BE1006163A4 - Procede de traitement thermique d'objets metalliques sous atmosphere de protection. - Google Patents

Abstract

Procédé de traitement thermique d'objets métalliques sous atmosphère de protection en four opérant en discontinu, du genre où dans une phase initiale de montée en température on assure une injection d'un débit de gaz de balayage à teneur substantielle en azote, alors que la phase de refroidissement est effectuée sous atmosphère à teneur prédominante en gaz à meilleure conductibilité thermique que l'azote, caractérisé en ce qu'on provoque une substitution de l'atmosphère à base d'azote par une atmosphère à base d'hélium et cela dès que la montée en température a été substantiellement accomplie. Le gaz à teneur substantielle en hélium est un mélange d'hélium et d'hydrogène à teneur inférieure à 10 %. Application aux fours à cloches classiques utilisant l'azote, sous réserve d'une simple amélioration des joints d'étanchéité.

Description

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  PROCEDE DE TRAITEMENT THERMIQUE D'OBJETS METALLIQUES SOUS ATMOSPHERE DE PROTECTION
La présente invention concerne un procédé de traitement thermique d'objets métalliques sous atmosphère de protection en four opérant en discontinu, par   exenple four dit"cloche".   



   Le traitement thermique discontinu d'objets métalliques, en particulier des bobines de tôle ou de fil, par   exenple   en four cloche, s'effectue principalement sous atmosphère à base d'azote avec un peu d'hydrogène (moins de 10 %) pour éviter l'oxydation des bobines. Ce type d'atmosphère peut être produit par des générateurs de gaz sur le site ou par des gaz industriels azote et hydrogène mélangés. 



   Depuis quelques armées on assiste dans ce domaine à la substitution de ces atmosphères à base d'azote par des atmosphères d'hydrogène pur, ou à forte teneur en hydrogène, de l'ordre de 75 %. 



   Cette substitution est particulièrement intéressante parce que, l'hydrogène ayant une meilleure conductivité thermique que l'azote, la durée du cycle de traitement est diminuée de 20 % environ. En outre, la qualité du traitement thermique est améliorée, car le chauffage des objets métalliques est plus homogène (écart de température réduit entre le coeur et la périphérie des objets traités). 



   D'autre part, la propreté des tôles est meilleure (moins de résidus carbonés) ainsi que leur brillance. Ceci représente un avantage très important pour les tôles devant subir un traitement de surface ultérieur, telle la galvanisation. 



   La conversion des fours"cloches"fonctionnant sous atmosphère d'azote à faible teneur en hydrogène par de l'hydrogène nécessite cependant de profondes modifications au regard de   l'étanchéité   et de la sécurité, car l'hydrogène est un gaz particulièrement inflammable. Ces modifications sont tellement importantes qu'il est souvent préférable pour les utilisateurs d'acheter des fours neufs prévus spécialement à cet effet. Quelle que soit la solution retenue, les investissements qui en découlent sont très importants, ce qui représente un frein au développement de ces atmosphères pourtant très bénéfiques en elles-mimes. 



   Le brevet européen 0.133. 613 décrit un procédé de traitement mixte, où toute la phase de traitement thermique y compris la   montée   en température est assurée en atmosphère d'azote à teneur faible en hydrogène, alors que dans la phase de refroidissement, on modifie cette atmosphère par une injection supplémentaire d'hydrogène ou autre gaz de poids spécifique plus faible, de façon à assurer le maintien de la pression qui, sans cela, aurait tendance à chuter fortement en dessous 

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 de la pression atmosphérique-du fait du refroidissement-ce qui provoquerait des entrées d'air indésirables, de telle sorte que la teneur initiale faible en hydrogène (de l'ordre de 5 %), s'élève alors jusqu'à atteindre une teneur relativement élevée (de l'ordre de   68 %),   le reste étant de l'azote. 



   La proposition selon ce brevet européen 0.133. 613 représente une certaine amélioration en ce qui concerne la durée du cycle de traitement qui est réduite, puisque le refroidissement s'en trouve accéléré. Cependant, la forte teneur en hydrogène pendant la phase de refroidissement, très supérieure à la limite explosive, conduit nécessairement à l'inconvénient mentionné précédemment, qui oblige l'utilisateur, à s'équiper de fours adaptés à la mise en oeuvre en sécurité de teneurs en hydrogène explosives. 



   La présente invention vise à assurer un traitement thermique d'objets métalliques en four opérant en discontinu, qui est de durée réduite de façon significative par rapport aux traitements classiques sous atmosphère à base d'azote, tout en assurant la qualité de traitement reconnue en atmosphère d'hydrogène, mais en se contentant d'améliorations de caractère tout à fait mineur des fours classiques mettant en oeuvre des atmosphères à base d'azote. 



   Selon l'invention, dans un procédé du genre où, dans une phase initiale de montée en température, on assure une injection d'un débit de gaz de balayage à teneur substantielle en azote, alors qu'une phase de refroidissement final est effectuée sous   atmosphère à   teneur prédominante en un gaz autre que l'azote, l'atmosphère à teneur autre que l'azote est obtenue par injection d'un mélange à base d'hélium à faible teneur en hydrogène avec évacuation d'un débit gazeux correspondant hors du four. 



   Grâce à   l'héliun,   on assure une bonne conduction de la chaleur rapidement au coeur des pièces métalliques en traitement, et cela sans aucun risque explosif. Pour tenir compte du coût relativement élévé de l'hélium, il convient d'abord d'adapter le four à cette nouvelle utilisation en réduisant les fuites au minimum, c'est-à-dire en apportant une amélioration au niveau des joints d'étanchéité des fours classiques de traitement sous atmosphère à base d'azote. 



   L'invention prévoit également différentes mesures dont certaines pennettent de réduire au strict minimun les pertes d'hélium : 

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Selon l'une de ces mesures, l'injection du mélange d'hélium à faible teneur en hydrogène est poursuivie au moins jusqu'à ce que la teneur en héliun soit supérieure à 50 %. 



   Selon une autre mesure, le mélange gazeux à base d'hélium à faible teneur en hydrogène provient d'un mélange préétabli avec de l'hélium et de l'hydrogène de réserves, ou de la charge gazeuse récupérée en fin de traitement et substantiellement épurée en azote. 



   Selon encore une autre mesure, la substitution de l'atmosphère à teneur substantielle en azote par l'atmosphère à teneur substantielle en hélium s'effectue par injection du gaz à teneur substantielle en hélium et recyclage du gaz d'atmosphère après passage sur un séparateur d'azote, par exemple du type à   membrane   de   penné at ion,   ledit recyclage de gaz d'atmosphère prenant fin dès que la teneur en azote atteint un seuil suffisamment faible, de préférence inférieur à 20 %, après quoi l'injection de gaz à teneur substantielle en hélium est une simple injection de compensation des fuites éventuelles et/ou pendant le refroidissement de maintien de la pression interne du four. 



   L'injection du mélange à base d'hélium à faible teneur en hydrogène débute au plus tôt après élimination thermique des huiles associées aux objets traités mais de préférence avant que le palier de température soit atteint. 



   Selon encore une autre de ces mesures, le refroidissement se termine par une purge de l'atmosphère gazeuse à teneur substantielle en hélium par balayage à l'azote avec récupération du gaz à teneur substantielle en hélium par passage sur un séparateur d'azote, par exemple du type à membrane de permeation, qui est avantageusement celui ayant servi à la substitution de l'atmosphère à teneur substantielle en azote par l'atmosphère à teneur substantielle en hélium. 



   Grâce à la mise en oeuvre de l'une et/ou l'autre de ces mesures, et de préférence de l'ensemble de ces mesures, an limite les pertes d'hélium au minimum. Notamment, comme l'élimination des savons et des huiles s'achève vers   600OC,   en sorte que la pollution de l'atmosphère diminue alors fortement, il s'avère judicieux de passer à ce moment là de l'atmosphère à base azote à l'atmosphère à base   d'hélium.   Grâce au recyclage de l'atmosphère à base d'azote progressivement substitué en   atmosphère   à base d'héliun sur un séparateur d'azote, les pertes d'hélium lors de cette substitution sont 

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 particulièrement   réduites,

     ce qui représente une économie notable par rapport à une   sinple   purge du four par un gaz à forte teneur en hélium. De même, la récupération en fin de traitement du gaz d'atmosphère à forte teneur en hélium avec stockage dans une capacité-tampon représente une limitation significative des pertes possibles   d'hélium.   



     On   décrit maintenant en référence à la figure unique, une mise en oeuvre de l'invention. Dans le dessin annexé, on a représenté un diagramm des   températures   en ordonnée (degrés Celsius) en fonction du temps (heures) en abscisse pendant les différentes phases de traitement a, b, c, d et e et par des blocs hachurés représentatifs des quantités de gaz injectées. Le traitement qui a été mis en oeuvre concernait le recuit de bobines d'acier à"bas carbone", la charge étant de 25 tonnes et la température de recuit de 700 C. 



   Le cycle a été le suivant : a Purge de l'atmosphère du four sous N2 : 30   m3/h   pendant 1 h ; Balayage sous N2 + 4 %   Hn,   15 m3/h pendant la montée en température jusqu'à   6000C   environ, durée 10 h ; 
 EMI4.1 
 c Passage de t à He + 4% H2 
Débit de recirculation sur séparateur à membrane de perméation :
15 m3/h, durée 2 h ; d Maintien en pression sous He + 4 % H2
Débit 0, 1   m3/h   en moyerne, durée 43 h e Purge par N2 et récupération du volume He + 4 %   Hn   sur séparateur d'azote
Débit 15 m3/h, durée 2 h, ce qui correspond à une durée totale de traitement de 58 h, qu'on 
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 peut emparer aux 55 h obtenues sous H et aux 65 h sous N2 + 5 % 2Les consommations de gaz se sont élevées à :

   - N2 + 5 % H2 185 m3 de N2 7 m3 de H2 zu 150 m3 de H 35 m3 de N2 - He+5% 180 m3 de N2 

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 EMI5.1 
 6 m3 de 
8 m3 de He
La consommation réduite d'hélium provient des faibles fuites par les joints du four à cloche (0,1   m3/h)   et des pertes faibles en hélium lors de la recirculation de l'atmosphère à travers la membrane du séparateur et lors de l'ouverture de la cloche à la fin du traitement. 



   Pour être économiquement   compétitif vis-à-vis   des procédés à l'hydrogène, la proposition selon l'invention nécessite, canne déjà mentionné, des fours présentant des joints d'étanchéité de bonne qualité. Dans ce cas, les coûts de fonctionnement sont comparables, mais la   solution"héliun"ne   conduit pas à des investissements importants, car elle peut s'appliquer sans aucun problème de sécurité sur un four classique utilisant un mélange d'azote avec une faible teneur en hydrogène. 



   Par ailleurs, les gains de productivité et de qualité par rapport au procédé à base d'azote sont voisins de ceux obtenus avec l'hydrogène. 



   Le dispositif de recyclage de l'atmosphère avec séparateur d'azote peut être utilisé successivement pour plusieurs fours opérant à décalage horaire, ce qui limite encore les investissements pour la mise en oeuvre du procédé. 



   Le procédé s'applique à tous types de fours opérant en discontinu. Les fours mettant en oeuvre des joints en sable ou de mauvaise qualité doivent être adaptés par une transformation mineure pour limiter les fuites   d'héliun.   Les autres fours peuvent être utilisés tels quels, car l'atmosphère d'un mélange d'héliun et d'hydrogène à teneur inférieure à 10 % n'est pas inflammable.

Claims (10)

1. REVEMDICATICNS 1. Procédé de traitement thermique d'objets métalliques sous atmosphère de protection en four opérant en discontinu, du genre où, dans une phase initiale de montée en température, on assure une injection d'un débit de gaz de balayage à teneur substantielle en azote, alors qu'une phase de refroidissement final est effectuée sous atmosphère à teneur prédominante en un gaz autre que l'azote, caractérisé en ce que l'atmosphère à teneur autre que l'azote est obtenue par injection d'un mélange à base d'hélium à faible teneur en hydrogène avec évacuation d'un débit gazeux correspondant hors du four.
2. 2. Procédé de traitement thermique d'objets métalliques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection du mélange d'héliun à faible. teneur en hydrogène est poursuivie au moins jusqu'à ce que la teneur en héliun soit supérieure à 50 %.
3. 3. Procédé de traitement thermique d'objets métalliques selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la teneur en hydrogène du mélange à base d'héliun et hydrogène injecté est inférieure à 10 %.
4. 4. Procédé de traitement thermique d'objets métalliques selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange gazeux à base d'héliun à faible teneur en hydrogène provient d'un mélange préétabli avec de l'héliun et de l'hydrogène de réserves.
5. 5. procédé de traitement thermique d'objets métalliques selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange gazeux à base d'héliun à faible teneur en hydrogène provient de la charge gazeuse récupérée en fin de traitement et substantiellement épurée en azote.
6. 6. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz de balayage à teneur substantielle en azote mis en oeuvre pendant la montée en tenpérature est un mélange d'azote et d'H à teneur enHde l'ordre de 3 à 5 %.
7. 7. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la substitution de l'atmosphère à teneur substantielle en azote par l'atmosphère à teneur substantielle en hélium s'effectue par injection du gaz à teneur substantielle en héliun et recyclage du gaz d'atmosphère après passage sur un séparateur d'azote, par exemple du type à membrane de perméation, ledit recyclage de gaz d'atmosphère prenant fin dès que la <Desc/Clms Page number 7> teneur en azote atteint un seuil suffisamment faible, de préférence inférieur à 20 %, après quoi l'injection de gaz à teneur substantielle en hélium est une simple injection de compensation des fuites éventuelles et/ou pendant le refroidissement de maintien de la pression interne du four.
8. 8. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'injection du mélange à base d'héliun à faible teneur en hydrogène débute au plus tôt après élimination thermique des huiles associées aux objets traités.
9. 9. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'injection du mélange à base d'héliun à faible teneur en hydrogène débute avant que le palier de température soit atteint.
10. 10. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le refroidissement se termine par une purge de récupération de l'atmosphère gazeuse à teneur substantielle en hélium par balayage à l'azote avec récupération du gaz à teneur substantielle en hélium avec récupération d'un gaz à teneur substantielle en hélium par passage sur un séparateur d'azote, par exemple du type à membrane de perméation.