Brevet FR2838816A1 — publié le 20031024

STRUCTURE PORTEUSE DE CHARGES, EN MATERIAU CARBONE, POUR FOUR A HAUTE TEMPERATURE La presente invention a pour objet une structure porteuse de charges, en materiau carbone, pour four a haute temperature. II est frequent d'utiliser, dans des fours fonctionnant 3 haute temperature, des soles de four ou des structures porteuses de charges a traiter, realisees 3 partir de graphite, qui se presentent le plus souvent sous forme de plateaux, perces ou non, de forte epaisseur, et dont la forme, rectangulaire ou ronde, epouse plus ou moins les contours de la zone chauffee du four. Le recours au graphite se justifie par l'excellente tenue de ce materiau dans des situations de temperatures elevees, au-dela de 1000 C par exemple, ou lorsqu'il s'agit d'effectuer des cycles thermiques - repetes. En effet, ces conditions vent defavorables aux structures metalliques. Les structures a base de graphite presentent neanmoins des inconvenients. Tout d'abord, le graphite est un materiau dont les proprietes mecaniques vent limitees, et de surcro^'t fragile et tres sensible aux chocs mecaniques. Cela conduit 3 un dimensionnement important des pieces en graphite avec les consequences suivantes: - coGt important de la matiere mise en ceuvre, - masse importante 3 chauffer et a refroidir pour chaque cycle thermique du four, ce qui represente une depense energetique souvent considerable et non negligeable par rapport 3 la depense d'energie strictement consommee par le procede de traitement thermique lui-meme. Dans certaines situations, la masse des supports en graphite consomme environ 50% de lienergie totale d'un cycle en pure perte, - limitation du volume utile du four, encombre par des pieces en graphite de volume important, - difficultes de manutention de la structure en graphite. En outre, malgre un dimensionnement important des pieces, le caractere fragile du graphite conduit 3 de nombreux bris en condition d' exploitation industrielle, rendus d' autant plus importants que la manipulation de pieces lourdes est peu aisee, ce qui rencherit le coGt d'exploitation. 11 faut noter que les structures vent en effet de tailles relativement importantes, pouvant par exemple posseder une longueur de l'ordre de 1,5 a 2 m, et une largeur de 0,6 a 0,9 m. Les structures support peuvent le plus souvent soit reposer sur des rails poses sur la sole du four, S soit former des etageres qui vent soutenues par des montants a l'interieur du four. Les figures 1 et 2 representent un four, respectivement en coupe par un plan transversal et par un plan horizontal. Le four designe par la reference generale 2 comprend un certain nombre de rails 3 en graphite, disposes longitudinalement, et destines a servir au support dione structure porteuse 4 mise en place a l'interieur du four et retiree de celui-ci, par exemple par l'intermediaire d'un chariot elevateur. La duree de vie d'une structure support, dans la mesure ou elle niest pas deterioree accidentellement, par exemple a la suite de chocs, est de l'ordre de 2 a 3 ens, a raison de 2 a 3 cycles thermiques par semaine, ce qui conduit b une duree de vie comprise entre 200 et 500 cycles thermiques. En raison des inconvenients des pieces en graphite, des structures porteuses ont ete realisees a partir de materiau carbone se presentant sous forme de composite C/C, qui presente l'avantage d'une plus grande solidite. Cette plus grande solidite permet de concevoir des structures plus legeres, et d'eliminer les risques de casse par chocs, ce qui confere a ces structures la possibilite de conduire a des coOts d'exploitation plus interessants en limitant la consommation d'energie inutile absorbee par la structure, en permettant de concevoir des structures plus compactes reservant ainsi plus d'espace aux pieces 3 traiter, et en limitant le nombre de changements de structure dus a des deteriorations mecaniques de celles-ci. Toutefois, ces structures composites C/C ne vent pas utilisees tres largement, essentiellement en raison de leurs couts de fabrication qui vent superieurs a ceux des structures en graphite. La figure 3 represente, en vue de dessus, une structure en composite C/C se composant d'un certain nombre de lattes longitudinales 5 et de lattes transversales 6, les lattes longitudinale 5 et transversale 6 etant assemblees par embo^'tement dans des encoches complementaires 7, par des assemblages de type a >. Un tel assemblage permet d'eviter de recourir a des pieces massives, et d'assurer une bonne circulation des gaz 3 I'interieur du four, favorisant le traitement thermique des pieces reposant sur la structure porteuse. Toutefois, ces pieces vent relativement complexes 3 realiser, dans la mesure ou il convient de realiser sur les elements 5 et 6 des encoches 7 d'assemblage, et de fixer les pieces 5 et 6 les unes aux autres par collage. Le probleme technique 3 la base de ['invention est de fournir une structure porteuse de charge, en materiau carbone, possedant une bonne tenue mecanique, resistant a l'usure et 3 la deformation, assurant une bonne circulation des gaz, et d'un prix de revient economique. A cet effet, la structure porteuse de charges qu'elle concerne, comporte: - des lattes sensiblement paralleles, disposees dans un meme plan et menageant des espaces entre elles, - au moins un profile en U. les extremites des lattes etant chacune encastrees dans un profile en U. - des moyens de maintien, en position assemblee, des lattes les unes par rapport aux autres et par rapport 3 chaque profile en U. Avantageusement, les lattes et les profiles en U vent realises en composite C/C. La structure selon ['invention comprend done, sur un seul niveau, des lattes de meme orientation generale tenues 3 leurs extremites par une structure peripherique constituee par au moins un profile en U. La structure est done compacte et facile 3 realiser puisque ne necessitant pas d'usinage ni d'assemblages mecaniques complexes, mais simplement un encastrement des extremites des lattes dans les elements profiles en U. Suivant une forme d'execution de cette structure, les moyens de maintien, en position assemblee des lattes les unes relativement aux autres, comprennent des cales formant entretoises, disposees chacune entre deux lattes, dans le fond diun profile en U. Avantageusement dans ce cas, les cales vent realisees en graphite. Suivant une autre forme d'execution de cette structure, les lattes presentent, en vue de dessus, une forme sinusoidale, les ondulations des differentes lattes etant identiques, et les ondulations de deux lattes adjacentes etant decalees d'une demiperiode, afin de permettre un appui de ces deux lattes l'une sur l'autre au niveau de leurs ondulations. Cette 283881 6 seconde forme d'execution est avantageuse dans la mesure ou les lattes assurent elles-memes le maintien diun ecart constant entre elles, sans recours a des cales intercalaires. Selon une caracteristique de ['invention, les lattes et cheque profile en U ont la meme composition et comprennent, en volume, de l'ordre de 30 a 50% de fibres, de 40 a 60% de matrice et de 10% de porosite residuelle. A titre d'exemple, chaque profile en U possede un fond dont la largeur est de l'ordre de 50 mm et des ailes dont la largeur est de ltordre de 200 mm, avec une epaisseur de matiere de l'ordre de 5 a 10 mm et, de preference, de 6 mm. La structure peut se presenter sous differentes formes geometriques. Selon une premiere possibilite, toutes les lattes vent de meme longueur et vent engagees, par leurs extremites, dans deux profiles en U paralleles. II s'agit la d'une structure de forme generale rectangulaire. II doit etre note que les deux profiles paralleles peuvent etre independents l'un de l'autre, ou appartenir a une meme structure peripherique en U. Cette structure comporte aux extremites des profiles en U. des pieces de verrouillage fixees mecaniquement sur les profiles, par des moyens tels que des vis ou des clavettes. Avantageusement, les pieces de verrouillage vent constituees par des barres en composite C/C. Suivant une autre forme d'execution permettant d'obtenir une structure porteuse de forme circulaire, la structure comporte un profile peripherique de section en U. presentant la forme d'un anneau circulaire, les lattes ayant des longueurs differentes les unes des autres, chaque latte ayant une longueur egale a la corde de l'arc de cercle, correspondent a sa position dans la structure. Avantageusement, le profile peripherique de section en U est realise en plusieurs troncons correspondent chacun a un arc de cercle, assemblables mecaniquement les uns aux autres. La structure porteuse selon ['invention presente l'avantage d'une tres grande economic de realisation, puisqutelle est realisee a partir d'elements unitaires de forme simple, ciest-a-dire de lattes et de profiles en U. L'assemblage est egalement simple puisque les lattes vent simplement 283881 6 embo^'tees dans les profiles en U. evitant ainsi les operations de fixation mecanique par collage. En outre, cette structure permet une grande facilite de demontage pour le remplacement eventuel d'un element ayant ete endommage. Enfin, les lattes etant toutes disposees dans un meme plan, la hauteur de la structure est pratiquement reduite a la hauteur des lattes, ou plus exactement a la hauteur correspondent a celle du fond des profiles en U. Plusieurs formes d'execution de cette structure porteuse vent decrites ci-apres en reference au dessin schematique annexe dans lequel: Figure 1 est une vue en coupe transversale d'un four de traitement thermique a haute temperature; Figure 2 est une vue en coupe par un plan horizontal de ce four; Figure 3 est une vue de dessus diune structure composite C/C de type connu; Figure 4 est une vue de cote a echelle agrandie diune latte de la structure de figure 3; Figure 5 est une vue de dessus et en coupe partielle par un plan horizontal diune premiere structure porteuse de forme generale rectangulaire; Figure 6 est une vue en perspective et eclatee et a echelle agrandie du detail de ['assemblage de plusieurs elements constitutifs de la structure de figure 5; Figure 7 est une vue en coupe transversale et a echelle agrandie de la structure de figure 5; Figure 8 est une vue de dessus et partielle d'une variante d'une structure porteuse rectangulaire; Figure 9 est une vue de dessus d'une structure porteuse de forme circulaire. La structure representee aux figures 5 a 7 est designee par la reference generale 10. Cette structure comprend deux profiles en U paralleles 12, possedant chacun un fond 13 a partir duquel stetendent deux ailes 14 sensiblement de meme longueur. A titre d'exemple, la largeur du fond 13 est de l'ordre de 50 mm et la largeur des ailes 14 est de ltordre de 200 mm, I'epaisseur de matiere etant de 6 mm. Les profiles 12 vent realises en un materiau composite C/C. A leurs extremites, les profiles 12 presentent, au moins dans l'une de leurs ailes, une serie de trous 15. Ces trous 15 servent au passage de goupilles 16 engagees dans des trous 17 menages dans des barres de verrouillage 18 de section rectangulaire, realises en composite carbone/carbone. S Entre les deux barres de verrouillage 18 vent disposees des lattes 19 rectilignes, de forme rectangulaire, dont ies extremites vent engagees dans les profiles en U 12. En effet, la longueur de chaque latte 19 correspond a la distance entre les fonds 13 des deux profiles 12. Les differentes lattes 19 vent simplement positionnees entre les profiles, chaque latte ayant une hauteur correspondent a liecartement entre les deux ailes 14 d'un profile, les lattes etant maintenues positionnees parallelement et ecartees les unes des autres par l'intermediaire de cales 20 en graphite, embo^'tees dans les profiles 12. La figure 8 represente une variante d'execution de la structure representee aux figures 5 3 7, dans laquelle les lattes 22 dont les extremites vent engagees dans deux profiles en U 12, presentent une forme sinusodale, les ondulations des differentes lattes etant identiques, et les ondulations de deux lattes adjacentes etant decalees d'une demi periode, afin de permettre un appui de deux lattes l'une sur l'autre au niveau de leurs ondulations 23. Cette forme d'execution est avantageuse dans la mesure ou elle permet de maintenir les lattes parallelement les unes aux autres, avec management d'espaces, sans avoir 3 recourir 3 des cales formant entretoise. La figure 9 represente une autre forme d'execution d'une structure porteuse, de forme circulaire. Cette structure comprend un profile peripherique 24 de section en U. realise en trots troncons assemblables mecaniquement, et jointifs au niveau de zones reperees, sur la figure 9, par la reference 25. Dans la fornne d'execution representee 3 la figure 9, les differentes lattes 26 presentent, en vue de dessus, une forme sinusodale, ce qui evite d'avoir a recourIr au montage de cales. II ressort du dessin que, dans le cas diune structure porteuse de charge de forme circulaire, les longueurs respectives des differentes lattes varient suivant leur position. II ressort de la description qui precede, que la structure porteuse de charges, selon ['invention, est realisee 3 partir d ' un nom bre red uit d' elements unitaires possedant une forme simple. Dans ces conditions, la structure est realisee de facon economique, tout en permettant ulterieurement un remplacement de certains de ces elements, en cas de besoin, de fa$on economique puisque le demontage de la structure est effectuee de facon rapide et sans destruction de celle-ci. En outre, cette structure se presente sous une forme tres compacte, ce qui optimise I'utilisation d'un four en laissant a l'interieur de celui-ci un volume important pour les pieces 3 traiter. Comme il va de soi, I ' invention ne se limite pas aux seu l es formes d'execution de cette structure, decrites ci-dessus a titre d'exemples, eile en embrasse au contraire toutes les variantes. C'est ainsi notamment que, dans le cas d'un support rectangulaire, la structure porteuse peripherique pourrait etre constituee par un element de section en U. presentant lui-meme une forme generale de U. ou encore que la structure circulaire representee a la figure 9 pourrait etre realisee 3 partir de lattes rectilignes et maintenues 3 distance les unes des autres par des cales formant entretoise, sans que l'on sorte pour autant du cadre de ['invention. REVENDICATIONS 1. Structure porteuse de charges, en materiau carbone, pour four a haute temperature, caracterisee en ce quielle comporte: - des lattes (19, 22, 26) sensiblement paralleles, disposees dans un meme plan et menageant des espaces entre elles, - au moins un profile en U (12, 24), les extremites des lattes (19, 22, 26) etant chacune encastrees dans un profile en U (12, 24), - des moyens (18, 20, 23) de maintien, en position assemblee, des lattes les unes par rapport aux autres et par rapport a chaque profile en U. 2. Structure porteuse de charges selon la revendication 1, caracterisee en ce que les lattes (19, 22, 26) et les profiles en U (12, 24) vent realises en composite C/C. 3. Structure porteuse de charges selon l'une des revendications 1 et 2, caracterisee en ce que les moyens de maintien, en position assemblee des lattes (19) les unes relativement aux autres, comprennent des cales (20) formant entretoises, disposees chacune entre deux lattes, dans le fond d'un profile en U (12). 4. Structure porteuse de charges selon la revendication 3, caracterisee en ce que les cales (20) vent realisees en graphite. 5. Structure porteuse de charges selon l'une des revendications 1 et 2, caracterisee en ce que les lattes (22, 26) presentent, en vue de dessus, une forme sinusodale, les ondulations (23) des differentes lattes etant identiques, et les ondulations de deux lattes adjacentes etant decalees diune demi-periode, afin de permettre un appui de ces deux lattes (22, 26) I'une sur l'autre au niveau de leurs ondulations (2, 3). 6. Structure porteuse de charges selon l'une des revendications 2 a 5, caracterisee en ce que les lattes (19, 22, 26) et chaque profile en U (12, 24) ont la meme composition et comprennent, en volume, de liordre de 30 a 50% de fibres, de 40 a 60% de matrice et de 10% de porosite residuelle. 7. Structure porteuse de charges selon l'une des revendications 1 a 6, caracterisee en ce que chaque profile en U (12, 24) possede un fond dont la largeur est de l'ordre de 50 mm et des ailes dont la largeur est de I'ordre de 200 mm, avec une epaisseur de matiere de l'ordre de 5 a 10 mm et, de preference, de 6 mm. 8. Structure porteuse de charges selon l'une des revendications l a 7, caracterisee en ce que toutes les lattes (19, 22) vent de meme S longueur et vent engagees, par leurs extremites, dans deux profiles (12) en U paralleles. 9. Structure porteuse de charges selon la revendication 8, caracterisee en ce qu'elle comporte aux extremites des profiles en U (12), des pidces de verrouillage (18) fixees mecaniquement sur les profiles, par des moyens tels que des vis ou des clavettes (16). 10. Structure porteuse de charges selon la revendication 9, caracterisee en ce que les pieces de verrouillage (18) vent constituees par des barres en composite C/C. 11. Structure porteuse de charges selon l'une des revendications 1 a 7, caracterisee en ce qutelle comporte un proflie peripherique (24) de section en U. presentant la forme d'un anneau circulaire, les lattes (26) ayant des longueurs differentes les unes des autres, chaque latte (26) ayant une longueur egale a la corde de l'arc de cercle, correspondent a sa position dans la structure. 1 2. Structure porteuse de charges selon la revendication 11, caracterisee en ce que le profile peripherique (24) de section en U est realise en plusieurs tronsons correspondent chacun a un arc de cercle, assemblables mecaniquement les uns aux autres.