée d'au moins deux viroles munies chacune drun dispositif de chauffage à résistances chauffantes, les résistances étant composées d'une arrivée de courant et d'un collecteur longilignes et disposés parallèlement entre eux, des éléments chauffants résistants reliant l'arrivée de courant et le collecteur en étant soudés perpendiculairement à ceux-ci, lesdits dispositifs de chauffage définissant avec les viroles au moins deux zones de chauffe. Un tel four de type puits est couramment utilisé dans différents domaines. Cependant dans le domaine du traitement -par exemple de nitruration dans un plasma - de pièces longues nécessitant un chauffage en plusieurs zones, par résistances, il se produit entre les zones dites inter-résistances une fluctuation de température pouvant atteindre environ 30"C lorsque l'enceinte du four est chauffée à une température comprise entre 350 et 600"C. Une telle variation de température lors d'un traitement de nitruration ionique, est particulièrement nocive pour le traitement de pièces longues par exemple en acier inoxydable. En effet, le durcissement superficiel est dû à la diffusion de l'élément azote dans la matrice métallique, qui conduit à la précipitation sous forme de nitrures des éléments d'alliage à forte affinité chimique pour l'azote. La diminution de la teneur en éléments d'alliage présents initialement en solution solide dans l'acier, entraîne une réduction sensible de la résistance à la corrosion des aciers traités. Cet effet est particulièrement important dans le cas des aciers inoxydables, lorsque la température de nitruration dépasse une valeur critique dont la précision est d'environ 10 C. Différentes solutions pour résoudre ce problème ont été proposées - une solution consiste à réduire la charge du four pour éloigner les pièces des zones perturbées en température. I1 en découle une perte de productivité importante, inacceptable du point de vue industriel. - d'autres solutions au problème consistent en une modification de la section du collecteur et/ou de l'arrivée de courant, ou encore, en l'interposition locale entre pièces à traiter et résistances chauffantes d'écrans de forme spécifique. Ces différentes techniques que l'on peut qualifier de statiques ont l'inconvénient de ne pouvoir convenir qu'après un ajustage long et fastidieux pour des conditions définies d'un traitement spécifique, ce qui n'est pas envisageable pour un four industriel pouvant être utilisé pour différents traitements. En effet, il a été remarqué que ces zones de perturbations en température étaient provoquées par deux phénomènes inattendus combinés, d'une part un phénomène de densité de courant dû à des lignes de courant préférentielles localisées de façon aléatoire en fonction de la géométrie de la résistance chauffante, perturbant l'uniformité de chauffe du chauffage par rayonnement, et d'autre part un phénomène d'excitation du plasma dû aux champs électromagnétiques générés par les arrivées et collecteurs de courant des résistances, excitation amplifiée par leur hétérogénéité. Le but de l'invention est de pallier la perturbation en température générée par le dispositif de chauffage ménagé dans une enceinte contenant un plasma pour le traitement de pièces longilignes. I1 se caractérise en ce que le collecteur et/ou l'arrivée de courant comporte au moins un moyen localisé de régulation en température. Dans un exemple de réalisation - le moyen de régulation en température du collecteur et/ou de l'arrivée de courant comprend une conduite de fluide assujettie au collecteur et/ou à l'arrivée de courant et comportant une entrée et une sortie de fluide qui traversent l'enceinte à vide; - la conduite de fluide est une tubulure; - la conduite est au moins partiellement ménagée dans la masse du collecteur et/ou de l'arrivée de courant; Dans un autre exemple de réalisation - le moyen de régulation en température comprend au moins un pontage ménagé sur le collecteur et/ou l'arrivée de courant; - le pontage forme tout ou partie d'une couronne; De préférence le fluide est choisi parmi l'azote et l'hydrogène. La description qui suit et les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs feront bien comprendre l'invention. Sur ces dessins - la Fig. 1 représente un moyen de refroidissement d'une partie d'un collecteur et/ou arrivée de courant; - la Fig. 2 représente un autre moyen de refroidissement; - la Fig. 3 est un exemple de pontage pour le refroidissement d'une zone perturbée en température. Dans l'exemple de réalisation représenté, le four du type puits à chauffage par résistance pour le traitement par plasma de pièces métalliques longues, comporte une enceinte à vide 1, pouvant mesurer plus de 3 mètres de hauteur. Une telle enceinte est nécessairement construite en plusieurs parties ou viroles 2 qui par superposition forment l'enceinte. L'enceinte est associée à un dispositif 3 de chauffage à résistances logé dans l'enceinte. Le dispositif de chauffage 3, qui entoure la charge 4 de pièces longues, par exemple à nitrurer, est composé d'un ensemble de résistances chauffantes 5 formées chacune d'une arrivée de courant 6 et d'un collecteur 7, longilignes et parallèles, ainsi que d'éléments chauffants résistants 8 soudés perpendiculairement au collecteur 7 et à l'arrivée de courant 6. Chaque résistance chauffante 8 forme un secteur sur chaque virole 2. En général, trois résistances sont utilisées pour le chauffage d'une zone de chauffe correspondant à une virole 2. La localisation de la perturbation en température a été mise en évidence par la caractérisation en qualité, de charges 4, constituées d'un faisceau de pièces longilignes 9 en acier inoxydable placé dans l'enceinte 1, les pièces 9 occupant tout l'espace de l'enceinte 1 et traversant chacune plusieurs zones de chauffe. La première démarche a été d'expliquer un défaut local de nitruration sur la longueur des tubes par l'existence d'une fluctuation en température matérialisée localement par une température de nitruration plus faible. En effet cette fluctuation en température se situe entre deux résistances chauffantes au niveau du collecteur, d'une résistance et de l'arrivée de courant de la résistance située juste en dessous. Contrairement à cette démarche il s'est avéré, après constatation d'une diminution de la résistance à la corrosion localisée des pièces traitées et mesure fine de température, que la fluctuation en température dans la région définie précédemment était une hausse de température d'environ 30"C au dessus de la température de traitement de nitruration. La hausse de température a été attribuée à la combinaison de deux phénomènes inattendus combinés, un phénomène d'augmentation de densité de courant dans une partie seulement des résistances chauffantes modifiant l'homogénéité de chauffage par rayonnement et un phénomène d'excitation localisée du plasma par des champs électromagnétiques générés par les collecteurs et/ou les arrivées de courant. I1 est alors possible après analyse de réduire la fluctuation localisée en température en associant au collecteur et/ou à l'arrivée de courant un moyen 10, de régulation et plus précisément d'un moyen de refroidissement. Dans un exemple de réalisation, le moyen 10 de régulation en température du collecteur 7 et/ou de l'arrivée 6 de courant comprend, comme représenté sur la Fig. 1, une conduite 11 par exemple soudée sur le collecteur 7. La conduite 11 est une tubulure composée d'un serpentin 12, d'une entrée 13 de fluide et d'une sortie 14 de fluide. La conduite 11 en forme de tubulure peut être réalisée de toute autre façon si elle assure, par le passage d'un fluide, un refroidissement d'environ 30"C en fonction du débit et des propriétés physiques/thermiques dudit fluide. Comme représenté sur la Fig. 2 la conduite 11 peut être composée d'une cavité 15 ménagée dans la masse par exemple du collecteur 7. La cavité 15 est associée à une entrée 16 et à une sortie 17 de fluide. La cavité ne modifie pas le passage du courant puisque par effet de peau la densité de courant est localisée préférentiellement en surface du conducteur. La conduite 11 peut s'étendre sur tout ou partie de la longueur de l'arrivée de courant ou du collecteur et être réalisée en un ou plusieurs tron çons. L'usage comme fluide d'un gaz comme par exemple l'azote permet d'accepter une micro-fuite à partir de la conduite, l'azote qui pénètre dans l'enceinte de nitruration ne pouvant pas nuire au traitement de nitruration. L'hydrogène est un fluide caloporteur de bonne conduction thermique et peut être utilisé pour un échange thermique plus efficace. Dans un autre exemple de réalisation représenté sur la Fig. 3, le moyen de régulation 10 en température est composé d'un pontage 20 ménagé par exemple sur le collecteur 7 Le pontage 20 permet d'influer sur un phénomène remarqué, celui concernant la densité de courant par lignes de courant préférentielles. En déviant le courant, dans un rapport respectif des résistances des deux branches 21, 22, la diminution locale de l'intensité dans la branche collecteur 21 réduit l'importance du champ électromagnétique local, réduit l'excitation localisée du plasma et donc la température de celui-ci, à cet endroit. I1 peut être envisagé la réalisation d'un pontage 20 en forme de partie de couronne ou encore en forme de couronne complète entourant le collecteur. Le moyen localisé de régulation en température permettant de modifier l'augmentation locale de température peut être associé à un écran en interposition locale ou généralisée entre pièces à traiter et résistances chauffantes. En effet, l'écran placé à un potentiel électrique déterminé, comme par exemple à la masse, influe sur le comportement local électromagnétique du plasma. REVENDICATIONS 1. Four de type puits à chauffage par résistance notamment pour le traitement par plasma de pièces métalliques longues (9), comportant une enceinte à vide (1) composée d'au moins deux viroles (2) munies chacune d'un dispositif de chauffage à résistances chauffantes, les résistances comprenant une arrivée de courant (6) et un collecteur (7) longilignes et parallèles entre eux, reliés par des éléments chauffants résistants, lesdits dispositifs de chauffage définissant avec les viroles au moins deux zones de chauffe, caractérisé en ce qu'unie arrivée de courant (6) et/ou un collecteur comporte au moins un moyen localisé (10) de régulation en température. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de régulation en température de l'arrivée de courant et/ou du collecteur comprend une conduite de fluide (11), assujettie au collecteur et/ou à l'arrivée de courant et comportant une entrée de fluide (12) et une sortie de fluide (13) qui traversent l'enceinte à vide. 3. Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conduite de fluide (11) est une tubulure. 4. Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conduite est composée au moins partiellement d'une cavité (15) ménagée dans la masse de l'arrivée de courant et/ou du collecteur. 5. Four selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le fluide est choisi parmi l'azote et l'hydrogène. 6. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de régulation en température comprend au moins un pontage (22) ménagé sur l'arrivée de courant et/ou le collecteur. 7. Four selon la revendication 6, caractérisé en ce que le pontage 22 forme tout ou partie d'une couronne. 8. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le moyen de régulation en température est associé à un écran interposé entre les pièces à traiter et les résistances chauffantes.