Brevet FR2858983A1 — publié le 20050225

La présente invention concerne une méthode et une installation de recyclage d'un gaz ou mélange de gaz utilisé dans une opération de trempe gazeuse. La trempe gazeuse des aciers ayant subit au préalable un traitement thermique sous vide (chauffage avant trempe, recuit, revenu...) ou thermochimique (cémentation, carbonitruration...) est généralement réalisée avec un gaz sous pression, préférentiellement entre 4 et 20 bars. Le gaz peut contenir de l'azote, de l'air, de l'argon, de l'hélium ou tout autre gaz ou mélange gazeux industriel. Les améliorations apportées ces dernières années aux procédés de refroidissement rapide des aciers ont essentiellement consisté en l'utilisation de fluides aux meilleures propriétés d'échange de chaleur telles que l'Hélium et l'Hydrogène, de mélanges d'un gaz inerte avec un gaz plus léger (N2-H2, N2-He, ...), en l'augmentation des pressions de gaz et des vitesses de circulation dans l'enceinte sous pression. Les technologies des cellules de trempe ont été améliorées en parallèle: augmentation des pressions de fonctionnement, de la capacité des échangeurs de chaleur, etc. Certains gaz et mélanges de gaz coûteux tels que l'hélium nécessitent l'utilisation de systèmes de récupération de gaz permettant de transférer et de re- comprimer le gaz utilisé lors d'une trempe, afin de pouvoir l'utiliser lors de la trempe suivante. Les systèmes de recyclage couramment utilisés nécessitent généralement la présence des appareils suivants: - un ou plusieurs compresseur(s) ; - une pompe à vide lorsque des taux de récupération de gaz élevés sont recherchés (pour évacuer la cellule de trempe en deçà de la pression atmosphérique); - des moyens de purification/séparation des gaz; - des capacités de stockage des gaz (qu'elles soient en structure souple 30 ou rigide, voir le cas du document FR-2 634 866). Les problèmes techniques généralement rencontrés dans de tels systèmes de recyclages sont les suivants: - concernant le compresseur: compte tenu des pressions et des débits nécessaires, les seules technologies de compresseurs utilisables sont des compresseurs à pistons (secs ou bien lubrifiés), comportant éventuellement un étage de compression à vis. Le coût de tels appareils, qui est fortement lié au débit nécessaire, représente une partie importante du coût de l'installation de recyclage. - concernant la pompe à vide: une pompe à vide ne fournit pas un débit constant en fonction du temps et de la pression en son entrée; il se pose donc un problème d'adaptation entre le débit fourni par la pompe à vide et le débit admis en entrée du compresseur. - concernant les moyens de purification des gaz: ceux-ci rendent généralement l'installation plus complexe; en outre, les moyens classiques de séparation des gaz nécessitent de comprimer le gaz, soit à l'aide d'une unité de compression séparée (voir par exemple le document US2002/0104589A1), soit en mobilisant le compresseur cité plus haut utilisé pour la re-compression et le transfert du gaz. - immobilisation de la cellule de trempe: la cellule de trempe est immobilisée par le procédé de recyclage pendant une partie importante de son cycle de fonctionnement et est alors indisponible dans son rôle de refroidissement d'une charge. Cela conduit à devoir sur-dimensionner le débit des éléments moteurs (compresseur, pompe à vide) de façon à atteindre des temps de cycle améliorés. La présente invention vise à apporter une amélioration aux problèmes techniques ci-dessus listés, en proposant une nouvelle architecture de système de recyclage du gaz de trempe, permettant une utilisation plus efficace des équipements mis en oeuvre, et en particulier des moyens de récupération et compression du gaz, dans le cadre de la trempe de pièces métalliques dans un gaz à haute pression à la suite d'un traitement thermique sous vide. Comme décrit plus en détails ci-après la présente invention permet en effet de: réduire les temps de transfert du gaz et le temps du cycle de récupération, pour un taux de récupération identique par rapport à une installation utilisant des équipements de compression et de pompage dimensionnés pour les mêmes débits et donc notamment diminuer le temps de récupération visible par la cellule de trempe; utiliser des équipements de compression et de pompage de débits plus faibles en dimension par rapport à une installation conventionnelle assurant les mêmes performances en temps de transfert; - maintenir le niveau de pureté souhaité sans nécessiter l'utilisation de moyens d'épuration de gaz; - mettre en oeuvre des mélanges de gaz avec des consommations de gaz optimisées; L'installation de recyclage selon la présente invention est positionnée entre la cellule de trempe (VI sur la figure 1 ci-dessous) et le ballon tampon (V2 sur la figure 1 ci-dessous) traditionnellement présent dans des installations de trempe gazeuse, elle comprend les éléments suivants: une ligne principale reliant la cellule VI à la capacité V2 en passant par un groupe de compression/surpression comprenant un ou plusieurs compresseurs ou surpresseurs en parallèle (système à deux compresseurs Cl et C2 à piston sur la figure 1) ; - un ballon de stockage intermédiaire V3 apte à alimenter le groupe de compression (préférentiellement situé en dérivation par rapport à la ligne principale) ; selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention que l'on détaillera en détails plus loin dans la présente demande, la présence d'un gazomètre ou ballon gonflable (V4), également préférentiellement en dérivation par rapport à la ligne principale (une pompe à vide P1 refoulant soit vers un évent, soit vers le ballon V4); - selon un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention elle comprend, dans le cas de l'utilisation pour la trempe d'un mélange de gaz, un mélangeur basse pression alimentant le groupe de compression en mélange à basse pression (MI) ; Le volume V3 permet une vidange partielle rapide de la cellule de trempe V1 par un équilibrage de pression partiel ou complet entre les deux volumes. Cette vidange rapide présente par ailleurs l'avantage de pouvoir faire chuter la consommation d'énergie d'agitation du gaz dans la cellule (puisque la pression va y chuter donc permettre de faire baisser l'intensité des turbines), ou encore peut permettre de diminuer la vitesse de refroidissement à une étape intermédiaire du procédé de trempe (étagement). Comme on va le voir plus loin la capacité V3 est en tout état de cause un élément clé de l'invention par le gain de temps qu'elle permet durant le recyclage puisque l'on peut s'occuper du gaz contenu dans V3 pendant que VI est en fonctionnement. En effet, pendant les phases où la cellule de trempe VI est mobilisée par exemple dans le déroulement du procédé de trempe gazeuse ou encore lors des transferts de charges, le gaz stocké dans la capacité V3 peut être transféré et re-comprimé vers la capacité tampon V2. Cette immobilisation de VI est liée à : - la durée d'utilisation du gaz sous pression dans la cellule VI pour la 10 trempe elle même; - la durée de chargement et de déchargement de la cellule VI. La durée cumulée d'immobilisation peut être estimée à un minimum de 5 minutes, ce qui représente, par exemple pour des cycles de 20 minutes, un gain de temps de 25%. En résumé après une opération de trempe on vide la cellule en récupérant au moins une partie du gaz (par exemple 95 %) : - au travers de un ou plusieurs cycles de remplissage V3/vidange vers V2 comme décrit ci-dessus; - le cas échéant une partie du contenu de VI est rejetée à l'air libre. Comme on va le voir ci-dessous, pour vider la cellule VI au delà de la pression atmosphérique, il va être nécessaire de faire intervenir une pompe à vide et c'est ici qu'intervient très avantageusement le ballon V4. L'utilisation de la capacité V4 peut en effet être résumée ainsi: lorsque l'on souhaite pouvoir transférer et re-comprimer le gaz avec un taux de récupération élevé (typiquement supérieur à 95%), i.e descendre en dessous de la pression atmosphérique dans la cellule VI, il est nécessaire de récupérer le gaz de la cellule de trempe VI sous vide. Il faut souligner que de tels taux de récupération élevés (supérieurs à 95 % voire > 97%) sont en général recherchés dans le cas des gaz de trempe onéreux tels qu'à base d'hélium (pour des raisons économiques bien compréhensibles). Or, une pompe à vide ne fournit pas un débit de gaz constant alors que les compresseurs utilisés fonctionnent à débit constant; il se pose donc un problème d'adaptation entre les débits de travail du compresseur et de la pompe à vide si ces deux types d'éléments étaient en connexion directe. La capacité V4 représentée sur la figure est un ballon gonflable, à la pression atmosphérique. La pompe à vide P1 remplit plus ou moins complètement V4 avec du gaz en provenance de V1, V4 étant déconnectée de l'unité de compression, puis l'unité de compression vide V4 dans V2, V4 étant à ce moment là déconnectée de la pompe P1. Durant le fonctionnement de la pompe à vide et le remplissage du ballon V4, les compresseurs sont par exemple disponibles pour recomprimer directement le gaz contenu dans V3 et alimenter V2. Lorsque V4 est plein, les compresseurs re-compriment le gaz à partir de V4 pour alimenter V2. Ceci permet d'avoir un débit constant en débit d'aspiration du compresseur et donc de gagner du temps. Les compresseurs sont ainsi toujours à une pression d'entrée correspondant à la pression atmosphérique ou légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Le ballon V4 permet donc de dissocier les étapes de pompage et de recompression puisque pompe à vide et compresseurs ne sont jamais en ligne directe. Ainsi, chaque équipement (pompe à vide, unité de compression) est utilisé dans ses conditions de fonctionnement nominales. En d'autres termes si le ballon V4 n'était pas présent, P1 enverrait directement le gaz en provenance de V1 vers le groupe de compresseurs/surpresseurs, or le débit fourni par la pompe P1 dépend de la pression dans la cellule (qui varie) donc le compresseur en aval subit lui aussi des variations de pressions. On l'aura compris à la lecture de ce qui précède, on procède alors, selon le taux de récupération que l'on veut atteindre, à plusieurs cycles de remplissage de V4, vidange de V4, jusqu'à obtenir une pression acceptable dans la cellule VI (typiquement 100 mbars absolus à titre illustratif). On l'a compris, pendant que V4 se remplit, V3 est disponible pour alimenter le compresseur à partir du gaz qu'il contient et donc la capacité V2. Comme il apparaîtra clairement à l'homme du métier, le volume de V3 et le cas échéant de V4 est adapté en fonction des débits des compresseurs mais aussi du temps que l'on souhaite gagner. La présente invention concerne alors un procédé de trempe par gaz, du type où l'on dispose d'une cellule de trempe destinée à recevoir des objets à tremper à l'aide d'un gaz de trempe, et où l'on dispose de moyens de fourniture de gaz de trempe sous pression, raccordés à cette cellule, les moyens de fourniture de gaz comprenant une capacité tampon adaptée pour contenir du gaz de trempe, caractérisé en ce que l'on procède, après une opération de trempe, au recyclage de tout ou partie du gaz contenu dans la cellule de la façon suivante: - on dispose d'une ligne principale reliant la cellule à la dite capacité tampon en passant par un groupe de compression ou surpression comprenant un ou plusieurs compresseurs ou surpresseurs en parallèle; - on dispose d'un premier ballon de stockage intermédiaire apte à 10 recevoir du gaz de trempe en provenance de la cellule et à alimenter le groupe de compression; - on procède, après une opération de trempe, à une ou plusieurs opérations de vidange partielle du contenu de la cellule dans le premier ballon de stockage intermédiaire par un équilibrage de pression partiel ou complet entre les deux volumes de la cellule et du premier ballon de stockage intermédiaire; - on procède au transfert du gaz stocké dans ledit premier ballon de stockage intermédiaire vers la capacité tampon (V2) en passant par le groupe de compression/surpression; - on rejète le cas échéant une partie du contenu de la cellule à l'air libre. Le procédé selon l'invention pourra par ailleurs comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on procède audit transfert du gaz stocké dans ledit premier ballon de stockage intermédiaire vers la capacité tampon pendant une phase où la cellule de trempe est immobilisée dans le déroulement du procédé de trempe gazeuse ou durant des transferts de charges. - on dispose d'un ballon gonflable, apte à recevoir du gaz en provenance de la cellule au travers d'une pompe à vide, pompe à vide apte à refouler soit vers un évent soit vers ledit ballon gonflable et en ce que l'on utilise le ballon gonflable de la façon suivante: on procède, après ladite une ou plusieurs opérations de vidange partielle du contenu de la cellule dans le premier ballon de stockage intermédiaire, afin de descendre en dessous de la pression atmosphérique dans la cellule, à une ou plusieurs opérations de transfert du gaz contenu dans la cellule dans le ballon gonflable de la façon suivante: - on récupère dans le ballon gonflable du gaz contenu dans la cellule à l'aide de la pompe à vide, le ballon gonflable étant déconnecté de l'unité 5 de compression, puis - on procède à la vidange du gaz contenu dans le ballon gonflable à l'aide de l'unité de compression/surpression, le ballon gonflable étant déconnecté de la pompe à vide (P1). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va 10 suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une représentation schématique d'une installation permettant la mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 fournit le résultat de simulations du taux de pollution limite (teneur dans le gaz recyclé depuis V2 et réutilisé dans la cellule de trempe) en fonction du taux de récupération de gaz pour différents niveaux de pollution initiale dans le gaz de trempe récupéré de la cellule VI. - la figure 3 fournit un exemple de recyclage selon l'invention avec l'évolution des pressions dans les capacités VI, V2, V3 au cours du cycle de 20 trempe et de re-compression du gaz. - la figure 4 fournit le détail de l'évolution des pressions des capacités VI et V3 durant les étapes 4 et 5 du tableau 1 (sensiblement entre 21 et 25 mn). On reconnaît sur la figure 1 tous les éléments que l'on a déjà abondamment décrits et référencés dans ce qui précède et notamment la cellule VI, la capacité tampon V2, le groupe de compression à pistons comprenant deux compresseurs en parallèle Cl et C2, le ballon de stockage intermédiaire V3 apte à alimenter le groupe de compression et situé en dérivation par rapport à la ligne principale, le ballon gonflable V4, également en dérivation par rapport à la ligne principale ainsi que la pompe à vide P1 refoulant soit vers un évent, soit vers le ballon V4. On note sur la figure la présence, entre la pompe et le ballon V4, d'une 30 vanne de mise à l'air (symbolisée par une flèche courbe d'évacuation) qui est prévue afin d'évacuer vers l'extérieur lorsqu'on le souhaite une partie du gaz extrait de V1. Ceci on l'a bien compris selon le taux de récupération de gaz que l'on souhaite atteindre: une partie sera recyclée dans le procédé une partie sera évacuée vers l'extérieur. Par exemple, on peut choisir d'évacuer le gaz extrait de VI lorsque la pression dans VI devient inférieure à un seuil pré-défini que l'on définit comme la pression de reprise en fonction du taux de récupération choisi. Comme déjà signalé plus haut, selon un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, l'installation comprend, dans le cas de l'utilisation pour la trempe d'un mélange de gaz (on a illustré sur la figure le cas d'un mélange CO2-hélium), un mélangeur basse pression (M1) alimentant le groupe de compression en mélange à basse pression. En effet, dans le cas de l'utilisation d'un gaz de trempe qui est un mélange de gaz, il est préférable, afin de synthétiser un mélange homogène, d'employer un appareil dédié à la synthèse du mélange (mélangeur), et non d'effectuer un appoint de façon séquentielle. Le mélange peut être synthétisé à une pression plus ou moins élevée. Avantageusement, il est proposé ici de synthétiser le mélange à basse pression (inférieure à 10 bar) et de recomprimer ce mélange à l'aide du groupe de compression/surpression afin de pouvoir vider au maximum les stockages de gaz. En effet, une unité de mélange fonctionne à une pression d'alimentation dé-terminée. Un mélangeur haute pression, c'est-à- dire à haute pression d'alimentation, permettra de se passer de l'emploi d'un compresseur pour alimenter la capacité haute pression en gaz neuf. En revanche, un système de mélange basse pression permet d'utiliser les stockages de gaz peuvent être utilisés tant que la pression desdits stockages reste supérieure à la pression d'alimentation. Le résiduel de gaz consommé non utilisé restant dans les stockages de gaz sera donc plus faible, d'où des coûts d'exploitation plus faibles. Le système de récupération de gaz décrit comporte nécessairement un compresseur, il est donc plus favorable de réaliser le mélange à basse pression. On utilise ainsi le groupe de compression du système de recyclage de gaz pour réaliser l'appoint en gaz frais. L'emploi d'un mélangeur haute pression peut permettre de synthétiser directement le mélange sans nécessiter l'utilisation du groupe de compression. Dans le cas de l'utilisation de mélanges, il est tout particulièrement recommandé d'effectuer un contrôle de la composition du gaz par un analyseur (comme c'est le cas sur la figure) pour suivre et adapter la composition du mélange pendant le recyclage en cas de fuite préférentielle de l'un des composants pendant le cycle de trempe et/ou de recyclage. A titre illustratif, plusieurs types d'analyse sont possibles parmi lesquels on peut citer: les constituants principaux du mélange; - les polluants représentatifs d'une fuite (tel oxygène, azote) ; 10 - les polluants liés au procédé : tel H2O, CO, N2, ou hydrocarbures, résiduels du procédé de traitement thermique précédant l'opération de trempe. On conçoit également que l'installation peut comporter un automate de pilotage de l'installation, définissant notamment les séquences de remplissage et 15 de vidange des différents éléments constitutifs. Les informations utilisées par l'automate peuvent être fournies par: - des capteurs de température et de pression au niveau des différentes capacités V1, V2, V3, V4 un capteur de remplissage du ballon V3 un capteur de remplissage du ballon V4 l'analyseur de gaz L'automate, à partir de ces informations, peut commander: - le basculement des vannes dirigeant le gaz vers une capacité ou une autre le réglage du mélangeur la mise en route ou l'arrêt du groupe de pompage etc... Le tableau 1 ci-dessous illustre un cas concret, détaillant les différentes étapes et leurs durées. Tableau 1: Etapes du transfert et de la recompression du gaz de VI vers V2 Etapes de t= (min) à t= (min) Description Remplissage de VI pour la 0 0 0.1 trempe Trempe sous pression (en 1 0.1 5.4 parallèle transfert de gaz de V3 vers V2) Équilibrage V1-V3 (vidange 2 5.4 5.5 partielle de V1) Recompression à partir de VI: le gaz, non equilibré entre VI et V3, est envoyé dans V2 3 5.5 20.9 directement via le groupe de compression (jusque la pression atmosphérique) Mise sous vide de V1 avec 4 20.9 23.7 transfert du gaz vers V2; utilisation du ballon V4 Descente en vide de VI; gaz issu de VI éventé (puisque taux 23.7 25.0 de récupération différent de 100%) Transfert de gaz de V3 vers V2 et mise à niveau de la 6 25.0 35.0 pression dans V2 et attente; sortie de la charge trempée, entrée de la charge à tremper Le temps gagné par rapport à une installation ne comprenant ni V3 ni V4 est compris entre 5 et 10 minutes, en fonction du temps nécessaire pour transférer les charges de pièces à traiter (étape 6). Au cours des opérations successives de trempe et de récupération, le gaz de trempe s'enrichit en impuretés/polluants. Toutefois, ces impuretés sont diluées par l'appoint de gaz rendu nécessaire par la récupération incomplète du gaz de trempe. Le taux d'impuretés reste donc en deçà d'une limite supérieure dépendant à la fois des teneurs en polluants apportées à chaque cycle de trempe et du taux de récupération du gaz, qui est directement lié à l'appoint de gaz apporté à chaque cycle. La figure 2 fournit le résultat de simulations de ce taux d'impuretés limite (teneur dans le gaz recyclé depuis V2 et réutilisé dans la cellule de trempe) en fonction du taux de récupération de gaz, pour différents niveaux de pollution initiale dans le gaz de trempe récupéré de la cellule VI: une courbe par niveau de pollution initial, en considérant les courbes depuis la plus haute dans la figure jusqu'à la plus basse elles correspondent respectivement à des teneurs de pollution initiale de 10, 20, 50, 100, 200, 500 et 1000 ppm. Afin de maintenir constantes les propriétés de refroidissement du gaz, un taux de pollution de 5% reste tout à fait acceptable. On remarque par exemple que l'ajout de 5% d'azote dans un mélange de CO2 et d'hélium contenant 50% d'hélium se traduit par une diminution du flux thermique transféré par le gaz de 1.5% ; cette diminution est inobservable sur les propriétés finales des pièces traitées. Dans le cas de traitements thermiques sous vide, le niveau d'impuretés ajoutées à chaque cycle ne dépasse pas 500 ppm. Un taux de récupération de 99% permet dans ce cas de maintenir un niveau de pureté suffisant, sans utiliser de moyens de séparation de gaz pour limiter la teneur en polluants. La figure 3 fournit quand à elle un exemple de recyclage selon l'invention avec l'évolution des pressions dans les capacités VI, V2, V3 au cours du cycle 30 de trempe et de re-compression du gaz (exemple correspondant au tableau 1) : - en trait continu: la pression dans V3; - en trait pointillé ( ) : la pression dans V2; - en trait mixte tiretés/pointillés (._._._._) : la pression dans VI. La figure 4 fournit le détail (zoom) de l'évolution des pressions des capacités VI et V3 entre 21 et 25 mn (sensiblement durant les étapes 4 et 5 du tableau 1). Elle permet de distinguer les différentes étapes d'utilisation simultanée de la pompe à vide pour vider V1 et du compresseur pour vider V3 et les étapes de vidange du ballon gonflable à l'aide du compresseur (pressions VI et V3 stables) Les impuretés non gazeuses (eau, huile, poussières) sont supprimées à l'aide de filtres dédiés. 13 REVENDICATIONS 1. Procédé de trempe par gaz, du type où l'on dispose d'une cellule de trempe (VI) destinée à recevoir des objets à tremper à l'aide d'un gaz de trempe, et où l'on dispose de moyens de fourniture de gaz de trempe sous pression, raccordés à cette cellule, les moyens de fourniture de gaz comprenant une capacité tampon (V2) adaptée pour contenir du gaz de trempe, caractérisé en ce que l'on procède, après une opération de trempe, au recyclage de tout ou partie du gaz contenu dans la cellule (VI) de la façon suivante: - on dispose d'une ligne principale reliant la cellule (V1) à la dite capacité tampon (V2) en passant par un groupe de compression ou surpression comprenant un ou plusieurs compresseurs/surpresseurs en parallèle (Cl, C2 - on dispose d'un premier ballon de stockage intermédiaire (V3) 15 apte à recevoir du gaz de trempe en provenance de la cellule et à alimenter le groupe de compression/surpression; - on procède, après une opération de trempe, à une ou plusieurs opérations de vidange partielle du contenu de la cellule (V1) dans le premier ballon de stockage intermédiaire (V3) par un équilibrage de pression partiel ou complet entre les deux volumes de la cellule (V1) et du premier ballon de stockage intermédiaire; - on procède au transfert du gaz stocké dans ledit premier ballon de stockage intermédiaire (V3) vers la capacité tampon (V2) en passant par le groupe de compression/surpression; - on rejète le cas échéant une partie du contenu de la cellule (V1) à l'air libre. 2. Procédé de trempe par gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède audit transfert du gaz stocké dans ledit premier ballon de stockage intermédiaire (V3) vers la capacité tampon (V2) pendant une phase où la cellule de trempe (VI) est immobilisée dans le déroulement du procédé de trempe gazeuse ou durant des transferts de charges. 3. Procédé de trempe par gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on dispose d'un ballon gonflable (V4), apte à recevoir du gaz en provenance de la cellule (VI) au travers d'une pompe à vide (P1) apte à refouler soit vers un évent soit vers ledit ballon gonflable (V4) et en ce que l'on utilise le ballon gonflable de la façon suivante: on procède, après ladite une ou plusieurs opérations de vidange partielle du contenu de la cellule (VI) dans le premier ballon de stockage intermédiaire (V3), afin de descendre en dessous de la pression atmosphérique dans la cellule (VI), à une ou plusieurs opérations de transfert du gaz contenu dans la cellule (VI) dans le ballon gonflable de la façon suivante: - on récupère dans le ballon gonflable (V4) de gaz contenu dans la cellule (VI) à l'aide de la pompe à vide (P1), le ballon gonflable (V4) étant déconnecté de l'unité de compression/surpression, puis - on procède à la vidange du gaz contenu dans le ballon gonflable (V4) à l'aide de l'unité de compression/surpression, le ballon gonflable (V4) étant déconnecté de la pompe à vide (P1). --------------------------------------------