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" Procédé et dispositif pour le traitement thermique des objets métalliques
La présente invention est relative au traitement thermique des objets métalliques, plus particulièrement dans le cas ou les objets à traiter doivent être chauffés, dans un four dit continu, à une température déterminée de recuit ou de trempe .
Suivant l'invention, on se propose, en premier lieu, d'obtenir des objets qui, ayant subi un traitement ther- mique homogène, possèdent une surface lisse et brillante, dé- pourvue des moindres traces d'oxydes ou d'impuretés qui au- raient pu se former au cours de traitements préalables .
Un autre objet de l'invention consiste dans la réalisation d'un dispositifpermettant d'obtenir ces résultats d'une façon bien plus économique et dans un temps plus réduit qu'au moyen des dispositifs connus jusqu'à présent .
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Le procédé suivant l'invention s'applique tout spécialement, en particulier, au cas où les objets, après avoir été traités thermiquement, doivent être revêtus d'une couche métallique protectrice, par exemple de zinc, étain, etc.
Dans cette dernière pratique, on était obligé, en général, de recourir à un décapage préalable, suivi d'une im- mersion dans un bain de métal en fusion. Il a été proposé égale- ment de faire subir à l'objet revêtir un traitement préalable de recuit, ou de normalisation. Ce traitement de recuit, préa- lable à l'immersion, au cas où il s'effectue dans une atmosphè- re réductrice, offre l'avantage d'enlever les oxydes formés sur la surface de l'objet .
Toutefois, suivant les procédés connus, la réduc- tion, pour être complète, nécessite un temps relativement long, ce qui présente de graves inconvénients. En effet, l'objet qui se trouve, pendant un certain temps, entouré d'un gaz réducteur - tel que l'hydrogène, par exemple - absorbe une qertaine quan- tité de ce dernier et perd, de cette façon, certaines de ses pro priétés mécaniques. Un autre inconvénient consiste en ce que la réduction nécessite une température élevée, ce qui n'est pas toujours désirable. En outre, les procédés ci-dessus rappelés exigent des installations importantes et coûteuses .
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients; elle réalise, en outre, divers avantages, ainsi qu'il ressortira de la description qui va suivre .
Suivant le procédé caractéristique de l'invention, les objets à traiter sont chauffés dans une atmosphère consti- tuée par un mélange gazeux, la proportion des composants de ce mélange étant strictement contrôlée dans chaque zone de chauffage. L'un de ces composants est un gaz ou un mélange ga- zeux réducteur, qui peut être quelconque, mais de préférence so constitué par de l'hydrogène ou un mélange d'hydrogène et d'-
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azote. L'autre composant, qui est introduit dans une zone de chauffage déterminée, est la vapeur d'eau. La présence de va- peur d'eau modifie, en effet, l'action d'un gaz réducteur sur un objet métallique et cela, d'une façon essentiellement va- riable suivant sa teneur dans ledit gaz réducteur et suivant la température .
Une des caractéristiques de l'invention consiste à utiliser cette propriété de la vapeur d'eau pour accélérer les réactions désirées, ce qui donne la possibilité de raccour- cir la durée de passage de l'objet à travers la zone de hautes températures de l'appareil, et, en même temps, de travailler à des températures moins élevées .
Le mélange gazeux introduit dans la zone de hau- tes températures présente cette particularité essentielle que son action sur l'objet traité est totalement différente aux hautes et aux basses températures; le même mélange qui, dans la zone des hautes températures a un effet réducteur sur la surface des objets métalliques, a, dans la zone de chauffage où ces objets n'ont pas encore atteint lesdites hautes tempé- ratures, un effet nettement oxydant .
-Cet effet oxydant ne présente aucun inconvénient; ien au contraire, on obtient de cette façon une surface mate qui absorbe la chaleur rayonnée bien plus vite qu'une surface métallique non oxydée, ce qui permet de réduire sensiblement la longueur de la zone des hautes températures .
Il a été proposé, dans la pratique du recuit dit "blanc", de faire d'abord passer l'objet dans une atmosphère oxydante et ensuite de réduire la couche d'oxyde ainsi formé par passage dans une autre atmosphère, cette dernière réduc- trice
Une caractéristique importante de l'invention con- siste à utiliser, dans les zones d'oxydation et de réduction,
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un seul,mélange gazeux dont les propriétés actives ne dépendent que de la température à laquelle ce mélange est mis en pré- sence de l'objet traité et à utiliser une autre atmosphère protectrice dans la zone de refroidissement .
Une autre caractéristique de l'invention consiste à accélérer la durée de refroidissement de l'objet, ce qui per- met de réduire sensiblement la dimension de la chambre de re- froidissement, et par là même, de récupérer la chaleur cédée par les objets qui se refroidissent pour l'utiliser à élever la température des objets qui n'ont pas encore été chauffés .
Le procédé suivant l'invention s'applique aussi bien au traitement des objets métalliques en forme de bande, ou de fil continu, qu'à des tôles séparées ou à des objets isolés, de forme quelconque; dans ce dernier cas, ces objets seront déplacés à l'intérieur de l'appareil par un dispositif transporteur, d'un type quelconque, qui ne fait pas partie de l'invention.
Un mode d'exécution d'un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention est représenté, à titre d'exemple, sur les dessins annexés qui supposent que l'objet à traiter se présente sous la forme d'une bande continue, étant entendu que le procédé et le dispositif suivant l'invention sont applica- bles non seulement au traitement de bandes ou fils, mais à celui de tôles ou objets métalliques séparés de forme quel- conque .
Sur ces dessins :
La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'in- vention.
La figure 2 donne le schéma de la circulation des mélanges gazeux suivant le procédé objet de l'invention.
La figure 3 représente une modification partielle de la disposition de la figure précédente .
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La figure 4 représente le diagramme du cycle ther- mique auquel sont soumis les objets traités .
La bande à traiter B ( fig.l) se déplace dans le sens de la flèche f et pénètre dans le four F par l'orifice 0.
Dès son entrée, elle reçoit la chaleur cédée par les gaz qui, ainsi qu'il sera expliqué par la suite, circulent en sens in- verse .
Au fur et à mesure de la progression de la bande B, sa température s'élève, des éléments de chauffage C, qui peu- vent être d'un type quelconque, l'amenant à sa température maxima .
L'atmosphère qui entoure la bande à cet endroit est constituée par un mélange gazeux réducteur en présence de vapeur d'eau. Un tube Tl y amène une partie du gaz réducteur produit ou distribué en G, lequel traverse, au préalable, un saturateur R qui se trouve à une température bien plus basse que celle de l'endroit où ce gaz saturé est admis dans le four.
De cette façon, l'admission de la vapeur s'effectue uniformé- ment, sans changement brusque de l'atmosphère du four. Il est évident qu'en faisant varier la température du saturateur R, on modifie le point de saturation et que, de cette façon, la teneur en vapeur d'eau du mélange admis par le tube Tl peut être modifiée à volonté et amenée à la proportion désirable, suivant le cas particulier du traitement opéré. De plus, il est possible de faire varier le débit de ce mélange par rap- port au débit de gaz réducteur amené par le tube T2, et cela, en faisant varier l'admission de gaz dans le saturateur R; à cet effet, une vanne distributrice V (fig.l) à débit total constant permet de régler à volonté le rapport des débits dans les tubes T1 et T2.
A partir de'l'orifice O1 dont la section peut être réduite à volonté pour diminuer autant que possible la diffu- sion de la vapeur d'eau vers la zone de refroidissement, la
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bande B passe ensuite dans la zone de refroidissement Z, la- quelle peut être séparée en trois parties : un partie Z1 qui est la zone de refroidissement rapide à hautes températures; une partie Z2, zone de refroidissement lent à moyennes tempé- ratures ; une partie Z3, zone de refroidissement rapide à bas- ses températures; Cette dernière zone zC peut être réduite, ou même supprimée, au cas où la bande doit passer ensuite par un bain de revêtement .
A l'entrée de la zone z1, la plus grande partie du gaz est déviée par le ou les conduits T4, de manière à contourner la zone du four qui comporte les éléments de chauff e,; de cette façon, si une certaine diffusion de va- peur d'eau tendait à se manifester, le mélange vicié par cette vapeur d'eau serait entraîné dans les conduits T4 sans ris- que de pénétrer dans la zone de refroidissement où un tel mélange est particulièrement indésirable .
Il est à remarquer que les températures des isolants calorifuges du four se distribuent suivant des zones concen- triques à partir de la chambre de chauffe du four, de telle façon qu'elles prennent toutes les valeurs à partir de la température maxima de la chambre de chauffage jusqu'à la tem- pérature extérieure du four; en conséquence, le ou les con- duits T4 sont établis dans la zone où la température s'appro- che de la température du gaz circulant dans lesdits conduits, de telle sorte qu'il n'y a aucun échange de chaleur entre ce gaz et les parois desdits conduits .
Ledit gaz, chauffé par son contact avec la bande qui se refroidit, transporte les calories empruntées à la bande pour les lui restituer du côté où cette dernière pénè- tre dans l'appareil, en évitant toutefois de mettre ledit gaz en contact avec le mélange gazeux qui se trouve dans la première partie de l'appareil, afin de ne pas mélanger au gaz dévié des traces de vapeur d'eau, ceci en vue de son retour .
@ subséquent dans la zone Z de refroidissement ,
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Dans le dispositif représenté à titre d'exemple, il est utilisé, à cet effet, un serpentin S à l'extrémité duquel est branché, du côté de l'entrée du four, un tube T3, à travers lequel le gaz refroidi est aspiré par la pompe P, éventuellement après passage dans un épurateur A débarrassant le gaz de toutes traces de vapeur d'eau; le fonctionnement de ces deux appareils est facilité par le fait que le gaz qui les traversesest à température relativement basse .
Ce gaz, refroidi et épuré de la façon décrite est à nouveau refoulé dans la partie z3 de la zone Z. Il se mé- lange à cet endroit au gaz de même nature venant du généra- teur G et admis par le tube T2 dans la même partie z3. Cet apport de gaz sert à compenser les pertes dues à l'écoule- ment des gaz dans la partie z1 à travers l'orifice o1. Ces derniers gaz traversent, en sens inverse de la bande, la partie du four qui contient les éléments de chauffe C et s' échappent, avec les gaz fournis par le tube T1, par l'ori- fice 0, à l'atmosphère où ils peuvent être allumés .
L'extrémité opposée de l'appareil comporte un orifice de sortie de la bande ; cetorifice peut être obturé , par un bain liquide ou par tout autre moyen d'étanchéité connu. Au cas où la bande doit être revêtue par un autre mé- tal, l'extrémité de sortie de la partie Z plonge directement dans le bain de métal de revêtement en fusion (fig. 2).
La figure 2 indique le chemin suivi par les gaz dans un mode d'exécution préféré du dispositif suivant 1' invention.
Le gaz réducteur produit par le générateur G et arrivant dans le tube T2 à la pression p0, se détend à la pression p1 au sortir de ce tube T2. Comme l'extrémité de sortie de l'appareil est obturée, par exemple par un bain de revêtement, indiqué schématiquement en L, le gaz tend à
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se diriger suivant les flèches, c'est-à-dire en sens in- verse du mouvement de la bande . La vitesse de circulation du gaz est accélérée par l'action du tube T3, au travers du- quel ce gaz est aspiré à une pression p2 inférieure à la pression p1. Cette aspiration, qui peut être produite ar- tificiellement par une pompe, peut aussi s'établir automa- tiquement par suite de la différence de température exis- tant entre les points H et H1.
La pression de refoulement p3 restant supérieure à la pression p1, les diverses parties du tube T3 constituent, dans leur ensemble, un thermo-si- phon dont le débit peut être réglé en agissant sur un ro- binet V1.
L'extrémité H1 du tube T3, par laquelle le gaz refroidi est refoulé à nouveau dans 1',appareil, est établie de préférence, comme représenté sur la figure 2, dans la même partie de la zone de refroidissement z3 que l'extrémité du tube T2.
Il est à remarquer que, suivant la disposition re- présentée sur cette figure 2, la zone z3, de refroidissement à basses températures est excessivement réduite, la bande qui doit traverser le bain de revêtement L ne devant pas avoir une température inférieure à celle de ce bain.
La vitesse de refroidissement dans la zone Z peut être également variée sans varier le section de la chambre de refroidissement proprement dite, en déviant une certaine partie des gaz par des conduits auxiliaires, le débit de ces tubes étant contrôlé en relation avec les différentes zones z1, z2, z3 (voir fig. 3).
Les gaz débités par le tube T3 au point H1, et qui circulent en sens inverse de la bande métallique à trai- ter, sont partiellement déviés dans un tube T5. Un robinet de débit V2 fait varier le volume des gaz déviés par T5 par rapport à celui passant à travers une section transversale
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de la chambre de refroidissement dans la zone z3 et modi- fiant ainsi la vitesse de circulation desdits gaz, c'est-à- dire la vitesse de refroidissement dans cette zone .
Des tubes analogues T6 et T7 munis de valves V3 et V4 contrôlent les vitesses de refroidissement dans les zones z2 et z1 respectivement .
Il est évident que l'on peut augmenter le nombre de ces tubes de façon à avoir par exemple deux tubes pour cha- que zone, ce qui permettrait d'obtenir des vitesses diffé- rentes et variables à volonté dans deux tronçons d'une même zone. Il va sans dire qu'un nombre correct et une disposition optima de tubes déviant les gaz de la chambre de refroidis- sement donne la possibilité de contrôler exactement la vi- tesse de refroidissement à n'importe quel point de la chambre de refroidissement .
On peut également augmenter l'efficacité de pareils tubes en adjoignant des écrans ou rigoles appropriés ( qui ne sont pas représentés sur la figure) à l'intérieur de la cham- bre et aux points de branchement desdits tubes .
L'efficacité de ces tubes de déviation peut être ac- crue en insérant des ventilateurs séparés dans le circuit formé par ces tubes .
Les valeurs des températures successives auxquelles est portée la bande, présente une importance capitale pour la réalisation du procédé. Le graphique de la figure 4 re- présente en fonction.du temps 1 les variations de la tempé- rature T de la bande qui sont quelquefois recherchées dans la pratique. En effet, l'expérience montre qu'il est néces- saire, au point de vue métallurgique, d'accélérer le refroi- dissement de la bande, au début du cycle de refroidissement (branche m-n), et ceci jusqu'à une certaine température, va- riable avec la nature du métal traité, après quoi le refroi- dissement doit être relativement lent (branche n-o) jusqu'à
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l'obtention d'une température au-dessous de laquelle la structure cristalline du métal ne subit, pratiquement, audune transformation ( branche o-p).
D'autre part, et pour les raisons exposées plus haut, il est du plus grand intérêt de réduire le temps total de traitement au strict minimum. On amène donc la température de la bande au maximum, aussi vite que possible, et cela par chauffage de la bande, dès son entrée dans l'appareil, au moyen de la chaleur emmagasinée par les¯gaz venant de la zone de refroidissement Z, et ensuite à l'aide des éléments chauf- fants, La présence de la vapeur d'eau dans cette région, en oxydant la surface de la bande, permet de réduire le temps nécessaire pour porter la bande à la température maxima @ (branche k-l) ainsi que dans la plupart des cas la durée de chauffage à la température maxima (branche l-m-)
Par ailleurs, dans la zone de refroidissement Z, la perte de chaleur par convection est augmentée du fait que la circulation des gaz,
en sens inverse du mouvement de la ban- de est elle-même augmentée artificiellement. Comme d'autre part, la vitesse des gaz est plus faible dans la zone z2 que dans la zone z1, par suite de l'augmentation de hauteur de la chambre à cet endroit, le refroidissement est moins ac- céléré dans cette zone. Vers la fin de ladite zone z2, le métal de la bande se trouve refroidi à une température à la- quelle il ne peut plus subir, pratiquement, aucun change- ment dans sa structure cristalline. A partir de ce moment, la bande est refroidie, aussi rapidement que possible, dans la zone z3 de refroidissement à basses températures .
La vitesse de circulation des gaz y est à nouveau aug- mentée, ce qui a d'autant plus d'effet qu'à cet endroit la bande possède une surface brillante; le coefficient de rayon- nement est relativement bas et l'échange calorifique se pro- duit surtout par convection.
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Si la bande, au lieu d'être revêtue par un autre mé- tal sort directement à l'atmosphère extérieure, il est pré- férable de la refroidir à 180 et même au-dessous; le procédé suivant l'intention permet d'obtenir ce résultat sans donner une longueur exagérée à la zone z3, ce qui augmenterait 1' encombrement de l'appareil et aussi les risques d'oxydation de la surface de la bande dans cette dernière zone, particu- lièrement dangereuse à ce point de vue .
Dans le mode d'exécution de la figure 2, le serpen- tin S représenté sur la figure 1, est remplacé par une chemise D entoutant la partie de la chambre du four comprise entre 0 et o1; il est représenté également sur cette figure deux gé- nérateurs G et G1 dont l'un, G1 alimente le tube T1 en mélange hydrogène-azote, et dont l'autre G, alimente le tube T2 en gaz présentant le plus d'avantages pour constituer une atmos- phère protectrice ( par exemple azote ou oxyde de carbone).
On se réserve enfin toutes dispositions constructives qui conservent les caractéristiques essentielles de l'inven- tion.
Il est d'autre part évident que le cycle de refroidis- sement indiqué dans la figure 4 n'est donné qu'à titre d' exemple et que le procédé qui fait l'objet de l'invention permet précisément de réaliser tout autre cycle désiré .