Brevet FR2717825A1 — publié le 19950929

"Installation de refroidissement contrôlé pour le traitement thermique de pièces métalliques" La présente invention concerne une installation de refroidissement contrôlé pour le traitement thermique de pièces métalliques, notamment pour une trempe bainitique isotherme en sortie de four, installation comprenant une zone de trempe et une zone de maintien isotherme. Le procédé de trempe bainitique isotherme de pièces s'est développé au cours de ces dernières années, pour le traitement de pièces métalliques de découpe à cause des multiples avantages que ce traitement confère aux pièces en améliorant les caractéristiques mécaniques et métallurgiques par un seul traitement, et en particulier les caractéristiques de ténacité (allongement à la rupture, striction, résilience ; ce traitement rend également les pièces moins fragiles lors des traitements de surfaces par exemple à l'hydrogène en cas de décapage chimique léger. En outre, ce procédé induit dans les pièces des déformations plus faibles qu'une trempe martensitique. Ce traitement bainitique isotherme se fait dans des bains de sel. Or, si le procédé de trempe est par principe rapide, la phase de traitement isotherme est nécessairement longue ce qui réduit le débit des pièces traitées. La mise en oeuvre du procédé nécessite des quantités importantes de sels de traitement ce qui crée des difficultés tant à cause des précautions à prendre qu'en aval, au niveau de l'environnement. Les installations actuelles présentent des difficultés à cause des problèmes de maintenance des bains de sel équipés d'une mécanique fonctionnant à chaud et ce bain doit être maintenu à une température minimale relativement élevée, de l'ordre de 250-C même pendant les périodes d'arrêt de l'installation. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et se propose de créer une installation de refroidissement contrôlé de pièces métalliques ou de traitement bainitique isotherme permettant d'effectuer un traitement rapide, efficace et précis, autorisant un débit important de pièces traitées tout en évitant les inconvénients des installations connues, principalement liés à l'utilisation de bains de sel. A cet effet, l'invention concerne une installation caractérisée en ce que - la zone de trempe est constituée par un bain à lit fluidisé de refroidissement rapide muni d'un moyen de transfert continu des pièces à travers le bain - la zone de maintien isotherme est constituée par un bain à lit fluidisé muni d'un moyen de transfert continu des pièces, - les deux moyens de transfert des pièces sont entraî nés à des vitesses indépendantes. L'installation selon l'invention permet un fonctionnement souple puisqu'elle est très rapidement opérationnelle ; il n'est pas nécessaire de maintenir en température, pendant les périodes d'arrêt, une masse importante comme par exemple la masse de sel fondu des installations connues. Le transfert des pièces à partir du four et à travers les deux zones de traitement se fait de manière régulière, à une vitesse choisite, indépendante dans les deux zones ; cela permet une adaptation particulièrement souple et précise suivant la nature des pièces (forme, dimension, poids, etc...) optimisant les effets de ce traitement thermique. L'installation évite également les problèmes liés à la protection de l'environnement puisque les pièces n'ont pas à être nettoyées en sortie de traitement de plus, le problème des bains de sel usés ne se pose pas ; il en est de même de celui des solutions de nettoyage. Enfin, l'installation selon l'invention évite tous les problèmes liés au danger de l'utilisation de bains de sel. Suivant une autre caractéristique, le bain à lit fluidisé de refroidissement rapide est un lit fluidisé, froid, muni d'un échangeur de chaleur et d'un dispositif de mise en circulation du bain formé de diffuseurs de gaz et de guides de circulation du fluide. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les guides de circulation du fluide constituent une cheminée placée sous le moyen de transfert continu des pièces, les diffuseurs de gaz étant placés à la base de cette cheminée. Les tambours de transfert, perméables aux bains fluidisés, permettent un excellent contact entre les pièces et les bains tout en assurant la circulation régulière des pièces à travers le bain. Lorsque le tambour est muni d'une vis hélicoïdale, l'entraînement assure non seulement une translation des pièces à travers le bain mais également un mouvement de roulement des pièces sur elles-mêmes favorisant la mise en contact régulier de la surface des pièces et le bain. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un diagramme températures/temps d'un traitement thermique mis en oeuvre dans l'installation selon l'invention. - la figure 2 est une vue en élévation latérale et coupe verticale d'une installation selon l'invent ion. - la figure 3 est une coupe transversale schématique de la première zone de traitement de l'installation selon l'invention. Selon la figure 1, un traitement bainitique isotherme d'une pièce se fait suivant le diagramme des températures (D). Le temps t est représenté en abcisses et la température t en ordonnées. Partant d'un instant tO, on chauffe une pièce dans un four à circulation. La montée en température, jusqu'à la température tl se fait jusqu'à l'instant tl. Puis la pièce reste par exemple à cette température tl jusqu'à l'instant t2 qui correspond à la sortie de la pièce du four. Le traitement bainitique isotherme commence à ce moment. Au cours d'une période relativement courte entre les instants t2 et t3, on refroidit rapidement la pièce, au moins jusqu'à la température t2 à laquelle la pièce séjournera pendant un temps relativement long jusqu'à l'instant t4. Enfin, après l'instant t4, la pièce refroidit à la température extérieure t0, jusqu'à l'instant t5. Le traitement bainitique directement concerné par l'installation selon la présente invention concerne les phases (t2, t3) (refroidissement rapide) et la phase entre les instants (t3, t4) correspondant au traitement isotherme. Dans certains cas il est également possible de refroidir en-dessous de la température t2, pour revenir à cette température dans la phase suivante. Il est à remarquer que les échelles de la figure 1 ne sont pas en proportion ; en effet, la période (t2, t3) est très courte et correspond à quelques secondes, voire quelques minutes, alors que la période (t3, t4) correspond en général à plusieurs heures. L'installation selon les figures 2 et 3 est un mode de réalisation selon l'invention, pour la mise en oeuvre de ce procédé de trempe bainitique. Cette installation se situe en sortie d'un four 1 à tapis de chauffage, sous atmosphère protectrice. Ce four 1 est muni d'une goulotte de transfert 2 destinée au transfert du chargement du four dans l'installation par une trémie de reprise 3. L'installation se compose d'un bâti 4 monté sur des galets 5 circulant par exemple sur un chemin de roulement à rails. Ce bâti 4 porte une première zone de traitement 6 et une seconde zone de traitement 7 en aval de la précédente, ainsi que des moyens d'alimentation, de transfert et d'entraînement des pièces. La première zone de traitement 6 qui effectue le refroidissement rapide des pièces sortant du four 1, reçoit ces pièces par la trémie de reprise 3 qui débouche dans un tambour 8 rotatif immergé dans le premier bain à lit fluidisé 9. Ce bain formé par exemple par du sable est dans une enceinte 10 ; à sa base l'enceinte comporte des buses d'alimentation en gaz 11 qui fournissent le fluide d'entraînement et de refroidissement du bain. Ce gaz est de préférence un gaz protecteur comme l'azote (N2). La structure de ce bain apparaît dans la coupe transversale de la figure 3. A la base de l'enceinte 10 du bain 9 il y a aussi des caissons d'injection d'air 12 et en plus du ou des caissons à gaz 11. Au-dessus du caisson d'injection de gaz 11 qui se trouve sensiblement dans l'alignement du tambour de transfert 8, il y a une cheminée 13 à partie inférieure évasée, qui arrive sous le tambour 8. Cette cheminée 13 met en circulation le bain 9 dans le sens des flèches A, favorisant le renouvellement du bain et l'échange de chaleur entre les pièces B très chaudes du tambour 8 et le fluide du bain 9 dont le niveau porte la référence 14. Selon l'exemple représenté, le refroidissement est assuré par le gaz protecteur injecté à très basse température. L'extraction du gaz du bain se fait en partie haute par des moyens non détaillés. Le mélange air/gaz peut également être mis partiellement en circulation en étant repris en partie haute du bain pour être réinjecté à sa base. Ce moyen est représenté schématiquement par un collecteur 16 au-dessus du niveau 14 du bain, avec une conduite 17, une pompe de mise en circulation 18 et une réintroduction dans les caissons 12. Cette circulation de l'air se fait en même temps que la circulation à l'intérieur du bain (circulation selon les flèches B). Selon une variante représentée à la figure 3, le refroidissement peut se faire à l'aide d'échangeurs de chaleur 15 placés par exemple au-dessus des caissons d'injection d'air 12. Ces échangeurs de chaleur 16, dont le fluide caloporteur est de préférence de l'eau, sont traversés par l'air injecté par les caissons 12. Le tambour 8 est perméable au fluide du bain ; il peut être constitué par une surface en tôle perforée ou une surface grillagée. Selon la variante représentée à la figure 2, le tambour 8 comporte intérieurement une hélice 19, solidaire du tambour et qui fait circuler les produits dans le tambour, de la gauche vers la droite. Les échanges de chaleur dans le bain 9 sont réglés par des moyens de détection, de mesure et de commande non représentés agissant sur le débit du flux gazeux (air et/ou gaz protecteur ou de refroidissement) et sur la vitesse de circulation en fonction des paramètres des pièces (nature des pièces, dimensions, forme, températures d'entrée et de sortie) et du traitement à effectuer. La deuxième zone 7 de l'installation située en aval de la première zone, sur le châssis 4 est de dimensions beaucoup plus importantes que la première zone 6 parce que le temps de séjour des pièces dans cette zone est sans commune mesure avec le temps de séjour des pièces dans la première zone. Cette seconde zone 7 se compose également d'une enceinte 20 à caisson isolant délimitant le bain à lit fluidisé 21. Cette deuxième zone 7 est séparée de la première zone par une cloison isolante 22, les températures des deux zones étant très différentes. L'enceinte 20 est occupée en grande partie par un tambour 23 constituant le moyen de transfert des pièces. Ce tambour 23 est de préférence, mais non nécessairement, coaxial à l'arbre d'entraînement 24 du tambour 8 de la première zone 6. Le tambour 23 de la seconde zone, perméable au lit fluidisé de la seconde zone, est immergé partiellement dans ce lit fluidisé pour y transférer les pièces de l'entrée (à gauche) jusqu'à la sortie (à droite). Les pièces sont introduites dans le second tambour 23 par débordement du tambour 8 de la première zone 6 qui débouche à l'intérieur du second tambour 23. Ce tambour, également formé d'une enveloppe perméable (tôle perforée ou en grillage) est de préféren ce également muni intérieurement d'une vis hélicoïdale 25 pour l'entraînement forcé des pièces, le lit fluidisé peut être formé ici également par une suspension de sable. Le tambour 23 est monté à rotation autour de l'arbre 24 du premier tambour sans nécessairement être porté par cet arbre. En effet, le second tambour 23 repose, selon cet exemple de réalisation, sur des galets de roulement et de support 26, 27 ; à ses deux extrémités, le tambour 23 comporte extérieurement une couronne dentée 28, 29 qui engrène avec des pignons dentés 30, 31 correspondants, portés par un arbre d'entraînement 32. Cet arbre d'entraînement est relié à un groupe d'entraînement (moteur/réducteur) 33 placé à l'extérieur du caisson 20 du second lit fluidisé. Il en est de même de l'arbre d'entraînement 24 du premier tambour 8 qui débouche également à l'extérieur du caisson 20 du second lit fluidisé pour être relié à cet endroit à un groupe d'entraînement (moteur/réducteur) 34. Le réglage de la vitesse de transfert des pièces dans la deuxième zone de traitement 7 est assuré par des moyens de comme non représentés tenant compte de la nature des pièces et du traitement à effectuer. Il est à remarquer que l'accumulation des pièces dans le second tambour favorise la stabilisation de la température du traitement isotherme. Le lit fluidisé du bain 7 est entretenu par injection d'air et/ou de gaz par des caissons 35 placés dans la partie inférieure de l'enceinte 20, sous le tambour 23. Au-dessus de ces caissons il peut y avoir des moyens de chauffage 36 pour régler la température du bain fluidise. A l'extrémité du second tambour 23, les piè- ces sont extraites par un releveur 37 qui les conduit sur un tapis 38. De façon générale, l'installation comporte deux sources d'alimentation en fluide gazeux pour les lits fluidisés, l'une, une source d'air, avec le cas échéant reprise et remise en circulation, pour les deux zones et l'autre, une source de gaz protecteur, de préférence à basse température pour la première zone. REVENDICATIONS 1 ) Installation de refroidissement contrôlé pour le traitement thermique de pièces métalliques, notamment pour une trempe bainitique isotherme en sortie de four, installation comprenant une zone de trempe et une zone de maintien isotherme, installation caractérisée en ce que - la zone de trempe (6) est constituée par un bain à lit fluidisé (9) de refroidissement rapide muni d'un moyen de transfert continu (8) des pièces à travers le bain - la zone de maintien isotherme (7) est constituée par un bain à lit fluidisé muni d'un moyen de transfert continu (23) des pièces, - les deux moyens de transfert (8, 23) des pièces sont entraînés à des vitesses indépendantes. 2 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bain à lit fluidisé de refroidissement rapide (8) est un lit fluidisé, froid, muni d'un échangeur de chaleur (15) et d'un dispositif de mise en circulation du bain formé de diffuseurs de gaz et de guides de circulation du fluide (11, 12, 13, 16, 17, 18). 30) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les guides de circulation du fluide (13) constituent une cheminée placée sous le moyen de transfert continu (8) des pièces, les diffuseurs de gaz (11) étant placés à la base de cette che minee. 4 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de transfert continu (8, 23) des pièces sont constitués par des tambours perméables au fluide des bains à lit fluidisé. 5 ) Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les tambours (8, 23) comportent intérieurement une vis hélicoïdale pour l'entraînement forcé des pièces.