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Procédé et dispositif de refroidissement de bobines recuites dans un four cloche
La présente invention concerne un procédé destiné à réduire le temps de refroidissement de produits, notamment de bobines métalliques lors d'un recuit en four cloche. Le problème technique résolu par la présente invention est celui de la limitation du temps total d'un cycle de recuit de tels produits.
Afin de bien faire comprendre le domaine technique de la présente invention, on se réfère en premier lieu à la figure 1 des dessins annexés qui est une représentation schématique en coupe par un plan vertical d'un dispositif connu de recuit en four cloche de bobines 1. Les bobines 1 sont empilées sur une base 6 et elles sont recouvertes d'un couvercle 2 qui est fixé de façon étanche sur la base 6 par l'intermédiaire de moyens de clamage 7. Un gaz pouvant contenir une proportion variable d'hydrogène est injecté à l'intérieur du couvercle 2 dans lequel il est amené à recirculer sous l'effet d'une turbine 4 placée à la partie inférieure du couvercle 2 et mue par un moteur 5. La cloche du four 3 vient recouvrir le couvercle 2, ce four étant muni de brûleurs 8 pour assurer le chauffage du couvercle.
Dans un tel dispositif connu, le chauffage des bobines 1 est assuré principalement par convection entre le gaz et la surface des bobines et par conduction dans les bobines. Le gaz est chauffé principalement par convection par le couvercle 2, ce dernier étant lui même chauffé par les brûleurs 8 du four 3. Après la phase de chauffage qui est développée suivant un cycle de température que l'on adapte au traitement thermique souhaité en fonction de la nuance du matériau constituant les bobines, ces dernières sont refroidies sous atmosphère Jusqu à une température permettant d'éviter leur oxydation.
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Ce refroidissement est régi par les fois physiques des échanges convectifs. en particulier la nature du gaz, sa vitesse de circulation et sa température. La nature du gaz ainsi que sa vitesse peuvent être considérées comme déjà optimisées, en fonction du type de traitement thermique à réaliser et de la tenue mécanique en température de la turbine de recirculation 4 qui limite les possibilités de débits et de vitesses pouvant être obtenues. Le seul moyen d'améliorer le refroidissement des bobines consiste donc à obtenir un gaz le plus froid possible, à chaque instant, afin 'de créer un gradient thermique le plus important possible dans les bobines, ce gradient étant le moteur du flux d'échange par conduction dans les bobines.
Ce refroidissement doit s'opérer pour chacune de ses phases, de façon à ne pas exposer les différentes parties du four, de ses équipements ou les produits à des contraintes thermiques ou mécaniques susceptibles de les mettre en péril.
Il existe quatre moyens connus pour refroidir le gaz contenu dans le couvercle 2 d'un four cloche tel qu'illustré par la figure 1. Ces moyens sont représentés respectivement sur les figures 2,4, 5 et 6 qui sont des vues similaires à la figure 1.
Dans le système de refroidissement illustré par la figure 2, on réalise un refroidissement naturel en ôtant la cloche 3 du four et en laissant le couvercle 2 se refroidir librement à l'air. La turbine 4 reste en fonctionnement durant ce refroidissement. Cette technique présente l'inconvénient de ne pas permettre d'obtenir des vitesses de refroidissement importantes. Sur la figure 3 des dessins annexés qui illustre les variations de température du couvercle en fonction du temps, la courbe 1 représente l'évolution de la température du couvercle (en ordonnée) lors de ce refroidissement naturel. Comme le montre cette courbe 1, cette technique ne permet pas d'obtenir des vitesses de refroidissement importantes.
Elle présente l'avantage de mettre en oeuvre aucun équipement supplémentaire mais elle n'est efficace qu'au début du refroidissement lorsque le couvercle 2 est très chaud.
Un second système de refroidissement connu est illustré par la figure 4. Dans ce système, lors de la phase de refroidissement, la cloche 3 du four est remplacée par une cloche de refroidissement 9 qUI est munie d'un certain nombre de ventilateurs
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tels que 10 soufflant de l'air ambiant sur le couvercle 2 afin d'accélérer son refroidissement. La courbe de refroidissement du couvercle obtenue à l'aide d'un tel système est schématisée en 2 sur la figure 3. On voit que, comme pour le refroidissement naturel (courbe 1) un tel dispositif n'est efficace que lorsque la température du couvercle est importante. Quand la température du couvercle baisse, le temps nécessaire au refroidissement des bobines est important.
Afin d'accéléler le refroidissement des bobines, on peut utiliser une pulvérisation d'eau sur le couvercle 2. Cette technique est illustrée par la figure 5 sur laquelle on a schématisé un système de pulvérisation de fluide de refroidissement, notamment de l'eau, sur le couvercle 2 mettant en oeuvre des rampes d'alimentation en fluide de refroidissement 15 et des buses de pulvérisation 16. Cette pulvérisation de fluide de refroidissement ne peut être mise en oeuvre que lorsque le couvercle 2 est à une température inférieure à environ 200 C pour des raisons évidentes de tenue mécanique. Une telle restriction impose la mise en oeuvre de cette méthode de refroidissement qu'en complément d'autres techniques de refroidissement telles que celles décrites ci-dessus en référence aux figures 2 et 4.
Sur la figure 3, on a représenté en 5 la courbe de refroidissement du couvercle obtenue en mettant en oeuvre la technique de refroidissement décrite ci-dessus en référence à la figure 5 Un autre moyen de refroidissement est ilustré par la figure 6 Il consiste à utiliser un circuit de refroidissement externe du gaz constitué d'un échangeur de chaleur 13 refroidissant le gaz contenu dans le couvercle 2, par exemple grâce à une circulation 14 d'un fluide de refroidissement tel que de l'eau, le gaz étant recirculé grâce à un ventilateur 12 et à un circuit 11. Cette recirculation du gaz ne peut être amorcée que lorsque la température du gaz est inférieure à environ 550 C, afin de préserver la turbine du ventilateur 12 et l'échangeur 13 de tout dommage.
La courbe de refroidissement du couvercle obtenue par ce moyen est représentée par la courbe 3 sur la figure 3.
Dans la pratique actuellement mise en oeuvre les different moyens de refroidissement du couvercle décrits ci-dessus sont utilisés sot separément. sot en combinaison La présente invention s est fixée pour objectif de combiner ces moyens
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de manière à les utiliser successivement'dans les phases du cycle de refroidissement où ils sont les plus performants. Le but recherché par une telle . combinaison est de permettre de limiter la durée totale du refroidissement des bobines et, par ce moyen, de limiter la durée totale du cycle de recuit des bobines avec ce type de four, cette réduction se traduisant par un gain de productivité.
En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé de refroidissement de bobines ayant subi un recuit dans un four cloche comportant une base sur laquelle sont empilées les bobines et qui est recouverte d'un couvercle étanche dans lequel est injecté un gaz qui est recirculé au moyen d'une turbine, le four muni de brûleurs venant coiffer le couvercle, ce procédé étant caractérisé par les étapes successives suivantes :
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- on effectue un refroidissement naturel du couvercle du four, en enlevant ce dernier, jusqu'à l'obtention d'une température dudit couvercle d'environ 400 C ; - on effectue ensuite un refroidissement forcé du couvercle par soufflage d'air ambiant jusqu'à obtenir une température du gaz égale ou inférieure à environ 550 C ;
- on effectue ensuite un refroidissement du gaz par échange thermique jusqu'à l'obtention d'une température du couvercle de l'ordre de 200 C et, - on achève finalement le refroidissement du couvercle par pulvérisation sur ce dernier d'un liquide de refroidissement tel que de l'eau.
La présente invention vise également un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé précisé ci-dessus.
Un mode de réalisation de ce dispositif, qui ne présente aucun caractère limitatif est illustré par la figure 7 des dessins annexés qui est une coupe similaire à la figure 1.
On voit que ce dispositif comprend les dispositifs connus de refroidissement décrits ci-dessus en référence aux figures 2,4, 5 et 6, c'est-à-dire un dispositif de refroidissement par air forcé 9 et 10, par échange thermique extérieur 11,12, 13 et 14 et par pulvérisation 15 et 16 du liquide de refroidissement. Grâce à cette combinaison, le cycle de refroidissement objet de la présente invention comporte les phases suivantes :
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1) Refroidissement naturel du couvercle 2 après enlèvement du four 3, cette étape de refroidissement correspondant à la courbe 1 de la figure 3 Elle est mise en oeuvre durant une période de l'ordre de 15 à 20 minutes, durant laquelle la température du couvercle atteint 400 C environ.
2) Refroidissement par air forcé par la mise en place de la cloche de refroidissement 9 et la mise en action des ventilateurs 10, cette étape de refroidissement qui correspond à la courbe 2 de la figure 3 étant mise en oeuvre jusqu'à l'obtention d'une température de gaz égale ou inférieure à 550oC environ ce qui autorise alors le démarrage du ventilateur 12 du circuit de refroidissement 11 du gaz par l'échangeur 13, refroidi par exemple, par une circulation d'eau 14.
3) Démarrage du refroidissement par pulvérisation d'eau 15 et 16 dès que la température du couvercle 2 atteint 200 C environ.
Le cycle de refroidissement ainsi obtenu par la présente invention décrit les courbes 1, 2,3 et 4 de la figure 3, lesquelles font clairement ressortir la réduction du temps total de la phase de refroidissement obtenue grâce à l'invention, par rapport aux moyens classiques dont les vitesses de refroidissement sont illustrées par la succession de courbes 1,2 et 3 ou 1,2 et 5.
Le gain de temps obtenu par la mise en oeuvre de la présente invention peut être estimé à environ à 1 heure à 1 heure 30, ce qui présente un gain de productivité de l'ordre de 4% sur un cycle de recuit total de 35 heures.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits et/ou mentionnés ci-dessus mais qu'elle en englobe toutes les variantes.