Brevet FR2864106A1 — publié le 20050624

DISPOSITIF DE TREMPE La présente invention concerne un dispositif de trempe de pièces, et plus particulièrement un dispositif de trempe de pièces en acier ayant subi un traitement physicochimique à chaud, par exemple un traitement de cémentation consistant à introduire du carbone dans la surface des pièces pour en améliorer la dureté. La trempe correspond à un refroidissement brutal d'une pièce chauffée audelà d'une température de modification de la structure de la pièce vers une phase spécifique ayant des propriétés physiques avantageuses. La trempe permet de maintenir à température ambiante la phase spécifique qui n'est normalement stable qu'à haute température. Dans le cas des aciers, la phase spécifique à chaud est l'austénite qui est recherchée notamment pour des propriétés de dureté remarquables. Toutefois, il n'est généralement pas possible dans ce cas, aussi rapide que puisse être le refroidissement, de maintenir une phase d'austénite parfaite à température ambiante. On obtient en fait une phase métastable, appelée martensite, qui conserve néanmoins des propriétés physiques intéressantes. Dans le cas d'une trempe ordinaire, la pièce préalablement chauffée est, par exemple, placée dans un bac de trempe rempli d'un liquide de trempe, par exemple de l'huile, agité durant le refroidissement. La trempe peut également être réalisée par le passage d'un gaz de trempe autour de la pièce à refroidir. La trempe au gaz est généralement réalisée en disposant des pièces à tremper dans une enceinte de trempe fermée hermétiquement et en faisant circuler dans l'enceinte du gaz de trempe contenu dans un réservoir haute pression. Une fois la trempe réalisée, le gaz de trempe peut être évacué de l'enceinte de trempe et rejeté ou être récupéré pour être réinjecté dans le réservoir haute pression. Un dispositif de trempe au gaz est encombrant puisqu'il comprend au moins une enceinte de trempe, un réservoir haute pression et les conduites reliant le réservoir haute pression et l'enceinte de trempe. En outre, l'enceinte de trempe a généralement un volume important puisqu'elle contient, en plus des pièces à traiter, des moyens de brassage du gaz de trempe dans l'enceinte. Il résulte que le volume de gaz de trempe devant être injecté dans l'enceinte pendant un cycle de trempe est important par rapport au volume utile contenant les pièces à traiter. En outre, lorsqu'une récupération du gaz de trempe est réalisée après chaque cycle de trempe, le volume de gaz de trempe à récupérer est tel qu'il est nécessaire d'utiliser un réservoir basse pression relié à l'enceinte de trempe pour récupérer rapidement une partie du gaz de trempe contenu dans l'enceinte de trempe en faisant communiquer l'enceinte de trempe et le réservoir basse pression. Le réservoir basse pression est relié au réservoir haute pression par l'intermédiaire d'un compresseur pour réinjecter ultérieurement dans le réservoir haute pression le gaz de trempe récupéré. En effet, la fréquence des cycles de trempe dans une exploitation industrielle du dispositif de trempe est trop élevée pour permettre la récupération du gaz de trempe contenu dans l'enceinte de trempe seulement par l'intermédiaire d'un compresseur reliant l'enceinte de trempe au réservoir haute pression. La présente invention vise donc à obtenir un dispositif de trempe ayant un encombrement réduit. Un autre objet de la présente invention est de réduire le volume de gaz de trempe utilisé pour réaliser un cycle de trempe. Un autre objet de la présente invention est de permettre une récupération d'au moins une partie du gaz de trempe présent dans l'enceinte de trempe sans requérir un réservoir basse pression. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un dispositif de trempe comprenant une enceinte de trempe contenant un volume utile destiné à recevoir des pièces à tremper; une enceinte extérieure contenant l'enceinte de trempe et séparée de l'enceinte de trempe par un volume de stockage apte à contenir du gaz de trempe à haute pression; et des moyens de mise en circulation continue de gaz de trempe du volume de stockage dans le volume utile et du volume utile dans le volume de stockage, les moyens de mise en circulation étant placés dans le volume de stockage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de mise en circulation comprennent un moyen d'admission adapté à libérer au moins une ouverture dans l'enceinte de trempe pour le passage de gaz de trempe du volume de stockage dans le volume utile; et un moyen d'aspiration comprenant une entrée d'aspiration de gaz de trempe du volume utile et une sortie d'expulsion du gaz aspiré dans le volume de stockage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen d'admission comprend une pluralité de vannes disposées sur l'enceinte de trempe, le dispositif comprenant un moyen pour ouvrir sélectivement une vanne ou plusieurs vannes parmi la pluralité de vannes pour orienter l'écoulement de gaz de trempe pénétrant dans l'enceinte de trempe dans une direction privilégiée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend un échangeur thermique entre le volume utile et l'entrée d'aspiration du moyen d'aspiration pour refroidir le gaz de trempe avant que le gaz de trempe n'atteigne le moyen d'aspiration. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend un échangeur thermique entre la sortie du 10 moyen d'aspiration et le volume de stockage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'enceinte extérieure et l'enceinte de trempe ont une paroi conuuune comprenant une ouverture pour faire communiquer le volume utile avec l'extérieur de l'enceinte extérieure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend un moyen d'accélération disposé dans l'enceinte de trempe pour accélérer le gaz de trempe atteignant les pièces à traiter. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen d'accélération comprend un caisson comprenant des parois délimitant le volume utile et comportant des buses pour accélérer l'écoulement du gaz de trempe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'enceinte de trempe comprend une ouverture au niveau de l'entrée du moyen d'aspiration, le dispositif comprenant un moyen pour fermer hermétiquement l'ouverture. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend en outre un moyen pour établir un vide partiel dans l'enceinte de trempe. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un exemple de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue de côté schématique, en coupe partielle, d'un exemple de réalisation d'un dispositif de trempe selon l'invention; et la figure 2 est une coupe de la figure 1 selon la 5 ligne II-II. Les figures 1 et 2 représentent un exemple de réalisation d'un dispositif de trempe 10 selon la présente invention. Le dispositif de trempe 10 est relié à une installation de traitement physicochimique à chaud 15, par exemple, une installation de cémentation du type décrit dans la demande de brevet n 0 922 778 déposée au nom de la demanderesse à laquelle on pourra se référer pour de plus amples détails. Le dispositif de trempe 10 comprend une enceinte extérieure 20 cylindrique, d'axe Dl par exemple horizontal, fermée à une extrémité par un couvercle 22 et fermée à l'extrémité opposée par une paroi plane de fermeture 24. La paroi de fermeture 24 est fixée à un support d'attache 25 connuniquant avec l'installation de traitement 15. La paroi de fermeture 24 comprend une ouverture 26 de forme sensiblement rectangulaire. L'ouverture 26 peut être refermée par l'intermédiaire d'une porte 28, coulissant dans des rails 30, 32 fixés à la paroi de fermeture 24, et qui peut se déplacer d'une position d'ouverture à laquelle l'ouverture 26 communique avec l'installation de traitement 15 à une position de fermeture à laquelle l'ouverture 26 est hermétiquement isolée de l'installation de traitement 15. Une enceinte de trempe 40 cylindrique d'axe D2, parallèle à D1, est disposée dans l'enceinte extérieure 20 et est fixée à une extrémité, à la paroi de fermeture 24 de façon que l'ouverture 26 débouche dans l'enceinte de trempe 40. Le volume qui sépare l'enceinte extérieure 20 de l'enceinte de trempe 40 correspond à un volume de stockage 41 contenant un gaz de trempe sous une pression élevée, par exemple de l'ordre de 24 bars. Un boîtier 42 cylindrique d'axe D2, disposé entre l'enceinte extérieure 20 et l'enceinte de trempe 40, est fixé à l'enceinte de trempe 40 au niveau de l'extrémité de l'enceinte de trempe 40 opposée à l'ouverture 26. Le boîtier 42 est fermé, à l'extrémité opposée à l'enceinte de trempe 40, par une paroi plane 43. La paroi latérale du boîtier 42 est traversée par plusieurs ouvertures 44. Une ouverture 46 traverse l'extrémité de l'enceinte de trempe 40 opposée à la paroi de fermeture 24 et permet la communication entre l'enceinte de trempe 40 et le boîtier 42. L'ouverture 46 peut être refermée par l'intermédiaire d'une porte 48, coulissant dans des rails 50, 52 fixés à l'enceinte de trempe 40, et qui peut se déplacer d'une position d'ouverture à laquelle l'ouverture 46 connunique avec le boîtier 42 à une position de fermeture à laquelle l'ouverture 46 est hermétiquement isolée du boîtier 42. Une turbine d'aspiration 54 est disposée dans le boîtier 42. Un moteur hydraulique 56 contenu dans l'enceinte extérieure 20 et fixé à la plaque 43 à l'extérieur du boîtier 42, entraîne la turbine d'aspiration 54 par l'intermédiaire d'un arbre 57 traversant la paroi 43. La turbine 54 comprend un conduit d'aspiration 58 convergent dont l'entrée est en vis-àvis de l'ouverture 46, la porte 48 coulissant entre l'ouverture 46 et le conduit d'aspiration 58. La turbine 54 est adaptée à rejeter l'air aspiré au niveau des ouvertures 44, radialement par rapport à l'axe D2. Des vannes 60 sont réparties sur l'enceinte de trempe 40, entre l'enceinte extérieure 20 et l'enceinte de trempe 40. Chaque vanne 60 fait communiquer, en position ouverte, le volume intérieur de l'enceinte de trempe 40 avec le volume de stockage 41. A titre d'exemple, en figure 1, deux vannes 60 sont représentées au niveau de la partie supérieure de l'enceinte de trempe 40 et une vanne est représentée au niveau de la partie inférieure de l'enceinte de trempe 40. A titre d'exemple, en figure 2, une vanne est représentée au niveau de la partie supérieure de l'enceinte de trempe 40, deux vannes sont représentées au niveau de la partie inférieure de l'enceinte de trempe 40 et deux vannes, diamétralement opposées, sont représentées au niveau d'un plan horizontal de symétrie de l'enceinte de trempe 20. Un caisson 64, de forme sensiblement parallélépipédique, est disposé dans l'enceinte de trempe 40. Le caisson 64 comprend une paroi plane supérieure 66, deux parois planes latérales 68, 70, et une paroi inférieure 72. Les parois définissent un volume utile interne 73 sur lequel débouchent les ouvertures 26, 46. Chaque paroi 66, 68, 70, 72 du caisson 64 est traversée par des buses 76. Les buses 76 sont uniformément réparties sur les parois supérieure et latérales 66, 68, 70. Comme cela est représenté en figure 2, la paroi inférieure 72 du caisson 64 supporte des rails 78, 79 permettant l'introduction d'un chariot (non représenté) dans le volume utile 73 par l'ouverture 26 et le retrait du chariot du volume utile 73 pour le transport de pièces trempées ou à tremper (non représentées). Un premier échangeur thermique 80 est disposé entre l'ouverture 46 de l'enceinte de trempe 40 et le caisson 64. A titre d'exemple, le premier échangeur 80 comprend des tubes cylindriques droits parallèles 82 dont les axes sont sensiblement horizontaux. Un second échangeur 84 est disposé à l'extérieur du boîtier 42 au niveau des ouvertures 44. A titre d'exemple, le second échangeur thermique 84 comprend des tubes cylindriques 86 qui entourent le boîtier 42 au niveau des ouvertures 44. Les moyens nécessaires au fonctionnement des échangeurs thermiques 80, 84 ne sont pas représentés. Une pompe à vide 88 peut être prévue à l'extérieur de l'enceinte extérieure 20. La pompe à vide est reliée à l'enceinte de trempe 40 par une conduite 90 et permet la mise sous un vide partiel de l'enceinte de trempe 40. La pompe à vide peut être couplée à un compresseur 92 pour réinjecter le gaz de trempe récupéré depuis l'enceinte de trempe 40 dans l'enceinte extérieure 20. L'enceinte extérieure 20 est reliée à des moyens 94 35 pour alimenter le volume de stockage 41 en gaz de trempe pour compenser les pertes de gaz de trempe au cours de l'utilisation du dispositif 10. Le fonctionnement du dispositif de trempe 10 selon l'invention va maintenant être décrit plus en détail lors d'un 5 cycle de trempe. Au début du cycle de trempe, les vannes 60 et les portes 28, 48 sont fermées. Dans le présent exemple de fonctionnement, la partie de l'installation de cémentation 15 à laquelle est relié le dispositif de trempe 10 est sous vide partiel. Un vide partiel est donc réalisé dans l'enceinte de trempe 40. La porte 28 est alors ouverte pour le retrait des pièces disposées dans le caisson 64 ayant subi une trempe et pour l'introduction dans le caisson 64 de nouvelles pièces à tremper. La porte 28 est alors refermée. Les vannes 60 et la porte 48 sont alors ouvertes et la turbine 54 est actionnée. Une circulation continue de gaz de trempe s'établit alors entre l'enceinte de trempe 40 et le volume de stockage 41. Plus précisément, du gaz de trempe présent dans le volume de stockage 41 pénètre dans le volume utile 73 dans l'enceinte de trempe 40 par les vannes ouvertes 60 puis par les buses 76 du caisson 64 et refroidit les pièces présentes dans le volume utile 73. Le gaz de trempe est alors aspiré depuis le caisson 64 par la turbine 54 et expulsé dans le volume de stockage 41 haute pression par les ouvertures 44 du boîtier 42. Pendant la circulation du gaz de trempe, les pressions dans le volume de stockage 41 et dans l'enceinte de trempe 40 sont sensiblement égales et légèrement inférieures à la pression dans le volume de stockage 41 au début du cycle de trempe. A titre d'exemple, pendant la circulation de gaz de trempe, les pressions dans le volume de stockage 41 et dans l'enceinte de trempe 40 sont de l'ordre de 20 bars. Le gaz de trempe est refroidi avant d'atteindre la turbine 54 en traversant le premier échangeur thermique 80 pour extraire les calories fournies au gaz de trempe par les pièces à tremper. Le gaz de trempe est également refroidi par le second échangeur thermique 84 à la sortie de la turbine 54 pour récupérer les calories fournies au gaz de trempe par la turbine 54. Les buses 76 accélèrent l'écoulement du gaz de trempe dans le caisson 64 pour augmenter le coefficient d'échange thermique entre le gaz de trempe et les pièces présentes dans le caisson 64. Le refroidissement du gaz de trempe avant son admission dans la turbine 54 permet d'augmenter la densité du gaz parvenant à la turbine 54, et donc d'augmenter le débit massif du gaz entraîné par la turbine 54. Le rendement de la turbine 54 est ainsi amélioré. Seules certaines vannes 60 peuvent être ouvertes pour favoriser l'orientation de l'écoulement du gaz de trempe dans le volume utile 73 du caisson 64. Lorsque seules les vannes 60 disposées au niveau des parties supérieure et/ou inférieure de l'enceinte de trempe 40 sont ouvertes, l'écoulement du gaz de trempe pénétrant dans le caisson 64 et atteignant à grande vitesse les pièces à tremper est principalement vertical. Un tel écoulement est souhaitable lorsque les pièces à traiter sont, par exemple, des arbres dont les axes sont disposés verticalement. Lorsque seules les vannes 60 disposées au niveau du plan de symétrie horizontal de l'enceinte de trempe 40 sont ouvertes, l'écoulement du gaz de trempe parvenant dans le caisson 64 et atteignant à grande vitesse les pièces à tremper est principalement horizontal. Un tel écoulement est souhaitable lorsque les pièces à tremper sont, par exemple, des empilements verticaux de pignons. A la fin du cycle de trempe, les vannes 60 et les deux portes 28, 48 sont fermées. L'enceinte de trempe 40 est alors mise sous vide par l'intermédiaire de la pompe à vide 88 pour le retrait des pièces trempées. Le gaz extrait de l'enceinte de trempe 40 lors de la mise sous vide peut être rejeté ou peut être réinjecté dans le volume de stockage 41. Le dispositif de trempe 10 selon la présente invention comprend de nombreux avantages: Premièrement, l'enceinte de trempe 40 est intégrée à l'enceinte extérieure 20, le volume entre l'enceinte extérieure 20 et l'enceinte de trempe 40 formant un volume de stockage 41 haute pression de gaz de trempe. Il n'y a donc pas à prévoir un réservoir haute pression séparé de l'enceinte de trempe et des conduites reliant le réservoir haute pression et l'enceinte de trempe 40. L'encombrement global du dispositif de trempe 10 selon l'invention est donc réduit. A titre d'exemple, le volume de l'enceinte extérieure 20 du dispositif de trempe 10 selon l'invention est de 6,5 m3. A titre d'exemple, une cellule de trempe équivalente classique aurait une forme cylindrique de volume supérieur à 3 m3 et le réservoir haute pression associé aurait une forme cylindrique de volume supérieur à 3 m3, l'encombrement résultant étant donc plus important. Deuxièmement, l'écoulement du gaz de trempe pénétrant dans l'enceinte de trempe 40 peut être orienté dans une direction privilégiée par une ouverture sélective des vannes 60 réparties sur l'enceinte de trempe 40. Troisièmement, le volume de l'enceinte de trempe 40 est réduit et est proche du volume utile recevant les pièces à tremper puisque les moyens les plus encombrants participant à la mise en circulation du gaz de trempe dans l'enceinte de trempe sont disposés entre l'enceinte extérieure 20 et l'enceinte de trempe 40 et non dans l'enceinte de trempe 40. Seules les parois 66, 68, 70, 72 du caisson 64 sont disposées dans l'enceinte de trempe 40. A titre d'exemple, le volume interne de l'enceinte de trempe 40 est de 1, 6 m3 et le volume utile du caisson 64 est de 1,3 m3. A titre de comparaison, le volume d'une cellule de trempe classique équivalente contenant des moyens de brassage du gaz de trempe dans l'enceinte de trempe 40 est généralement supérieur à 3 m3. Le volume de l'enceinte de trempe 40 étant réduit, la quantité de gaz de trempe utilisée pendant un cycle de trempe est réduite. Dans le cas où le gaz de trempe présent dans l'enceinte de trempe 40 est rejeté à la fin d'un cycle de trempe, ceci permet d'économiser du gaz de trempe. Dans le cas où le gaz de trempe présent dans l'enceinte de trempe 40 est récupéré à la fin d'un cycle de trempe, la récupération du gaz de trempe peut être réalisée par un compresseur et une pompe à vide sans devoir prévoir un réservoir intermédiaire basse pression. En effet, étant donné le faible volume de gaz de trempe à récupérer, la durée nécessaire à la récupération du gaz de trempe seulement par l'intermédiaire d'un compresseur et d'une pompe à vide est compatible avec la durée habituelle d'un cycle de trempe. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'houuae de l'art. En particulier, la turbine 54 peut être entraînée par un moteur électrique au lieu d'une machine hydraulique. En outre, il peut être prévu plusieurs turbines pour la mise en circulation du gaz de trempe dans l'enceinte de trempe 40 au lieu d'une turbine 54 unique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de trempe (10) comprenant: une enceinte de trempe (40) contenant un volume utile {73) destiné à recevoir des pièces à tremper; une enceinte extérieure (20) contenant l'enceinte de 5 trempe et séparée de l'enceinte de trempe par un volume de stockage (41) apte à contenir du gaz de trempe à haute pression; et des moyens de mise en circulation (54, 60) continue de gaz de trempe du volume de stockage dans le volume utile et du 10 volume utile dans le volume de stockage, les moyens de mise en circulation étant placés dans le volume de stockage. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de mise en circulation comprennent: un moyen d'admission {60) adapté à libérer au moins une ouverture dans l'enceinte de trempe (40) pour le passage de gaz de trempe du volume de stockage (41) dans le volume utile {73) ; et un moyen d'aspiration (54) comprenant une entrée d'aspiration de gaz de trempe du volume utile et une sortie d'expulsion du gaz aspiré dans le volume de stockage. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le moyen d'admission comprend une pluralité de vannes (60) disposées sur l'enceinte de trempe (40), le dispositif comprenant un moyen pour ouvrir sélectivement une vanne ou plusieurs vannes parmi la pluralité de vannes pour orienter l'écoulement de gaz de trempe pénétrant dans l'enceinte de trempe dans une direction privilégiée. 4. Dispositif selon la revendication 2, comprenant un échangeur thermique (80) entre le volume utile (73) et l'entrée d'aspiration du moyen d'aspiration (54) pour refroidir le gaz de trempe avant que le gaz de trempe n'atteigne le moyen d'aspiration (54). 5. Dispositif selon la revendication 2, comprenant un échangeur thermique (84) entre la sortie du moyen d'aspiration (54) et le volume de stockage (41). 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'enceinte extérieure (20) et l'enceinte de trempe (40) ont une paroi commune (24) comprenant une ouverture (26) pour faire communiquer le volume utile (73) avec l'extérieur de l'enceinte extérieure (20). 7. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un moyen d'accélération (64, 76) disposé dans l'enceinte de trempe {40) pour accélérer le gaz de trempe atteignant les pièces à traiter. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le moyen d'accélération {64, 76) comprend un caisson (64) comprenant des parois (66, 68, 70, 72) délimitant le volume utile (73) et comportant des buses (76) pour accélérer l'écoulement du gaz de trempe. 9. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'enceinte de trempe (40) comprend une ouverture (46) au niveau de l'entrée du moyen d'aspiration (54), le dispositif comprenant un moyen (48) pour fermer hermétiquement l'ouverture. 10. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre un moyen (88, 92) pour établir un vide partiel dans l'enceinte de trempe (40).