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PROCEDE POUR LE REGLAGE DE L'ATMOSPHERE DANS UN FOUR POUR TRAITEMENT THERMIQUE.
Historique de l'invention.
La présente invention a trait à un procédé pour le réglage de l'atmosphère dans un four, plus particulièrement à un procédé pour le réglage de l'atmosphère dans un four où des métaux et des minéraux sont traités de manière thermique à des températures de traitement thermique de, par exemple, 800 C à 1. 7000 C.
Il est connu qu'un four utilisé pour le traitement thermique de matières métalliques et minérales est équipé d'une sonde d'oxygène intérieure afin de déterminer et de régler l'atmosphère de traitement thermique dans le four.
Dans les procédés conventionnels de détermination et de réglage de l'atmosphère de traitement thermique utilisant une telle sonde d'oxygène telle que décrite ci-dessus, l'atmosphère de traitement thermique pourrait être réglée en calculant le potentiel de carbone d'une force électromotrice déterminée par la sonde d'oxygène et en réglant ledit potentiel de carbone.
Plusieurs genres de procédés de réglage de potentiel de carbone pour le réglage des atmosphères de traitement thermique dans des fours, tels que susdits, ont été proposés. Un des procédés est de déterminer et de régler la pression partielle de dioxyde de carbone P C02 à l'aide d'un déterminateur à infrarouges à condition que la pression partielle du monoxyde de carbone P C0 reste constante. Un autre procédé est de définir et de régler la pression partielle de la vapeur P H20 à l'aide d'un déterminateur de point de rosée à condition que le pression partielle du monoxyde de carbone P CO et la pression partielle de l'hydrogène P H2 restent constantes.
Un autre procédé est de déterminer et de
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régler la pression partielle d'oxygène P 02 à l'aide d'une sonde d'oxygène à condition que la pression partielle du monoxyde de carbone P CO reste constante.
Cependant, de tels procédés conventionnels ont été principalement appliqués pour des fours de carburation.
En outre, il faut déterminer la pression partielle du monoxyde de carbone P CO et régler le potentiel de carbone dans l'atmosphère de traitement thermique en utilisant un analyseur de gaz aux infrarouges ou un autre analyseur de gaz, afin de maintenir la pression partielle du monoxyde de carbone P CO où les pressions partielles du monoxyde de carbone P CO et de l'hydrogène P H2 doivent rester à une valeur constante. Plus particulièrement le troisième procédé déterminant et réglant la pression partielle d'oxygène P 02 à l'aide de la sonde d'oxygène a le desavantage de faire appel à un autre analyseur de gaz.
Un analyseur de gaz aux infrarouges est aussi exigé dans le procédé de définition directe de la pression partielle du monoxyde de carbone P CO ou la pression partielle de l'acide carbonique P C02 dans une atmosphère de traitement thermique. Cependant, ce procédé exige l'utilisation d'un gaz référentiel à pression partielle de monoxyde de carbone P CO constante ou pression partielle de dioxyde de carbone P C02 constante. Le procédé a aussi le désavantage d'exiger une période plus longue pour la déremination et ne peut à peine permettre une détermination continue. Par exemple, le calibrage des analyseurs devrait être effectué périodiquement après chaque période de 8 à 12 heures.
SOMMAIRE DE L'INVENTION Pour ces raisons un des buts de l'invention est de surmonter les désavantages susdits faisant partie de l'état antérieur de la technique et de prévoir un procédé
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de réglage d'atmosphère dans un four prévoyant le réglage continu de l'atmosphère de traitement thermique sans avoir à utiliser des gaz de référence pouvant exiger un analyseur spécifique.
Ce but, suivant la présente invention, peut être réalisé en fournissant un procédé pour le réglage de l'atmosphère dans un four pour traitement thermique caractérisé en ce qu'un carburant sélectionné du groupe CnH2n+2 comprenant le butane, le propane, le méthane, l'éthane, etc. est mélangé à de l'air et brûlé afin de former une atmosphère de traitement thermique, ledit procédé comprenant les étapes : du calcul de la force électromotrice de référence à partir d'une température déterminée et d'un rapport carburant/air d'une atmosphère de traitement thermique prédéterminé ; de la détermination de la force électromotrice et de la température d'une atmosphère de traitement thermique d'application ;
et de régler ledit rapport carburant/air sur base de ladite force électromotrice déterminée et ladite température déterminée afin de rendre la force électromotrice déterminée identique à ladite force électromotrice de référence.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention peut être plus amplement clarifiée à l'aide de la description détaillée ci-dessous de concert avec le dessin l'accompagnant dans lequel : la figure 1 est un bloc-diagramme montrant un système pour la réalisation d'un procédé pour le réglage de l'atmosphère dans un four de traitement thermique suivant la présente invention.
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DESCRIPTION DETAILLEE DES REALISATIONS PREFERENTIELLES La figure 1 est un schéma d'un système pour la réalisation d'un procédé pour le réglage de l'atmosphère dans un four de traitement thermique suivant la présente invention. Le numéro de repérage "1" du dessin désigne un four pour le traitement thermique de matières métalliques et minérales à la température exigée, par exemple, de 800 à 1. 700 C. Le four 1 comprend une sonde d'oxygène 2 prévue d'un couple thermoélectrique et un mélangeur d'air 4 recevant un carburant du type CnH2n+2 tel que le butane, le propane, le méthane, l'éthane, etc. avec de l'air et fournissant ledit mélange de carburant et d'air en tant que gaz atmosphériques.
La sonde d'oxygène 2 agit en tant que capteur ou de déterminateur de force électromotrice et de température dans le four 1.
La réaction de combustion du mélange de carburant du type CnH2n+2 et d'air peut être exprimée par l'équation suivante :
CnH2n+2 + R + (X. 02 + Y. N2) --) a CO + b C02 + c H2 + d H20 + e N2 dans lequel, X + y = 1
R est le rapport carburant/air
X est la pression partielle de 02
Y est la pression partielle de N2 a, b, c, d, e, sont les pressions partielle respectives des éléments constitutifs.
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D'autre part, la force électromotrice de l'atmosphère de traitement thermique peut être exprimée suivant l'équation dite de Nernat :
E (mV) = 0, 0496. T. Log X/Log Xo dans laquelle, E (mV) est la force électromotrice
T est la température absolue
X est la pression partielle de 02
Xo est la pression partielle de référence de 02, étant 0, 21 dans le cas d'utilisation de l'air.
Des deux équations ci-dessus on peut découvrir que la composition de l'atmosphère de traitement thermique varie en fonction du rapport carburant/air R et de la pression partielle de l'oxygène X et que la force électromotrice E varie en fonction de la température T et la pression partielle de l'oxygène X. Par conséquent on peut découvrir que la composition de l'atmosphère de traitement thermique varie en fonction du rapport carburant/air R, de la température T et de la force électromotrice E. En conséquence, lorsque des variations de la température T et de la force électromotrice E sont découvertes, le rapport carburant/air R correspondant à la composition exigée d'atmosphère de traitement thermique peut être calculé.
La présente invention est basée sur le principe susmentionné et a pour but de comparer la force électromotrice de référence de l'atmosphère de traitement thermique voulue à la force électromotrice de l'atmosphère de traitement thermique d'application et de régler le rapport carburant/air R afin de rendre la force électromotrice déterminée identique à ladite force électromotrice de référence, permettant ainsi d'obtenir l'atmosphère de traitement thermique exigée.
Afin de réaliser ledit procédé suivant la présente invention, un dispositif de réglage 3 tel qu'un ordinateur
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ou un microporcesseur est prévu suivant la présente invention. Ce dispositif de réglage 3 est adapté pour recevoir en tant que donnée d'entrée la force électromotrice ex la température de l'atmosphère de traitement thermique d'application étant déterminée à l'aide d'une sonde d'oxygène 2, pour le calcul du rapport carburant/air pour rendre la force électromotrice déterminée identique à la force électromotrice de référence et pour l'émission d'un signal de commande pour régler le rapport carburant/air vers un mélangeur d'air 4.
Le dispositif de réglage 3 étant muni d'un dispositif d'affichage 5 et d'une imprimante 6 afin que les données nécessaires puissent être affichées ou imprimées.
La composition de l'atmosphère de traitement thermique d'application peut aussi être calculée à partir de la force électromotrice déterminée et de la température et sur base des équation susdites. La potentiel de carbone et le point de rosée peuvent aussi être calculés d'une manière bien connue. Lors de l'utilisation de ces données un réglage plus précis de l'atmosphère de traitement thermique est possible.
Le tableau suivant montre les cas d'application générale du procédé de la présente invention et du procédé conventionnel utilisant un analyseur'de gaz aux infrarouges dans le traitement thermique de fil d'acier dans un four de patentage. Ce tableau montre que les teneurs en CO et en C02 dans chaque zone du four, déterminée suivant le procédé de la présente invention sont, respectivement, substantiellement identiques à celles déterminées suivant le procédé conventionnel. En conséquence, il est clair que suivant la présente invention le réglage de l'atmosphère de traitement thermique peut être effectué sans faire appel à un analyseur de gaz aux infrarouges exigé dans les cas des
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procédés conventionnels.
Tel qu'il apparaît dans le tableau tous les contenus des éléments constitutifs de l'atmosphère de traitement thermique peuvent être découverts afin que l'atmosphère de traitement thermique puisse être réglée avec plus de précision.
Tel qu'il apparaît de la description ci-dessus, la présente invention permet le réglage de l'atmosphère de traitement thermique sans avoir à utiliser n'importe quel gaz de référence exigé dans les procédés conventionnels.
N'importe quel analyseur de gaz est également superflu en raison de la possibilité de déterminer tous les contenus des éléments constitutifs de l'atmosphère de traitement thermique. Ceci permet aussi une détermination rapide et correcte et un réglage précis. Malgré que la présente invention est utilisée dans le traitement thermique de fil d'acier, dans l'exemple ci-dessus, elle peut aussi être appliquée dans le traitement thermique non-oxydant de recuit ou le traitement thermique de carburisation.
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TABLEAU
EMI8.1
<tb>
<tb> Bivision <SEP> For
<tb> Zone <SEP> 1 <SEP> Zone <SEP> 2 <SEP> Zone <SEP> 3 <SEP> Zone <SEP> 4
<tb> Analyseur <SEP> de <SEP> 0,7% <SEP> CO <SEP> 1,4% <SEP> CO <SEP> 3,8% <SEP> CO <SEP> 5,4% <SEP> CO
<tb> gaz <SEP> aux
<tb> infrarouges <SEP> 11,4% <SEP> CO2 <SEP> 11,1% <SEP> CO2 <SEP> 10,2% <SEP> CO2 <SEP> 8,9% <SEP> CO2
<tb> Sonde <SEP> Temp.
<SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 950 <SEP> C
<tb> d'
<tb> oxygène <SEP> EMF <SEP> (mv) <SEP> 697 <SEP> 734 <SEP> 785 <SEP> 832
<tb> CO <SEP> % <SEP> 0,65 <SEP> 1,35 <SEP> 2,9 <SEP> 5,5
<tb> CO2 <SEP> % <SEP> 11,5 <SEP> 11,3 <SEP> 10,0 <SEP> 9,0
<tb> H2 <SEP> % <SEP> 0,5 <SEP> 1,2 <SEP> 2,5 <SEP> 5,1
<tb> H2O <SEP> % <SEP> 14,8 <SEP> 14,5 <SEP> 14,0 <SEP> 12,8
<tb> N2 <SEP> % <SEP> 72,5 <SEP> 71,8 <SEP> 70,3 <SEP> 67,8
<tb> Rapport <SEP> 30,0 <SEP> 29,1 <SEP> 26,9 <SEP> 24,0
<tb> carburant/
<tb> air
<tb> Ropport <SEP> carburant/air <SEP> véri- <SEP> 30,5 <SEP> 28,7 <SEP> 27,2 <SEP> 23,5
<tb> dique <SEP> (Mesure
<tb> de <SEP> débit)
<tb>
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PROCESS FOR ADJUSTING THE ATMOSPHERE IN AN OVEN FOR HEAT TREATMENT.
History of the invention.
The present invention relates to a method for regulating the atmosphere in an oven, more particularly to a method for controlling the atmosphere in an oven where metals and minerals are heat treated at processing temperatures thermal of, for example, 800 C to 1.7000 C.
It is known that an oven used for the thermal treatment of metallic and mineral materials is equipped with an interior oxygen sensor in order to determine and regulate the heat treatment atmosphere in the oven.
In conventional methods of determining and adjusting the heat treatment atmosphere using such an oxygen probe as described above, the heat treatment atmosphere could be adjusted by calculating the carbon potential of an electromotive force determined by the oxygen sensor and adjusting said carbon potential.
Several kinds of carbon potential adjustment methods for adjusting the heat treatment atmospheres in ovens, as mentioned above, have been proposed. One of the methods is to determine and regulate the partial pressure of carbon dioxide P C02 using an infrared determiner provided that the partial pressure of carbon monoxide P C0 remains constant. Another method is to define and regulate the partial pressure of the vapor P H20 using a dew point determiner provided that the partial pressure of carbon monoxide P CO and the partial pressure of hydrogen P H2 remain constant.
Another method is to determine and
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adjust the partial pressure of oxygen P 02 using an oxygen sensor provided that the partial pressure of carbon monoxide P CO remains constant.
However, such conventional methods have been mainly applied for carburizing furnaces.
In addition, the partial pressure of carbon monoxide P CO must be determined and the carbon potential in the heat treatment atmosphere adjusted using an infrared gas analyzer or another gas analyzer in order to maintain the partial pressure of the carbon monoxide P CO where the partial pressures of carbon monoxide P CO and hydrogen P H2 must remain at a constant value. More particularly, the third method determining and regulating the partial pressure of oxygen P 02 using the oxygen sensor has the disadvantage of using another gas analyzer.
An infrared gas analyzer is also required in the process of direct definition of the partial pressure of carbon monoxide P CO or the partial pressure of carbonic acid P C02 in a heat treatment atmosphere. However, this process requires the use of a reference gas at constant partial pressure of carbon monoxide P CO or constant partial pressure of carbon dioxide P C02. The method also has the disadvantage of requiring a longer period for deremination and can hardly allow continuous determination. For example, calibration of analyzers should be performed periodically after each 8 to 12 hour period.
SUMMARY OF THE INVENTION For these reasons one of the aims of the invention is to overcome the above-mentioned disadvantages which are part of the prior art and to provide a method
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regulating atmosphere in an oven providing for continuous regulation of the heat treatment atmosphere without having to use reference gases which may require a specific analyzer.
This object, according to the present invention, can be achieved by providing a method for regulating the atmosphere in an oven for thermal treatment characterized in that a fuel selected from the group CnH2n + 2 comprising butane, propane, methane , ethane, etc. is mixed with air and burned to form a heat treatment atmosphere, said method comprising the steps of: calculating the reference electromotive force from a determined temperature and a fuel / air ratio of a predetermined heat treatment atmosphere; determining the electromotive force and the temperature of an application heat treatment atmosphere;
and adjusting said fuel / air ratio based on said determined electromotive force and said determined temperature so as to make the determined electromotive force identical to said reference electromotive force.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention can be further clarified with the aid of the detailed description below in concert with the accompanying drawing in which: FIG. 1 is a block diagram showing a system for carrying out a method for regulating the atmosphere in a heat treatment oven according to the present invention.
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DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERENTIAL EMBODIMENTS FIG. 1 is a diagram of a system for carrying out a method for regulating the atmosphere in a heat treatment oven according to the present invention. The reference number "1" in the drawing designates an oven for the thermal treatment of metallic and mineral materials at the required temperature, for example, from 800 to 1,700 C. The oven 1 comprises an oxygen probe 2 provided with a thermoelectric couple and an air mixer 4 receiving a fuel of the CnH2n + 2 type such as butane, propane, methane, ethane, etc. with air and providing said mixture of fuel and air as atmospheric gases.
The oxygen sensor 2 acts as a sensor or determiner of electromotive force and temperature in the furnace 1.
The combustion reaction of the fuel mixture of the type CnH2n + 2 and air can be expressed by the following equation:
CnH2n + 2 + R + (X. 02 + Y. N2) -) a CO + b C02 + c H2 + d H20 + e N2 in which, X + y = 1
R is the fuel / air ratio
X is the partial pressure of 02
Y is the partial pressure of N2 a, b, c, d, e, are the respective partial pressures of the constituent elements.
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On the other hand, the electromotive force of the heat treatment atmosphere can be expressed according to the so-called Nernat equation:
E (mV) = 0, 0496. T. Log X / Log Xo in which, E (mV) is the electromotive force
T is the absolute temperature
X is the partial pressure of 02
Xo is the reference partial pressure of 02, being 0, 21 in the case of air use.
From the two equations above it can be found that the composition of the heat treatment atmosphere varies as a function of the fuel / air ratio R and of the partial pressure of oxygen X and that the electromotive force E varies as a function of the temperature T and the partial pressure of oxygen X. Consequently, it can be discovered that the composition of the heat treatment atmosphere varies as a function of the fuel / air ratio R, of the temperature T and of the electromotive force E. Consequently, when variations in temperature T and electromotive force E are discovered, the fuel / air ratio R corresponding to the required composition of heat treatment atmosphere can be calculated.
The present invention is based on the aforementioned principle and aims to compare the reference electromotive force of the desired heat treatment atmosphere with the electromotive force of the application heat treatment atmosphere and to adjust the fuel / air ratio. R in order to make the determined electromotive force identical to said reference electromotive force, thus making it possible to obtain the required heat treatment atmosphere.
In order to carry out said method according to the present invention, an adjustment device 3 such as a computer
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or a microporcessor is provided according to the present invention. This adjustment device 3 is adapted to receive as input data the electromotive force ex the temperature of the application heat treatment atmosphere being determined using an oxygen probe 2, for the calculation the fuel / air ratio to make the determined electromotive force identical to the reference electromotive force and for the emission of a control signal to adjust the fuel / air ratio to an air mixer 4.
The adjustment device 3 being provided with a display device 5 and a printer 6 so that the necessary data can be displayed or printed.
The composition of the application heat treatment atmosphere can also be calculated from the determined electromotive force and the temperature and on the basis of the above equations. Carbon potential and dew point can also be calculated in a well known manner. When using these data a more precise setting of the heat treatment atmosphere is possible.
The following table shows the cases of general application of the process of the present invention and of the conventional process using an infrared gas analyzer in the heat treatment of steel wire in a patenting oven. This table shows that the CO and CO 2 contents in each zone of the furnace, determined according to the method of the present invention are, respectively, substantially identical to those determined according to the conventional method. Consequently, it is clear that, according to the present invention, the adjustment of the heat treatment atmosphere can be carried out without using an infrared gas analyzer required in the cases of
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conventional processes.
As it appears in the table all the contents of the constituent elements of the heat treatment atmosphere can be discovered so that the heat treatment atmosphere can be adjusted with more precision.
As it appears from the above description, the present invention allows the adjustment of the heat treatment atmosphere without having to use any reference gas required in conventional methods.
Any gas analyzer is also superfluous because of the possibility of determining all the contents of the constituent elements of the heat treatment atmosphere. This also allows rapid and correct determination and precise adjustment. Although the present invention is used in the heat treatment of steel wire, in the above example, it can also be applied in the non-oxidizing annealing heat treatment or the carburizing heat treatment.
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BOARD
EMI8.1
<tb>
<tb> Bivision <SEP> For
<tb> <SEP> area 1 <SEP> <SEP> area 2 <SEP> <SEP> area 3 <SEP> <SEP> area 4
<tb> <SEP> analyzer of <SEP> 0.7% <SEP> CO <SEP> 1.4% <SEP> CO <SEP> 3.8% <SEP> CO <SEP> 5.4% <SEP > CO
<tb> gas <SEP> aux
<tb> infrared <SEP> 11.4% <SEP> CO2 <SEP> 11.1% <SEP> CO2 <SEP> 10.2% <SEP> CO2 <SEP> 8.9% <SEP> CO2
<tb> Probe <SEP> Temp.
<SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 950 <SEP> C
<tb> of
<tb> oxygen <SEP> EMF <SEP> (mv) <SEP> 697 <SEP> 734 <SEP> 785 <SEP> 832
<tb> CO <SEP>% <SEP> 0.65 <SEP> 1.35 <SEP> 2.9 <SEP> 5.5
<tb> CO2 <SEP>% <SEP> 11.5 <SEP> 11.3 <SEP> 10.0 <SEP> 9.0
<tb> H2 <SEP>% <SEP> 0.5 <SEP> 1.2 <SEP> 2.5 <SEP> 5.1
<tb> H2O <SEP>% <SEP> 14.8 <SEP> 14.5 <SEP> 14.0 <SEP> 12.8
<tb> N2 <SEP>% <SEP> 72.5 <SEP> 71.8 <SEP> 70.3 <SEP> 67.8
<tb> Report <SEP> 30.0 <SEP> 29.1 <SEP> 26.9 <SEP> 24.0
<tb> fuel /
<tb> air
<tb> Ropport <SEP> fuel / air <SEP> ver- <SEP> 30.5 <SEP> 28.7 <SEP> 27.2 <SEP> 23.5
<tb> dique <SEP> (Measure
<tb> of <SEP> throughput)
<tb>