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EP1162279B1 - Installation de cémentation chauffée au gaz - Google Patents

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Info

Publication number
EP1162279B1
EP1162279B1 EP01410062A EP01410062A EP1162279B1 EP 1162279 B1 EP1162279 B1 EP 1162279B1 EP 01410062 A EP01410062 A EP 01410062A EP 01410062 A EP01410062 A EP 01410062A EP 1162279 B1 EP1162279 B1 EP 1162279B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell
gas
carburizing
preheating
burners
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01410062A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1162279A1 (fr
Inventor
Max Eymin
Laurent Pelissier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Etudes et Constructions Mecaniques SA
Original Assignee
Etudes et Constructions Mecaniques SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Etudes et Constructions Mecaniques SA filed Critical Etudes et Constructions Mecaniques SA
Publication of EP1162279A1 publication Critical patent/EP1162279A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1162279B1 publication Critical patent/EP1162279B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F27D99/0001—Heating elements or systems
    • F27D99/0033—Heating elements or systems using burners
    • F27D99/0035—Heating indirectly through a radiant surface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/773—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material under reduced pressure or vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising

Definitions

  • the present invention relates to the treatment of parts steel, and more specifically the thermal treatment of carburizing, that is, introducing carbon into the surface parts to improve the hardness.
  • the invention relates more particularly vacuum carburizing plants or under low pressure (below atmospheric pressure).
  • Low pressure carburizing treatment consists of to submit the parts to be treated, in a sealed enclosure to the air, at an alternation of stages of enrichment in the presence low pressure carburizing gas and diffusion stages under vacuum or under a low pressure neutral atmosphere.
  • the respective durations of the enrichment and diffusion steps as well as their number depend in particular on the concentration in carbon and the desired carburizing depth in parts, and these treatments are well known in the art.
  • a example of low pressure carburizing process is described in the French patent application No. 2,678,287 of the applicant.
  • Any cementation treatment is a heat treatment at high temperature (generally, of the order of 800 to 1000 ° C, or more) and heating and maintaining the temperature homogeneous parts during the diffusion and enrichment stages constitute a key point of the cementation processes.
  • the invention also refers to carbonitriding whose only difference from cementation comes from enrichment gas used which is usually added ammonia.
  • enrichment gas used which is usually added ammonia.
  • the result is the formation of nitride (instead of carbide for carburizing) on the surface of the workpiece.
  • nitride instead of carbide for carburizing
  • cementation enclosures define volumes of one or more cubic meters that are heated and kept at the carburizing temperature by means of Electric heating.
  • resistors are used electric bars in the form of bars the volume of cementation, that is to say around the chamber carburizing, depending on the desired thermal distribution as well as thermal bridges related to the constitution of the chamber.
  • the first energy that comes to mind is the gas that is a "clean" and inexpensive energy.
  • the use gas in the heating of cementation enclosures a lot of the problems that led up to now to prefer electric heating, especially for installations at low pressure.
  • a first problem is related to the very constitution of gas burners, which must heat the internal space of the enclosure without introducing smoke from the combustion of the gas.
  • the necessary length of the burners because of the large case size is a critical point in terms of distribution of heat in the enclosure.
  • the type of gas burner system that would be suitable to use corresponds, for example, to the burner system described in the French patent application No. 2,616,520.
  • This type of system burner consists of a sealed outer casing and a central fireplace tube delimiting a combustion chamber.
  • a such a system uses recirculation of flue gases and allows a high speed output of these gases.
  • This burner system can if necessary be associated with an internal tube of the type described in the French patent application No. 2,616,518.
  • the contents respective publications mentioned above are considered as known.
  • An object of the present invention is to propose a gas-heated cementation cell that overcomes the disadvantages above.
  • Another object of the present invention is to propose a solution that is compatible with the current distribution of heating means at the periphery of a cementation cell.
  • Another object of the present invention is to propose a modular carburizing facility that takes advantage of the use of gas as a source of heating energy.
  • the present invention provides a heat treatment cell with a low pressure of steel parts, comprising heating means consisting of several radiant gas tubes distributed around a useful volume a sealed enclosure; and control means provided with less than one mode of pulse regulation of the heating means.
  • control means are adapted to control the means of heating according to two phases of operation respectively preheating at full power and maintaining temperature in pulse regulation.
  • control means are capable of modifying the gas flow rate between two levels respectively maximum for preheating and intermediate for pulse regulation.
  • all radiant gas tubes are ordered individually or in groups.
  • control means comprise a programmable controller for individualize orders to the different tubes.
  • the present invention also provides, according to claim 6, an installation of heat treatment under low pressure of steel parts comprising a plurality of treatment cells connected to an enclosure joint seal with handling means for transferring a charge from one cell to another, at least one cell being of the type mentioned above.
  • At least one cell is dedicated to preheating a charge to and at least one cell is a cementation cell.
  • the carburizing cell is provided with heating means at clean gases to be controlled in pulse regulation mode.
  • a feature of the present invention is provide an impulse control of gas burners of a cell heat treatment, at least during maintaining the temperature after a preheating phase. So, according to the invention uses gas burners of the type of those described in the aforementioned French patent application No. 2,616,520, and these burners are controlled so as to obtain, at least after a preheating phase, a clocked regulation.
  • burners are usually suitable for optimal evacuation fumes within a certain flow range and operation under very low gas flow does not allow to obtain a distribution homogeneous temperature in the tube, nor to obtain a correct recovery of smoke energy. In addition, this can to pose problems of stability of the flame.
  • a switching between two flows of air and gas according to the mode of burner operation is expected burners said to two flow rates of air and gas allowing operation in a first maximum flow rate for a preheat phase and a operation in a second intermediate flow for the phase regulation.
  • the intermediate flow does not correspond to the minimum flow rate of the burner, so that both flow rates allow an acceptable homogeneity of the temperature, with a correct recovery of the fumes in the burner.
  • FIG. 1 represents an embodiment of the present invention. This figure illustrates, very partially, a heat treatment cell in that it represents a single gas burner 1 as well as the control system 2 of the gas burners in the cell.
  • the gas burner 1 essentially consists of a external radiating envelope 10 in the form of a glove finger which passes through, by means of a vacuum sealing system 11, the wall 12 of the treatment cell.
  • the burner comprises also a tube 13, internal to the envelope 10 and coaxial to it.
  • a first end of the tube 13 is close to the end of the casing 10 in the carburizing cell.
  • a second end of the tube 13 is open towards an outlet of a chamber 14 intended to produce the gas-air mixture of burner and combustion.
  • the burner is preferably flue gas recirculation, that is, some of the combustion fumes are used to be reintroduced into the inlet of the tube 13, the rest of the fumes being evacuated through a vent 15 of the casing 10 outside of the cell.
  • the burner has been shown very schematically and, in particular, the means ignition of the flame have not been illustrated.
  • Room 14 has at least one arrival 16 of gas and at least one arrival 17 of air. Generally, several air intakes are planned to better homogenize the gas-air mixture to burn.
  • the ducts 16 and 17 of air supply out of the envelope 10 outside of the carburizing cell.
  • the position of the burner 1 with respect to the wall of the chamber 12 is such that the entire tube 13 is contained in the internal volume of the carburizing cell.
  • the entire tube 13 is preferably not contained in the so-called "hot" volume of the cement chamber which is usually delimited by a heat shield (symbolized by a dotted line 18).
  • room 14 itself is in the internal volume of the cell, but preferentially out of the hot volume.
  • the position of the burner 1 is chosen to that the part of the tube 13 in the hot volume is homogeneous in temperature.
  • the adaptation of the burner position is made by moving the entirety of it (envelope 10 included) in relation to the wall 12 of the enclosure, to adjust the position of the entrance of the tube 13 with respect to the heat shield 18.
  • System 2 essentially comprises a circuit Regulatory System (REG) 20 (in practice, one or more circuits) and a network 21 of valves controlled by the circuit 20, if necessary via a programmable logic controller 30 (AUTO) as we will see later.
  • REG circuit Regulatory System
  • AUTO programmable logic controller 30
  • the circuit 20 receives measurement signals 22 and control.
  • the measurement signals are essentially constituted measurement results provided by at least one sensor of temperature of the cement chamber.
  • Control signals come from a central control unit accessible by the operator.
  • the control circuit 20 (or the controller 30) delivers 23 control signals to the gas burners for turn on and off their respective flames.
  • control circuit 20 also the network 21 of gas and air valves. This network of valves is used to control the respective gas and air flow rates of different burners.
  • a main pipe 24 of gas supply is distributed in two lines 25 and 26 respectively associated with limiters flow rate 25-1 and 26-1.
  • the pipes 25 and 26 have, according to the invention, different rates.
  • pipe 25 is intended to provide, in association with the limiter 25-1, a debit of maximum gas for operation of the burner in power maximum during at least one preheating phase.
  • Driving 26 is intended to provide, in association with the limiter 26-1, a lower gas flow rate for burner operation in the clocked regime of the invention.
  • Air circuit side, a pipe main 27 is divided into two lines 28 and 29 respectively associated with limiters 28-1 and 29-1 whose roles are similar to those described above in relation to food in gas.
  • the flow rates imposed by the limiters 25-1, 26-1, 28-1 and 29-1 are preset.
  • each of the pipes 25, 26, 28 and 29 is associated with a control valve 25-2, 26-2, 28-2 and 29-2 in all or nothing.
  • Valves 26-2 and 29-2 are preferably simultaneously controlled by a signal 32 issued by the circuit 20 (or by the controller 30) in clocked mode.
  • Valves 25-2 and 28-2 are preferably simultaneously controlled by a signal 33 from the circuit 20 or from the automaton 30.
  • the ends of the lines 25, 26 and 28, 29 are joined at their opposite ends respectively.
  • FIG. 2 represents, in the form of chronograms, an example of pace signal 33, signal 32 and instantaneous power P corresponding gas burners.
  • valves 25-2 and 28-2 are open at maximum flow.
  • the maximum flow rate may be fixed by the sum of the flows of all limiters.
  • the valves 26-2 and 29-2 are also open.
  • an intermediate phase time t1 to t2 during which the burner output goes to the lower flow rate without clocking. To do this, from the instant t1, the burner 1 operates in intermediate power regime.
  • control signal 33 changes state in order to close the valves 25-2 and 28-2 and the signal 32 changes state to open (if they are not already) valves 26-2 and 29-2.
  • the instant t1 is fixed by the approach of a temperature setpoint lower than the desired control temperature.
  • the intermediate phase between moments t1 and t2 can, in particular, serve to avoid the exceeding the temperature setpoint due to inertia of the system.
  • the regulated regulation signal 32 adapts, in function of the parameters that the circuit 20 receives by the signals 22, the respective opening times of the valves 26-2 and 29-2.
  • the desired power for the burner is relatively important and requires pulses of duration relatively long. It may be, for example, a phase adapting the burner power change between its maximum and intermediate levels. From the moment t3, we can consider that we are in a phase of regulation itself where the duty cycle of the ignition pulses of the burner depends exclusively on temperature variations in the carburizing chamber. These variations can come from for example, a modification imposed by the process of carburizing or transferring charge in the cell.
  • FIG. 2 illustrates a need for power reduction at from a moment t4.
  • ignition times and downtime respective burners are established, inter alia, according to the arrangement of the burners in the enclosure and their constitution.
  • the burners can be ordered in steady state even when operating in full power.
  • the controller 30 provides individual orders (signals 32 'and 33' at destination other burners not shown), for example by differing the ignition of the burners successively and adapting the durations ignition pulses to the different burners.
  • the automaton 30 has a pre-established operation and receives, inter alia, control signals 34 and 35 from the regulator and which are common to all burners, the automaton taking care of adapting these signals to the different burners.
  • the different burners will be distributed in the carburizing cell as a function of the desired thermal homogeneity. For example, we may wish dispose at the bottom of the carburizing cell, that is to say at the vicinity of the load-bearing feet of more strong at equal rate or a longer heating time so improve vertical homogeneity.
  • the Homogeneity adjustments depend essentially on the choice of intermediate power which is a function of the length of the burners, so the volume of the enclosure.
  • the burners can be controlled by groups.
  • Figure 3 illustrates an example of application of the present invention to a modular installation of cementation.
  • the embodiment of Figure 3 is inspired by a modular installation as described in the application for European patent No. 0 922 778 of the applicant which is considered as known.
  • a basic module 40 comprises a sealed enclosure 41 in the form of a cylinder (of section not necessarily circular) with horizontal axis. The two ends of this cylinder 41, provided of collars, are blocked by removable waterproof lids 42.
  • the treatment cells are connected laterally to the cylinder 41 and are in the same horizontal plane.
  • two heat treatment cells 43 and 44 for example example intended to contain two charges to be cementized, are arranged facing each other and are connected to a first box transfer 41-1 constituting the cylinder 41.
  • a cell of loading 45 is arranged in front of a quenching cell 46, these cells being connected to a second transfer box 41-2, itself axially connected to the box 41-1.
  • a handling device is in the form of a carriage 48 moving parallel to the axis of the cylinder 41, from one transfer box to another.
  • This cart moves, by for example, on rails 50 extending all along the cylinder 41.
  • the truck is equipped with a telescopic fork 52 capable of stretch on either side of the trolley 48 to the center of each cells 43 to 46 to take and deposit a charge 54 in progress.
  • the trolley 48 is at the cells 45 and 46, and the fork telescopic 52 enters the cell 45 to take a 54.
  • cell 45 was previously the low pressure of the enclosure 41 to be able to open the door 45-1 which constitutes, with the outer door 45-2, an entrance lock.
  • the carriage 48 is at the level of the cells 43 and 44.
  • the installation of Figure 2 is modular, i.e. one or more additional modules 60 each consisting of a transfer case 41-3 provided with rails 50 'and one or two cells 43' can be connected axially at one of the caissons 41-1 or 41-2 to complete the cylinder 41.
  • the cells 43, 43 'and 44 are carburizing cells heated to conforming gases as previously described.
  • a charge to temper maintenance operations temperature For this, we assign one of the cells, for example the cell 44 in FIG. 3, to preheat all the loads to cementation. This cell is then equipped with gas burners for carry the charge to be cements at a temperature close to the working temperature, for example, at a temperature between 600 and 800 ° C. Subsequently, the charges are transferred to the other cementation cells 43 and 43 'in which the only heating operation necessary is for maintaining and the homogenization of the temperature of the different pieces. Therefore, we optimize the use of the means of heater.
  • gas burners are used even in the carburizing cells where we simply to maintain the temperature.
  • An advantage of dissociating the functions of preheating and maintaining temperature is that burners can now be dedicated to only one of two functions while all running at maximum efficiency. Thus, one can dispense with the structure with double flow of gas by providing two types of burners, without encountering any problems here congestion.
  • the burners are then controlled to power fixed (for example, at maximum power) and, at least in the carburizing cells, by clocked regulation.
  • preheating cells in front of be provided in a modular carburizing plant itself depends on the number of carburizing cells to distribute.
  • provision will be made a preheating cell with gas burners of a first type of power and carburizing cells with gas burners of a second type of power.
  • Such an embodiment allows to optimize the regulation and the homogeneity of the temperature in load.
  • the present invention is capable of various variations and modifications that will appear to the man from art.
  • the positioning of gas burners in a carburizing cell or in a preheating cell in function of the constitution of the cell itself is within reach of the skilled person from the functional indications above data and application.
  • the system of control (circuit 20, controller 30 and valves 21) can be realized using known means.
  • the choice of flow rates gas and air in the gas burners used depends on the powers maximum and clocked regulation that are related to the application.
  • the invention can also be implemented in a treatment plant of the type described in European Patent No. 0 388 333 of the Applicant where several vertical processing cells are spread over a waterproof enclosure for transferring the load.
  • the adaptation of a such installation to a gas preheating cell and cells Gas or electric carburizing is within the reach of the skilled person from the indications given in relation with the horizontal installation of Figure 3.

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Description

La présente invention concerne le traitement de pièces en acier, et plus précisément le traitement thermique de cémentation, c'est-à-dire d'introduction de carbone dans la surface des pièces pour en améliorer la dureté. L'invention concerne plus particulièrement les installations de cémentation sous vide ou sous faible pression (inférieure à la pression atmosphérique).
Un traitement de cémentation à faible pression consiste à soumettre les pièces à traiter, dans une enceinte étanche à l'air, à une alternance d'étapes d'enrichissement en présence d'un gaz de cémentation à faible pression et d'étapes de diffusion sous vide ou sous atmosphère neutre à faible pression. Les durées respectives des étapes d'enrichissement et de diffusion ainsi que leur nombre dépendent notamment de la concentration en carbone et de la profondeur de cémentation souhaitée dans les pièces, et ces traitements sont bien connus de la technique. Un exemple de procédé de cémentation à basse pression est décrit dans la demande de brevet français N° 2 678 287 de la demanderesse. Tout traitement de cémentation est un traitement thermique à haute température (généralement, de l'ordre de 800 à 1000°C, voire plus) et le chauffage ainsi que le maintien en température homogène des pièces lors des étapes de diffusion et d'enrichissement constituent un point clé des procédés de cémentation.
L'invention se réfère également à la carbonitruration dont la seule différence par rapport à la cémentation vient du gaz d'enrichissement utilisé auquel on ajoute généralement de l'ammoniac. Le résultat est la formation de nitrure (au lieu de carbure pour la cémentation) en surface de la pièce. On notera donc que tout ce qui sera exposé par la suite en relation avec la cémentation s'applique également à la carbonitruration.
Généralement, les enceintes de cémentation définissent des volumes d'un ou plusieurs mètres cubes qui sont chauffés et maintenus à la température de cémentation par des moyens de chauffage électrique. En pratique, on utilise des résistances électriques sous forme de barreaux que l'on répartit en périphérie du volume de cémentation, c'est-à-dire autour de la chambre de cémentation, en fonction de la répartition thermique souhaitée ainsi que des ponts thermiques liés à la constitution de la chambre.
Il serait souhaitable de pouvoir disposer d'une autre énergie de chauffage des enceintes de cémentation en lieu et place de l'électricité.
La première énergie qui vient à l'esprit est le gaz qui constitue une énergie "propre" et peu coûteuse. Toutefois, l'utilisation du gaz dans le chauffage d'enceintes de cémentation pose un grand nombre de problèmes qui ont conduit jusqu'à présent à préférer le chauffage électrique, en particulier pour les installations à faible pression.
Un premier problème est lié à la constitution même de brûleurs à gaz, qui doivent chauffer l'espace interne de l'enceinte sans y introduire de fumée de combustion du gaz. A cet égard, la longueur nécessaire des brûleurs en raison des grandes dimensions des enceintes de cémentation constitue un point critique en terme de répartition de la chaleur dans l'enceinte.
Le type de système à brûleur à gaz qu'il conviendrait d'utiliser correspond, par exemple, au système à brûleur décrit dans la demande de brevet français N° 2 616 520. Ce type de système à brûleur est constitué d'une enveloppe externe étanche et d'un tube foyer central délimitant une chambre de combustion. Un tel système utilise une recirculation des gaz brûlés et permet une sortie à grande vitesse de ces gaz. Ce système de brûleur peut le cas échéant être associé à un tube interne du type décrit dans la demande de brevet français N° 2 616 518. Les contenus respectifs des publications susmentionnées sont considérés comme connus.
Un autre problème lié à l'utilisation de tubes à gaz pour le chauffage d'une enceinte de cémentation, en particulier à faible pression, est lié à l'encombrement de ces tubes qui est sensiblement plus important que l'encombrement de barreaux résistifs électriques. Cet encombrement va à l'encontre d'une répartition adéquate de tubes à gaz dans la périphérie du volume utile de l'enceinte pour obtenir une répartition homogène de la température.
Un autre problème réside dans la régulation nécessaire de la puissance thermique de la source de chauffage utilisée. En effet, le lot de pièces à cémenter doit tout d'abord être porté à une température élevée de cémentation. Puis, cette température doit être maintenue de façon homogène pendant les traitements liés à la cémentation. Dans un système électrique, la régulation de la température est particulièrement aisée à réaliser par modulation du courant dans les éléments chauffants. Une telle solution n'est pas transposable à des brûleurs à gaz.
Un objet de la présente invention est de proposer une cellule de cémentation chauffée au gaz qui pallie les inconvénients susmentionnés.
Un autre objet de la présente invention est de proposer une solution qui soit compatible avec la répartition actuelle des moyens de chauffage en périphérie d'une cellule de cémentation.
Un autre objet de la présente invention est de proposer une installation de cémentation modulaire qui tire profit de l'utilisation du gaz en tant que source d'énergie de chauffage.
Pour atteindre ces objets, la présente invention selon la revendication 1, prévoit une cellule de traitement thermique à faible pression de pièces d'acier, comportant des moyens de chauffage constitués de plusieurs tubes radiants au gaz répartis autour d'un volume utile d'une enceinte étanche ; et des moyens de commande pourvus au moins d'un mode de régulation par impulsions des moyens de chauffage.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de commande sont propres à commander les moyens de chauffage selon deux phases de fonctionnement respectivement de préchauffage à pleine puissance et de maintien en température en régulation par impulsions.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de commande sont propres à modifier le débit de gaz entre deux niveaux respectivement maximum pour le préchauffage et intermédiaire pour la régulation par impulsions.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, tous les tubes radiants au gaz sont commandés individuellement ou par groupes.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de commande comportent un automate programmable pour individualiser des commandes à destination des différents tubes.
La présente invention prévoit aussi selon la revendication 6 une installation de traitement thermique sous faible pression de pièces d'acier comprenant plusieurs cellules de traitement reliées à une enceinte étanche commune munie de moyens de manutention pour transférer une charge d'une cellule à une autre, au moins une cellule étant du type susmentionné.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une cellule est dédiée au préchauffage d'une charge à cémenter, et au moins une cellule est une cellule de cémentation.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la cellule de cémentation est pourvue de moyens de chauffage au gaz propres à être commandés en mode de régulation par impulsions.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
  • la figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe d'un mode de réalisation d'un système de brûleur à gaz dans une cellule de traitement thermique selon la présente invention ;
  • la figure 2 illustre, sous forme de chronogrammes, un mode de mise en oeuvre d'un procédé de commande de brûleurs à gaz selon la présente invention ; et
  • la figure 3 représente, de façon très schématique, un mode de réalisation d'une installation modulaire de traitement thermique mettant en oeuvre la présente invention.
    • Pour des raisons de clarté, les chronogrammes de la figure 2 ne sont pas à l'échelle. De plus, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits par la suite. En particulier, en figure 3, on s'est contenté de représenter la structure multicellulaire d'une installation sans se préoccuper des détails constitutifs des cellules qui, sauf précision contraire, sont classiques.
    Une caractéristique de la présente invention est de prévoir une commande impulsionnelle de brûleurs à gaz d'une cellule de traitement thermique, au moins pendant des phases de maintien en température après une phase de préchauffe. Ainsi, selon l'invention, on utilise des brûleurs à gaz du type de ceux décrits dans la demande de brevet français N° 2 616 520 susmentionnée, et on commande ces brûleurs de façon à obtenir, au moins après une phase de préchauffe, une régulation cadencée.
    On aurait pu penser moduler le débit de gaz du brûleur pour adapter la puissance afin d'obtenir la régulation. Toutefois, une telle solution poserait, à faible débit de gaz, des problèmes d'évacuation des fumées dans le brûleur. En effet, les brûleurs sont généralement adaptés pour une évacuation optimale des fumées dans une certaine plage de débits et un fonctionnement sous très faible débit de gaz ne permet ni d'obtenir une répartition homogène de la température dans le tube, ni d'obtenir une récupération correcte d'énergie des fumées. En outre, cela peut poser des problèmes de stabilité de la flamme.
    De préférence, pour améliorer l'homogénéité de la puissance de chauffage du tube, on effectue selon l'invention une commutation entre deux débits d'air et de gaz selon le mode de fonctionnement du brûleur. Ainsi, on prévoit des brûleurs dits à deux débits d'air et de gaz permettant un fonctionnement dans un premier débit maximal pour une phase de préchauffe et un fonctionnement dans un deuxième débit intermédiaire pour la phase de régulation. Selon l'invention, le débit intermédiaire ne correspond pas au débit minimal du brûleur, de sorte que les deux débits permettent une homogénéité acceptable de la température, avec une récupération correcte des fumées dans le brûleur.
    La figure 1 représente un mode de réalisation de la présente invention. Cette figure illustre, très partiellement, une cellule de traitement thermique en ce qu'elle représente un unique brûleur à gaz 1 ainsi que le système 2 de commande des brûleurs à gaz de la cellule.
    Le brûleur à gaz 1 est essentiellement constitué d'une enveloppe radiante externe 10 en forme de doigt de gant qui traverse, par l'intermédiaire d'un système d'étanchéité au vide 11, la paroi 12 de la cellule de traitement. Le brûleur comporte également un tube 13, interne à l'enveloppe 10 et coaxial à celle-ci. Une première extrémité du tube 13 est voisine de l'extrémité de l'enveloppe 10 dans la cellule de cémentation. Une deuxième extrémité du tube 13 est ouverte en direction d'une sortie d'une chambre 14 destinée à réaliser le mélange gaz-air du brûleur et la combustion. Comme l'illustre des flèches en figure 1, le brûleur est de préférence à recirculation des fumées, c'est-à-dire qu'une partie des fumées de combustion est utilisée pour être réintroduite en entrée du tube 13, le reste des fumées étant évacué par un évent 15 de l'enveloppe 10 à l'extérieur de la cellule. Pour des raisons de clarté, le brûleur a été représenté de façon très schématique et, en particulier, les moyens d'allumage de la flamme n'ont pas été illustrés. La chambre 14 comporte au moins une arrivée 16 de gaz et au moins une arrivée 17 d'air. Généralement, plusieurs arrivées d'air sont prévues pour mieux homogénéiser le mélange gaz-air à brûler. Les conduits 16 et 17 d'amenée d'air sortent de l'enveloppe 10 à l'extérieur de la cellule de cémentation.
    De préférence, la position du brûleur 1 par rapport à la paroi de l'enceinte 12 est telle que tout le tube 13 est contenu dans le volume interne de la cellule de cémentation. Toutefois, l'intégralité du tube 13 n'est, de préférence, pas contenue dans le volume dit "chaud" de l'enceinte de cémentation qui est généralement délimité par un écran thermique (symbolisé par un pointillé 18). De même la chambre 14 elle-même se trouve dans le volume interne de la cellule, mais préférentiellement hors du volume chaud. La position du brûleur 1 est choisie pour que la partie du tube 13 dans le volume chaud soit homogène en température. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, l'adaptation de la position du brûleur s'effectue en déplaçant l'intégralité de celui-ci (enveloppe 10 comprise) par rapport à la paroi 12 de l'enceinte, pour régler la position de l'entrée du tube 13 par rapport à l'écran thermique 18.
    De préférence, tous les brûleurs à gaz de la cellule de traitement thermique sont commandés par un même système 2 de régulation. Le système 2 comporte essentiellement un circuit électronique (REG) de régulation 20 (en pratique, un ou plusieurs circuits) et un réseau 21 de vannes commandées par le circuit 20, le cas échéant par l'intermédiaire d'un automate programmable 30 (AUTO) comme on le verra par la suite. Pour assurer la fonction de régulation, le circuit 20 reçoit des signaux 22 de mesure et de commande. Les signaux de mesure sont essentiellement constitués de résultats de mesure fournis par au moins un capteur de température de l'enceinte de cémentation. Les signaux de commande proviennent d'une centrale de commande accessible par l'opérateur. Le circuit 20 de régulation (ou l'automate 30) délivre des signaux 23 de commande à destination des brûleurs à gaz pour allumer et éteindre leurs flammes respectives.
    Selon la présente invention, le circuit 20 commande également le réseau 21 de vannes de gaz et d'air. Ce réseau de vannes sert à commander les débits de gaz et d'air respectifs des différents brûleurs.
    Pour simplifier la figure 1, les conduits de gaz et d'air ont été représentés de façon unifilaire dans le réseau de vannes 21. On notera que la structure de vannes illustrée par la figure 1 est, de préférence, reproduite pour chaque brûleur.
    Dans le mode de réalisation pris pour exemple en figure 1, une conduite principale 24 d'amenée de gaz est répartie en deux conduites 25 et 26 respectivement associées à des limiteurs de débit 25-1 et 26-1. Les conduites 25 et 26 ont, selon l'invention, des débits différents. Par exemple, la conduite 25 est destinée à fournir, en association avec le limiteur 25-1, un débit de gaz maximal pour le fonctionnement du brûleur en puissance maximale pendant au moins une phase de préchauffe. La conduite 26 est destinée à fournir, en association avec le limiteur 26-1, un débit de gaz inférieur pour le fonctionnement du brûleur dans le régime cadencé de l'invention. Côté circuit d'air, une conduite principale 27 est divisée en deux conduites 28 et 29 respectivement associées à des limiteurs 28-1 et 29-1 dont les rôles sont similaires à ceux exposés ci-dessus en relation avec l'alimentation en gaz. De préférence, les débits imposés par les limiteurs 25-1, 26-1, 28-1 et 29-1 sont préréglés.
    Selon l'invention, chacune des conduites 25, 26, 28 et 29 est associée à une vanne 25-2, 26-2, 28-2 et 29-2 de commande en tout ou rien. Les vannes 26-2 et 29-2 sont, de préférence, commandées simultanément par un signal 32 délivré par le circuit 20 (ou par l'automate 30) en régime cadencé. Les vannes 25-2 et 28-2 sont, de préférence, commandées simultanément par un signal 33 issu du circuit 20 ou de l'automate 30. Les extrémités des conduites 25, 26 et 28, 29 sont réunies à leurs extrémités opposées respectives.
    Le fonctionnement d'un système de brûleurs à gaz selon l'invention sera exposé par la suite en relation avec la figure 2 qui représente, sous forme de chronogrammes, un exemple d'allure du signal 33, du signal 32 et de la puissance instantanée P correspondante des brûleurs à gaz.
    Selon le mode de mise en oeuvre illustré par la figure 2, on commence, dans une phase de préchauffe (instant t0 à t1), par utiliser le brûleur à puissance maximale, c'est-à-dire au débit de gaz et d'air le plus fort. Dans cette phase de préchauffe, les vannes 25-2 et 28-2 sont ouvertes au débit maximum. Le cas échéant, on peut prévoir que le débit maximum soit fixé par la somme des débits de tous les limiteurs. Dans ce cas, les vannes 26-2 et 29-2 sont également ouvertes. Puis, on prévoit, de préférence, une phase intermédiaire (instant t1 à t2) pendant laquelle la puissance du brûleur passe sur le débit inférieur sans cadencement. Pour ce faire, à partir de l'instant t1, le brûleur 1 fonctionne en régime de puissance intermédiaire. Par conséquent, le signal 33 de commande change d'état afin de fermer les vannes 25-2 et 28-2 et le signal 32 change d'état pour ouvrir (si elles ne le sont pas déjà) les vannes 26-2 et 29-2. L'instant t1 est fixé par l'approche d'une consigne de température inférieure à la température de régulation souhaitée. La phase intermédiaire entre les instants t1 et t2 peut, en particulier, servir à éviter le dépassement de la consigne de température en raison de l'inertie du système.
    A partir de l'instant t2, on effectue une régulation de maintien en température de l'enceinte de cémentation. A partir de cet instant, le signal 32 de régulation cadencée adapte, en fonction des paramètres que reçoit le circuit 20 par les signaux 22, les durées respectives d'ouverture des vannes 26-2 et 29-2. Dans l'exemple illustré par la figure 2, on suppose que, entre des instants t2 et t3, la puissance souhaitée pour le brûleur est relativement importante et nécessite des impulsions de durée relativement longue. Il peut s'agir, par exemple, d'une phase d'adaptation du changement de puissance du brûleur entre ses niveaux maximum et intermédiaire. A partir de l'instant t3, on peut considérer que l'on se trouve dans une phase de régulation proprement dite où le rapport cyclique des impulsions d'allumage du brûleur dépend exclusivement des variations de température dans la chambre de cémentation. Ces variations peuvent provenir, par exemple, d'une modification imposée par le procédé de cémentation ou d'un transfert de charge dans la cellule. En figure 2, on a illustré un besoin de diminution de puissance à partir d'un instant t4.
    On notera que les temps d'allumage et les temps d'arrêt respectifs des brûleurs sont établis, entre autres, en fonction de la disposition des brûleurs dans l'enceinte et de leur constitution.
    A titre de variante, les brûleurs peuvent être commandés en régime cadencé même lors de leur fonctionnement en pleine puissance.
    Bien qu'il soit possible de prévoir une excitation simultanée de tous les brûleurs de l'enceinte, on préfère individualiser les commandes des différents brûleurs de la cellule de cémentation. Par exemple, on pourra prévoir des temps d'allumage plus longs pour des brûleurs situés à proximité de ponts thermiques constitués, par exemple, par les pieds de support de la charge à chauffer. Dans ce cas, l'automate 30 fournit des commandes individuelles (signaux 32' et 33' à destination d'autres brûleurs non représentés), par exemple en différant l'allumage des brûleurs successivement et en adaptant les durées des impulsions d'allumage aux différents brûleurs. L'automate 30 a un fonctionnement préétabli et reçoit, entre autres, des signaux 34 et 35 de commande provenant du régulateur et qui sont communs à tous les brûleurs, l'automate se chargeant d'adapter ces signaux aux différents brûleurs.
    A cet égard, on notera que les différents brûleurs seront répartis dans la cellule de cémentation en fonction de l'homogénéité thermique souhaitée. Par exemple, on pourra souhaiter disposer en bas de la cellule de cémentation, c'est-à-dire au voisinage des pieds supportant la charge, d'une puissance plus forte à cadence égale ou d'un temps de chauffe plus long afin d'améliorer l'homogénéité verticale. Dans la direction longitudinale de la cellule (dans le sens longitudinal des brûleurs), les ajustements d'homogénéité dépendent essentiellement du choix de la puissance intermédiaire qui est fonction de la longueur des brûleurs, donc du volume de l'enceinte.
    En variante, les brûleurs pourront être commandés par groupes.
    La figure 3 illustre un exemple d'application de la présente invention à une installation modulaire de cellules de cémentation. Le mode de réalisation de la figure 3 s'inspire d'une installation modulaire telle que décrite dans la demande de brevet européen N° 0 922 778 de la demanderesse que l'on considère comme connue.
    Un module de base 40 comprend une enceinte étanche 41 sous forme de cylindre (de section non nécessairement circulaire) à axe horizontal. Les deux extrémités de ce cylindre 41, munies de collerettes, sont bouchées par des couvercles étanches amovibles 42. Les cellules de traitement sont reliées latéralement au cylindre 41 et se trouvent dans un même plan horizontal. Par exemple, deux cellules de traitement thermique 43 et 44, par exemple destinées à contenir deux charges à cémenter, sont disposées l'une en face de l'autre et sont reliées à un premier caisson de transfert 41-1 constitutif du cylindre 41. Une cellule de chargement 45 est disposée en face d'une cellule de trempe 46, ces cellules étant reliées à un deuxième caisson de transfert 41-2, lui-même relié axialement au caisson 41-1.
    Un dispositif de manutention est sous la forme d'un chariot 48 se déplaçant parallèlement à l'axe du cylindre 41, d'un caisson de transfert à un autre. Ce chariot se déplace, par exemple, sur des rails 50 s'étendant tout le long du cylindre 41. Le chariot est muni d'une fourche télescopique 52 susceptible de s'étirer de part et d'autre du chariot 48 jusqu'au centre de chacune des cellules 43 à 46 pour y prendre et y déposer une charge 54 en cours de traitement. A la figure 3, en traits pleins, le chariot 48 se trouve au niveau des cellules 45 et 46, et la fourche télescopique 52 pénètre dans la cellule 45 pour y prendre une charge 54. Bien entendu, la cellule 45 a été préalablement mise à la basse pression de l'enceinte 41 pour pouvoir ouvrir la porte 45-1 qui constitue, avec la porte extérieure 45-2, un sas d'entrée. En pointillés, le chariot 48 se trouve au niveau des cellules 43 et 44. L'installation de la figure 2 est modulaire, c'est-à-dire qu'un ou plusieurs modules supplémentaires 60 constitués chacun d'un caisson de transfert 41-3 pourvu de rails 50' et d'une ou deux cellules 43' peuvent être raccordés axialement à l'un des caissons 41-1 ou 41-2 pour compléter le cylindre 41.
    Selon un premier mode d'application de l'invention à une installation modulaire telle que décrite ci-dessus, les cellules 43, 43' et 44 sont des cellules de cémentation chauffées au gaz conformes telles que décrites précédemment.
    Selon un deuxième mode d'application de l'invention à une telle installation modulaire et selon un deuxième aspect de l'invention, on prévoit de dissocier les opérations de préchauffage d'une charge à cémenter des opérations de maintien en température. Pour cela, on affecte une des cellules, par exemple la cellule 44 en figure 3, au préchauffage de toutes les charges à cémenter. Cette cellule est alors équipée de brûleurs à gaz pour porter la charge à cémenter à une température voisine de la température de travail, par exemple, à une température comprise entre 600 et 800°C. Par la suite, les charges sont transférées vers les autres cellules de cémentation 43 et 43' dans lesquelles la seule opération de chauffe nécessaire est destinée au maintien et à l'homogénéisation de la température des différentes pièces. Par conséquent, on optimise l'utilisation des moyens de chauffage. Les moyens utilisés dans les cellules de cémentation 43 et 43' peuvent rester électriques alors que ceux de la cellule de préchauffage 44 sont à gaz. Toutefois, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise des brûleurs à gaz même dans les cellules de cémentation où on se contente d'effectuer un maintien en température. Dans ce cas, on pourra prévoir une cellule de préchauffe utilisant des brûleurs d'un premier type et des cellules de cémentation utilisant des brûleurs d'un deuxième type moins puissants que les premiers, ou les mêmes brûleurs mais à moindre débit. Un avantage de dissocier les fonctions de préchauffage et de maintien en température est que les brûleurs peuvent désormais être dédiés à une seule des deux fonctions tout en fonctionnant tous à rendement maximum. Ainsi, on peut se dispenser de la structure à double débit de gaz en prévoyant deux types de brûleurs, sans rencontrer ici de problèmes d'encombrement. Les brûleurs sont alors commandés à puissance fixe (par exemple, à puissance maximale) et, au moins dans les cellules de cémentation, par régulation cadencée.
    On notera que le nombre de cellules de préchauffe devant être prévu dans une installation de cémentation modulaire dépend lui-même du nombre de cellules de cémentation à distribuer. Dans un mode de réalisation simplifié, on prévoira une cellule de préchauffe avec des brûleurs à gaz d'un premier type de puissance et des cellules de cémentation avec des brûleurs à gaz d'un deuxième type de puissance. On pourra cependant mettre en oeuvre des cellules ayant recours à des brûleurs à gaz à double débit tels que décrits précédemment en relation avec la figure 1, que ce soit pour la cellule de préchauffe ou pour les cellules de cémentation. Un tel mode de réalisation permet d'optimiser la régulation et l'homogénéité de la température dans la charge.
    Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaítront à l'homme de l'art. En particulier, le positionnement des brûleurs à gaz dans une cellule de cémentation ou dans une cellule de préchauffe en fonction de la constitution de la cellule elle-même est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et de l'application. De même, le système de commande (circuit 20, automate 30 et vannes 21) peut être réalisé en utilisant des moyens connus. De plus, le choix des débits de gaz et d'air dans les brûleurs à gaz utilisés dépend des puissances maximale et de régulation cadencée qui sont liées à l'application. L'invention peut également être mise en oeuvre dans une installation de traitement du type de celle décrite dans le brevet européen N° 0 388 333 de la demanderesse où plusieurs cellules de traitement verticales sont réparties au-dessus d'une enceinte étanche de transfert de la charge. L'adaptation d'une telle installation à une cellule de préchauffe à gaz et des cellules de cémentation à gaz ou électriques est à la portée de l'homme du métier à partir des indications données en relation avec l'installation horizontale de la figure 3.

    Claims (8)

    1. Cellule (43, 43', 44) de traitement thermique à faible pression de pièces d'acier, comportant
      des moyens de chauffage (1) constitués de plusieurs tubes radiants au gaz répartis autour d'un volume utile d'une enceinte étanche ; les dites moyens servant le préchauffage et le maintien en température de pièces d'acier et
      caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de commande (2) pourvus au moins d'un mode de régulation par impulsions desdits moyens de chauffage.
    2. Cellule de traitement thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commande (2) sont propres à commander les moyens de chauffage selon deux phases de fonctionnement respectivement de préchauffage à pleine puissance et de maintien en température en régulation par impulsions.
    3. Cellule de traitement thermique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de commande (2) sont propres à modifier le débit de gaz entre deux niveaux respectivement maximum pour le préchauffage et intermédiaire pour la régulation par impulsions.
    4. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les tubes radiants au gaz (1) sont commandés individuellement ou par groupes.
    5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de commande comportent un automate programmable pour individualiser des commandes à destination des différents tubes.
    6. Installation de traitement thermique sous faible pression de pièces d'acier comprenant plusieurs cellules (43, 43', 44', 45, 46) de traitement reliées à une enceinte étanche commune (41), munie de moyens (48, 50, 52) de manutention pour transférer une charge (54) d'une cellule à une autre, caractérisée en ce qu'au moins une cellule (44) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5.
    7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une cellule (44) dédiée au préen température de pièces d'acier chauffage d'une charge à cémenter, et au moins une cellule de cémentation (43, 43').
    8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite cellule de cémentation (43, 43') est pourvue de moyens de chauffage au gaz propres à être commandés en mode de régulation par impulsions.
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