Brevet FR2689225A1 — publié le 19931001

La présente invention concerne un four destiné à effectuer des traitements thermiques sous vide, sous gaz neutre statique, sous convection forcée ainsi que des opérations de trempe sous pression. On connais déjà diverses réalisations de fours de traitement thermique pouvant être remplis d'une atmosphère gazeuse et être placés sous vide de manière à pouvoir assurer des traitements thermiques, soit sous atmosphère gazeuse soit sous vide, ces fours étant généralement conçu de façon à permettre de réaliser également dans la même enceinte un refroidissement ou une trempe - Un exemple de cet état de la technique est constitué par FR-A 2045368 qui décrit un four constitué d'une enceinte étanche au vide dans laquelle est prévue une chambre de traitement recevant la ou les charges à traiter et qui est munie d'éléments chauffants.L'enceinte étanche comporte en outre une chambre de refroidissement ou chambre échangeur dans laquelle est positionné un échangeur de chaleur destiné à assurer le refroidissement d'un gaz qui est introduit dans ladite enceinte, une turbine étant prévue pour assurer la circulation d'un courant gazeux dans la chambre de traitement. La présente invention se propose d'apporter des perfectionnements à ce type de four notamment en ce qui concerne la souplesse et la fiabilité d'utilisation et l'étendue des traitements thermiques qu'il peut réaliser. En conséquence, cette invention a pour objet un four destiné notamment à assurer des traitements thermiques sous vide, sous gaz neutre statique, sous convection forcée, ainsi que des opérations de trempe sous pression qui est constitué d'une enceinte étanche au vide dans laquelle est prévue une chambre de traitement recevant la charge à traiter et qui est munie d'éléments chauffants, cette enceinte comportant en outre une chambre de refroidissement dans laquelle est positionnée un échangeur de chaleur destiné à refroidir un gaz introduit dans ladite enceinte et mis en circulation à l'aide d'une turbine interposée entre ladite chambre de refroidissement et la chambre de traitement, ce four étant caractérisé en ce que a) - la chambre de traitement est positionnée dans deux enceintes intermédiaires interposées entre ladite chambre de traitement et l'enceinte du four de manière à ménager un passage enveloppant la chambre de traitement et permettant une circulation continue d'un gaz d'atmosphère lors d'un chauffage sous convection forcée - un passage entre ladite enceinte intermédiaire et l'enceinte extérieure du four permettant une circulation continue du gaz lors d'un refroidissement ou trempe sous pression d'un gaz;; b) - on prévoit des moyens d'obturation communs à ladite chambre de traitement et à ladite chambre intermédiaire pouvant occuper trois positions indépendantes pour - obturer hermétiquement la chambre de traitement lors d'un chauffage sous vide - obturer hermétiquement ladite enceinte intermédiaire afin de permettre la circulation d'un gaz d'atmosphère entre ladite enceinte et la chambre de traitement lors d'un chauffage sous convection forcée et, - dégager totalement les ouvertures de la chambre de traitement et de ladite enceinte intermédiaire afin de permettre la circulation du gaz lors d'un refroidissement ou d'une trempe sous pression dans ledit passage entre ladite enceinte intermédiaire et l'enceinte étanche du four c) un système de clapet à deux positions permettant respectivement d'isoler la chambre de refroidissement dans laquelle est située ledit échangeur thermique lors d'une opération de chauffage et de dégager cette chambre, lors d'une opération de refroidissement ou de trempe pour assurer la circulation du gaz sous pression traversant ledit échangeur. Selon la présente invention, le four est de forme cylindrique, il peut présenter une configuration horizontale ou verticale et la chambre de traitement est également de forme cylindrique, ce qui permet d'obtenir un volume maximal. Selon une caractéristique de la présente invention, les éléments chauffants peuvent etre réalisés : - soit sous la forme de barreaux en graphite, d'un seul tenant, disposés longitudinalement, dans le cas d'un four à une zone de chauffage, ces éléments étant répartis de façon uniforme autour de la charge positionnée dans la chambre de traitement - soit sous la forme de bandes de matériaux composites à base de carbones disposés circulairement autour de la charge dans la chambre de traitement dans le cas d'un four à plusieurs zones. Selon un mode de mise en oeuvre de ce four, la vitesse de refroidissement de la charge peut être modulée : - soit en faisant varier la vitesse de rotation de la turbine - soit par variation de la pression de gaz - soit par la combinaison des deux moyens précisés ci dessus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins La figure 1 est une vue en coupe axiale longitudinale d'un four selon la présente invention et La figure 2 est une vue en coupe verticale de la figure 1, se référant à la variante d'un four selon l'invention dans laquelle les éléments chauffants sont constitués par des bandes de matériaux composites à base de carbone. En se référant aux dessins, on voit que le four selon la présente invention comporte une enceinte étanche au vide désignée par la référence 10. Cette enceinte présente une forme cylindrique et elle est constituée, de façon classique par une paroi double refroidie par circulation d'eau. Dans cet exemple de réalisation, le four est à configuration horizontale et l'enceinte 10 présente une ouverture de chargement frontale pouvant être obturée par la porte 12. Afin de permettre d'accéder facilement à l'intérieur de l'enceinte du four, le fond 14 est monté de façon amovible sur la paroi cylindrique à l'aide d'une bride 16. De façon classique, le four est muni d'une turbine 18 entralnée en rotation par un moteur 20 par exemple un moteur sous vide refroidi à l'eau. L'enceinte étanche comporte également une chambre 22 dans laquelle est disposée un échangeur thermique 24 permettant, de façon connue d'assurer un refroidissement sous convection forcée comme on le décrira plus en détails ci-après. La chambre de traitement 26 est de forme cylindrique et constituée en une virole et elle comporte comme connu une sole 28 destinée à recevoir la charge 30. Des éléments chauffants rayonnants tels que 32 sont disposés dans cette chambre de traitement 26. Ils peuvent être constitués par exemple par des barreaux en graphite répartis également autour de la charge comme on le voit clairement sur la figure 2, ou par des bandes 32' de matériau composites à base de carbone répartis également le long de la chambre de traitement, comme illustré sur la variante représentée sur la figure 2. Cette disposition facilite un remplacement des éléments chauffants en cas de détérioration. La virole 26 délimitant la chambre de traitement sert en même temps d'organe de soufflage. Le gaz recirculé par la turbine 18 est soufflé dans une pluralité d'orifices 45 percés dans la virole 26. La taille de ces orifices 45 et leur disposition sont déterminées de façon à assurer une efficacité maximum et une très bonne homogénéité dans le chauffage par convection ou dans la trempe. Ces orifices peuvent être éventuellement équipés d'une pluralité de buses de soufflage dont le diamètre et la longueur permettent d'adapter l'échange thermique à la géométrie de la charge traitée. Selon la présente invention, on interpose une enceinte 34a dénommée ci-après première enceinte intermédiaire entre la paroi cylindrique de la chambre de traitement 26 et la paroi de la deuxième chambre intermédiaire 34b. Une deuxième enceinte intermédiaire 34b est interposée entre la première enceinte intermédiaire 34a et la paroi de l'enceinte 10 du four. Ainsi qu'on le voit sur les figures 1 et 2, la présence de ces deux enceintes 34a et 34b permet de délimiter d'une part un passage 36a enveloppant la chambre de traitement, et d'autre part, un second passage 36b entre les deux chambres intermédiaires . ; enfin un troisième passage 39 entourant l'enceinte intermédiaire 34b. Les fonctions de ce passage seront précisées ci-après. L'ouverture frontale permettant l'introduction de la charge dans la chambre de traitement du four peut être obturée hermétiquement à l'aide d'un moyen d'obturation constitué d'un panneau circulaire hermétique 38 pouvant être manoeuvré à l'aide d'un vérin 40 solidaire de la porte de chargement 12 du four Ainsi qu'on le voit sur la figure 1, le panneau d'obturation 38 permet, selon sa position soit d'obturer effectivement et d'isoler la chambre de traitement. 26, soit d'obturer l'ouverture frontale de l'enceine intermédiaire 34b en dégageant le passage 36b prévu entre les deux parois des enceintes intermédiaires 34a et 34b.En position totalement effacée (illustrée en traits mixtes sur la partie la plus à gauche de la figure 1) le panneau d'obturation 38 dégage totalement les ouvertures frontales respectives de la chambre de traitement 26 et des enceintes intermédiaires 34a et 34b en laissant libre le passage 39. La chambre de refroidissement 22 dans laquelle est positionné l'échangeur 24 peut être isolée à l'aide d'un système de clapet 42, réalisé ici sous la forme d'un manchon cylindrique manoeuvré par des vérins 44 et 44', la seconde position de ce clapet, représentée sur la partie - inférieure de la figure 1 dégageant la chambre 22 et isolant le passage 36b. On décrira maintenant les divers modes de fonctionnement du four objet de la présente invention 1 - CHAUFFAGE SOUS VIDE La charge 30 ayant été introduite par l'ouverture frontale de l'enceinte 10 est mise en place sur la sole 28, la porte 12 est refermée et le panneau d'obturation hermétique 38 est placé dans la position représentée en traits pleins sur la figure 1, position dans laquelle l'enceinte de la chambre de traitement 26 est totalement isolée. Cette enceinte est mise sous vide de façon classique et les éléments chauffants 32 également répartis autour de la charge 30 assurent le chauffage sous vide. 2 - CHAUFFAGE SOUS CONVECTION FORCEE Dans ce mode de fonctionnement le panneau d'obturation 38 est placé dans sa position intermédiaire illustrée par des traits mixtes sur la figure 1, position dans laquelle il obture hermétiquement l'enceinte intermédiaire 34b. Le gaz d'atmosphère est introduit dans la chambre de traitement 26 et la turbine 18 est mise en action après avoir positionné le système de clapet 42 dans la position pour laquelle la chambre 22 est isolée (situation illustrée par la partie supérieure de la figure 1).Dans ce mode de fonctionnement, les gaz circulent selon la trajectoire illustrée par les flèches en traits interrompus c'est-à-dire qu'ils pénètrent dans l'enceinte de la chambre de traitement 26 en passant entre les éléments chauffants 32 puis ressortent par l'ouverture frontale de la chambre de traitement en circulant dans le passage 36b avant d'être réadmis grâce à la turbine 18 dans la chambre de traitement. On notera qu'il est possible de combiner un chauffage sous vide et un chauffage sous convection de gaz : étant donné qu'un chauffage sous vide est peu efficace à température relativement faible, on commence par effectuer un chauffage sous convection forcée de gaz jusqu'à une température de 7000C puis on réalise ensuite un chauffage sous vide pour les températures plus élevées. Le passage d'un mode de chauffage à un autre s'effectue de façon extrêmement simple d'une part en agissant sur la turbine et d'autre part, en déplaçant le panneau d'obturation 38 comme on l'a vu ci-dessus. On remarquera que lors du chauffage sous convection forcée, la circulation du gaz s'effectue sur toute la circonférence et donc sur toute la surface extérieure de la charge 30. Selon un mode de réalisation préféré, même dans le cas d'un four à une zone de chauffage il est possible de régler la répartition de la puissance entre les éléments chauffants afin de compenser les fuites thermiques ou le dés équilibrage de la charge (charge non symétrique) cette répartition pouvant alors etre effectuée en trois secteurs : soit deux secteurs latéraux et un secteur de sole ; soit deux secteurs latéraux et un secteur de voûte. On peut ainsi agir indépendamment sur chacun de ces secteurs. 3 - REFROIDISSEMENT SOUS GAZ EN PRESSION Le refroidissement accéléré ou trempe de la charge s'effectue par convection forcée d'un gaz neutre en pression, ce gaz pouvant être constitué par exemple par de l'azote, de l'argon ou de l'hélium. Dans ce mode de fonctionnement, le panneau d'obturation 38 est déplacé de façon à dégager totalement les ouvertures frontales respectives de la chambre de traitement 26 et de enceinte intermédiaire 34b (position illustrée en traits mixtes à gauche de la figure 1) et le système de clapet 42 est positionné de façon à dégager la chambre 22 et à obturer le passage 36b (position illustrée à la partie inférieure de la figure 1). Dans ce cas, le trajet du gaz neutre mis en circulation par la turbine 18 est illustré sur la figure 1 par les flèches en traits pleins.Le gaz neutre pénètre dans la chambre de traitement 26 en enveloppant la charge 30, puis il ressort de cette chambre par l'ouverture frontale de cette dernière et circule dans le passage 39, ménagé entre la paroi de l'enceinte 10 du four et la paroi de l'enceinte intermédiaire 34, pour traverser ensuite l'échangeur 24, qui en assure le refroidissement, avant d'être recycler par la turbine 18 dans la chambre de traitement 26. Grâce à l'invention, il est possible d'asservir la vitesse de la turbine et/ou la pression de gaz à la température de la charge afin de contrôler la vitesse du refroidissement. On peut utiliser dans ce but des moyens de régulation et d'asservissement classiques. Ainsi, on peut moduler la vitesse de refroidissement par variation de la pression de gaz, ce qui permet d'exécuter des paliers isothermes lors du refroidissement. Bien entendu, le four selon la présente invention est muni d'un système de régulation classique permettant des fonctionnements en mode totalement automatique à partir de programmes préétablis. Il s'agit là de systèmes classiques, qui ne font pas partie de l'invention et qui ne seront donc pas décrits. Bien que l'exemple de réalisation décrit et représenté se réfère à une configuration horizontale du four, on comprend que cette configuration peut prendre une forme verticale, la porte de chargement présentant alors une ouverture située à la partie inférieure du four. On peut alors prévoir une sole mobile élévatrice, montée sur un chariot, afin de faciliter la mise en place de la charge dans la chambre de traitement. A cet égard, on notera qu'une disposition similaire peut être adoptée lors d'une configuration horizontale du four : la porte de chargement 12 pouvant être rendue solidaire de la sole 28 montée sur un chariot de manière que cette sole se déplace avec la porte ce qui facilite la mise en place et l'introduction de la charge dans la chambre de traitement. Dans le cas de fours de grande dimension, en particulier verticaux, le chauffage est assuré selon l'invention selon trois zones réparties respectivement sur la porte de chargement, sur le corps cylindrique de 1' enceinte de traitement thermique (comme décrit ci-dessus) et sur le fond de l'enceinte. Selon un autre mode de réalisation, l'enceinte 10 du four selon l'invention peut être réalisée en demi coquilles assemblée l'une sur l'autre par exemple à l'aide d'une bride, ce qui permet de dégager totalement la chambre de traitement en facilitant ainsi la mise en place de la charge. Il ressort de la description qui précède que la présente invention apporte un four de fonctionnement particulièrement simple permettant dans d'excellentes conditions de fiabilité, d'effectuer dans une enceinte unique des traitements thermiques variés (trempe, revenu, recuit, ect) avec des éléments mécaniques d'une grande simplicité, ce qui se traduit par des coûts de production et d'entretien relativement faibles. Ainsi, le four selon l'invention permet, comparé aux fours selon la technologie actuelle, d'offrir, en plus des possibilités de traitement de ces fours connus, un chauffage sous convection pour un prix de revient similaire. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et ou représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Four destiné notamment à assurer des traitements thermiques sous vide, sous gaz neutre statique, sous convection forcée, ainsi que des opérations de trempe sous pression qui est constitué d'une enceinte étanche au vide dans laquelle est prévue une chambre de traitement recevant la charge à traiter et qui est munie d'éléments chauffants, cette enceinte comportant en outre une chambre de refroidissement dans laquelle est positionnée un échangeur de chaleur destiné à refroidir un gaz introduit dans ladite enceinte et mis en circulation à l'aide d'une turbine interposée entre ladite chambre d'entrée et la chambre de traitement, ce four étant caractérisé en ce que a) - la chambre de traitement (26) est positionnée dans deux enceintes intermédiaires (34a, 34b) interposées entre ladite chambre de traitement et l'enceinte (10) du four de manière à ménager - un passage (36b) enveloppant la chambre de traitement et permettant une circulation continue d'un gaz d'atmosphère lors d'un chauffage sous convection forcée - un passage (39) entre ladite enceinte intermédiaire (34b) et l'enceinte extérieure (10) du four permettant une circulation continue du gaz lors d'un refroidissement ou trempe sous pression d'un gaz b) - on prévoit des moyens d'obturation (38-40) communs à ladite chambre de traitement et à ladite chambre intermédiaire pouvant occuper trois positions indépendantes pour - obturer hermétiquement la chambre de traitement lors d'un chauffage sous vide - obturer hermétiquement ladite enceinte intermédiaire afin de permettre la circulation d'un gaz d'atmosphère entre ladite enceinte et la chambre de traitement lors d'un chauffage sous convection forcée et, - dégager totalement les ouvertures de la chambre de traitement et de ladite enceinte intermédiaire afin de permettre la circulation du gaz lors d'un refroidissement ou d'une trempe sous pression dans ledit passage (39) prévu entre ladite enceinte intermédiaire (34) et l'enceinte extérieure (10) du four c) un système de clapet (42) à deux positions permettant respectivement d'isoler la chambre de refroidissement (22) dans laquelle est située ledit échangeur thermique (24) lors d'une opération de chauffage et de dégager cette chambre, lors d'une opération de refroidissement ou de trempe pour as s assurer la circulation du gaz sous pression traversant ledit échangeur. 2 - Four selon la revendication 1 caractérisé en ce que la virole (26) délimitant la chambre de traitement est percée d'une pluralité d'orifices (45), dont la taille et la disposition sont déterminées de façon à assurer une efficacité maximum au chauffage par convection ou à la trempe, ils permettent aussi au gaz véhiculé par la turbine (18) de circuler au travers d'une pluralité éventuelle de buses, disposées dans lesdits orifices (45), et dont le diamètre et la longueur desdites buses sont adaptés à l'échange thermique de la géométrie de la charge traitée. 3 - Four selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il présente une forme cylindrique, à configuration horizontale-cw verticale, la chambre de traitement (26) étant également de forme cylindrique. 4 - Four selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les éléments chauffants (32) sont réalisés sous la forme de barreaux en graphite disposés longitudinalement et répartis de façon uniforme autour de la charge positionnée dans la chambre de traitement. 5 - Four selon 1 une des revendications : tX 3 caractérisé en ce que les éléments chauffants (32') sont réalisés sous la forme de bandes de matériaux composites à base de carbone disposés circulairement autour de la charge dans la chambre de traitement 6 - Four selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la répartition de l'alimentation électrique des éléments chauffants (32) est réalisée de manière à obtenir trois secteur de chauffage deux secteurs latéraux et un de sole, ou deux secteurs latéraux et un de voute. 7 - Four selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérise en ce que lesdits moyens d'obturation sont réalisés sous la forme d'un panneau circulaire (38) manoeuvré à l'aide d'un vérin (40) solidaire de la porte de chargement (12) du four. 8 - Four selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système de clapet à deux positions permettant d'isoler la chambre de refroidissement (22) dans laquelle est placée l'échangeur (24) est réalisé sous la forme d'un manchon cylindrique (42) à commande à vérin (44, 44'). 9 - Four selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement de la charge est modulée soit par la vitesse de rotation de la turbine (18) soit par la pression de gaz soit par la combinaison de ces deux moyens. - - Four selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le chauffage est assuré par trois zones réparties respectivement sur la porte de chargement, le corps cylindrique de l'enceinte de traitement thermique et sur le fond de l'enceinte.