CA1259550A - Procede de cementation rapide dans un four continu - Google Patents
Procede de cementation rapide dans un four continuInfo
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Abstract
Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé dans lequel on injecte un gaz porteur et un hydrocarbure susceptible d'engendrer aux températures usuelles de cémentation, une atmosphère de composition prédéterminée ayant une concentration nominale en monoxyde de carbone, une porte du four étant ouverte avec une périodicité déterminée pour permettre le passage d'une charge à cémenter, l'ouverture de cette porte engendrant notamment une augmentation de la concentration des espèces oxydantes dans l'atmosphère dudit four. Selon l'invention, on augmente avec la même périodicité la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée dans le four, de manière à compenser l'augmentation de la concentration en espèces oxydantes du four et maintenir ainsi sensiblement constant le potentiel carbone de l'atmosphère de cémentation du four pendant toute la durée de cémentation desdites pièces.
Description
~2S9s~
"PRlX~DE DE OEMENTATIC~N RAPIDE ~ANS UN EWR CCNTINU"
La presente invention concerne un prccede de cementation rapide dans un four continu ferme dans lequel on injecte un gaz porteur et eventuellement un hydrocarbure susceptibles d'engendrer aux températures usuelles de c~mentation, une atm~sphère de composition predeterminee, ayant une concentration nomlnale en monoxyde de carbone, une porte du four etant ouverte avec une periodicite determinee pour permettre le passage d'une charge à cementer, l'ouverture de cette porte engendrant notamment une augmentation de la concentration des espèces oxydantes dans l'atmosphère dudit four.
Un four continu ferme est un four dans lequel on introduit à
intervalles de temps reguliers des charges à traiter qui avancent à
faible vitesse dans celui-ci, traversant successivement une zone de montee en temFerature des charges, une zone de cementation des pièces de la charge et une zone de diffusion desdites pièces. Un four continu ferme peut co~porter des sas d'entree et de sortie qui diminuent partiellement 1'augmentation de la concentration des espè oe s oxydantes dans 1'atmosphere et peut comporter egalement des portes de separation non etanches entre chaque zone.
L'injection de gaz porteur et d'hydrocarbure engendre une atmosphère de composition predeterminee lorsque le four est en equilibre, c'est-à-dire notamment lorsque les portes du four sont fermees. Cette atmosphère est constituee de -4 à 30 % en vol. de C~
lO à 60 % en vol. de H2 10 à 80 % en vol. de N2 O à 4 % en vol. de 002 0 à 5 % en vol. H20 0 à 10 % en vol. d'hydrocarbure.
Dans un four continu, l'introduction d'une charge provoque, lors de l'ouverture d'une porte, des entrees d'air importantes engendrant des espeoe s oxydantes. L'augmentation de la concentration des esp2ces oxydantes dans l'atmosphère du four engendre une diminution rapide du potentiel carbone.
Il a et~ propos~ dans le brevet americain 4.145.232 de 35 mLltiplier le debit de gaz porteur par deux lors de l'ouverture de la porte du four pour l'introduction de la charge et de revenir au debit initial habituel de gaz porteur lors de la fenmeture de la porte.
125~5~0 Un tel procedé n'est pas satisfaisant.
En effet, dans un tel procedé, quelque soit le fort debit de gaz porteur injecté dans le four, on ne peut eviter une remontee des especes oxydantes dans le four, donc une augmentation de leur 5 concentration et une diminution correlative du potentiel carbone.
Le potentiel carbone dans la zone de cémentation du four, où se produit la reaction d'equilibre :
"PRlX~DE DE OEMENTATIC~N RAPIDE ~ANS UN EWR CCNTINU"
La presente invention concerne un prccede de cementation rapide dans un four continu ferme dans lequel on injecte un gaz porteur et eventuellement un hydrocarbure susceptibles d'engendrer aux températures usuelles de c~mentation, une atm~sphère de composition predeterminee, ayant une concentration nomlnale en monoxyde de carbone, une porte du four etant ouverte avec une periodicite determinee pour permettre le passage d'une charge à cementer, l'ouverture de cette porte engendrant notamment une augmentation de la concentration des espèces oxydantes dans l'atmosphère dudit four.
Un four continu ferme est un four dans lequel on introduit à
intervalles de temps reguliers des charges à traiter qui avancent à
faible vitesse dans celui-ci, traversant successivement une zone de montee en temFerature des charges, une zone de cementation des pièces de la charge et une zone de diffusion desdites pièces. Un four continu ferme peut co~porter des sas d'entree et de sortie qui diminuent partiellement 1'augmentation de la concentration des espè oe s oxydantes dans 1'atmosphere et peut comporter egalement des portes de separation non etanches entre chaque zone.
L'injection de gaz porteur et d'hydrocarbure engendre une atmosphère de composition predeterminee lorsque le four est en equilibre, c'est-à-dire notamment lorsque les portes du four sont fermees. Cette atmosphère est constituee de -4 à 30 % en vol. de C~
lO à 60 % en vol. de H2 10 à 80 % en vol. de N2 O à 4 % en vol. de 002 0 à 5 % en vol. H20 0 à 10 % en vol. d'hydrocarbure.
Dans un four continu, l'introduction d'une charge provoque, lors de l'ouverture d'une porte, des entrees d'air importantes engendrant des espeoe s oxydantes. L'augmentation de la concentration des esp2ces oxydantes dans l'atmosphère du four engendre une diminution rapide du potentiel carbone.
Il a et~ propos~ dans le brevet americain 4.145.232 de 35 mLltiplier le debit de gaz porteur par deux lors de l'ouverture de la porte du four pour l'introduction de la charge et de revenir au debit initial habituel de gaz porteur lors de la fenmeture de la porte.
125~5~0 Un tel procedé n'est pas satisfaisant.
En effet, dans un tel procedé, quelque soit le fort debit de gaz porteur injecté dans le four, on ne peut eviter une remontee des especes oxydantes dans le four, donc une augmentation de leur 5 concentration et une diminution correlative du potentiel carbone.
Le potentiel carbone dans la zone de cémentation du four, où se produit la reaction d'equilibre :
2 CO ~ C + CO2, peut se definir par la relation :
P.C. = k(T) x t ~ 2 ~co2, k(T) = cte fonction de la temperature ~00~ = concentration en monoxyde de carbone ¦CO2] = concentration en dioxyde de carbone.
Or, quelque soit le débit de gaz injecte dans le four, la concentration en monoxyde de carbone dans le four reste sensible~ent constante. Par consequent, une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone entraine necessairement une diminution du potentiel carbone.
Le procede selon l'invention permet d'éviter ces inconv~nients.
Il est caractérisé en ce que l'on augmente avec la même périodicite la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosph~re injectée dans le four, de manière à compenser l'augmentation de la conc~ntration en espèoe s oxydantes du four et maintenir ainsi sensiblement constant le 25 potentiel carbone de l'atmosphère de cémentation du four pendant toute la durée de oe mentation desdites piè oe s. Si le monoxyde de carbone est forme dans le four après craquage d'un des éléments source du gaz porteur, l'augmentation de con oe ntration de monoxyde de carbone s'entend comme l'augmentation corrélative de l'elément genérateur. Ainsi, dans la 30 pratique la plus courante, le gaz porteur comprend de l'azote et un alcool, de préféren oe le methanol (ou l'éthanol). L'augmentation de concentration de monoxyde de carbone signifie dans ce cas une augmentation corrélative de la concentration de methanol dans le gaz porteur.
De préféren oe , dès l'ouverture de la porte du four on augmente la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère, de manière à
ccmpenser l'augmentation de dioxyde de carbone en vue de maintenir un
P.C. = k(T) x t ~ 2 ~co2, k(T) = cte fonction de la temperature ~00~ = concentration en monoxyde de carbone ¦CO2] = concentration en dioxyde de carbone.
Or, quelque soit le débit de gaz injecte dans le four, la concentration en monoxyde de carbone dans le four reste sensible~ent constante. Par consequent, une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone entraine necessairement une diminution du potentiel carbone.
Le procede selon l'invention permet d'éviter ces inconv~nients.
Il est caractérisé en ce que l'on augmente avec la même périodicite la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosph~re injectée dans le four, de manière à compenser l'augmentation de la conc~ntration en espèoe s oxydantes du four et maintenir ainsi sensiblement constant le 25 potentiel carbone de l'atmosphère de cémentation du four pendant toute la durée de oe mentation desdites piè oe s. Si le monoxyde de carbone est forme dans le four après craquage d'un des éléments source du gaz porteur, l'augmentation de con oe ntration de monoxyde de carbone s'entend comme l'augmentation corrélative de l'elément genérateur. Ainsi, dans la 30 pratique la plus courante, le gaz porteur comprend de l'azote et un alcool, de préféren oe le methanol (ou l'éthanol). L'augmentation de concentration de monoxyde de carbone signifie dans ce cas une augmentation corrélative de la concentration de methanol dans le gaz porteur.
De préféren oe , dès l'ouverture de la porte du four on augmente la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère, de manière à
ccmpenser l'augmentation de dioxyde de carbone en vue de maintenir un
3 1259S5~
potentiel carbone sensiblement constant. Pour assurer un renouvellement rapide de l'atmosphère du four et donc une augmentation plus rapide de la concentration en monoxyde de carbone, on acccmpagnera de preference cette augmentation de co~centration de monoxyde de carbone par une augmentation de d~bit du gaz porteur.
Dans ce cas, on utilisera de preference un d~bit de gaz porteur de 1,5 à 4 fois le debit "nominal" de gaz porteur, correspondant à la phase de traitement de la charge ~c~mentation et/ou diffusion).
Selon une première variante de realisation de l'invention, on attendra la fermeture de la porte du four pour commencer l'injection de gaz porteur à forte concentration en monoxyde de carbone. De oette maniere, on realise une economie de gaz porteur puisque lors~ue la porte est ouverte, l'augmentation de la concentration en especes oxydantes ne peut être evitee.
Selon une variante preferentielle de l'invention, l'ouverture de la porte du four sera precedée de quelques instants par une injection de gaz porteur à forte concentration en mDnoxyde de ~rbone, cette injection se poursuivant au moins jusqu'à la fermeture de la porte et eventuellement apras fermeture de celle-ci, dans des conditions de duree 20 precis~es ci-après. La suralimentation en monoxyde de carbone peut atre temporisee lorsque le cycle se deroule de manière programmee. C'est ainsi qu'il est aise de prevoir une temporisation après la fermeture de la porte, avant de revenir au debit "ncm m al" de monoxyde de carbone. De même, on peut prevoir un predeclanchement de la suralimentation en 25 monoxyde de carbone synchronise sur l'ouverture de la porte.
Bien entendu, dans tous les cas decrits ci-dessus, l'injection de gaz porteur à forte concentration en monoxyde de carbone peut s'accompagner ou nDn d'une augmentation de debit de gaz porteur, de préféren oe dans les limites mentionnees plus haut.
Dans toutes les variantes envisagées ci-dessus, la duree de l'injection de gaz porteur ayant une concentration en mDnoxyde de carbone superieure à la valeur nominale sera comprise entre 5 % et 50 % de la duree totale du traitement.
Le gaz porteur de concentration en monoxyde de carbone 35 superieure ~ la valeur nominale sera de pr~férence obtenu à partir d'un mélange azote-methanol, avec un rapport en volume Rl = ~ N2~ tel que 1/20 ~ Rl ~ 3/7 ~MeOHj ~25955~
Le gaz porteur de concentration en monoxyde de carbone egale a la valeur nominale sera egalement obtenu a partir d'un melange azote-méthanol dans un rapport volumique ayant, de preference, la valeur R2 = [N2] tel que 3/7~ R2 ~ 1 [MeOH]
L'invention sera mieux comprise a 1'aide des exemples de réalisation suivants, donnés a titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent:
- les figures 1 et 2, les variations d'atmosphere selon l'art antérieur;
- les figures 3 et 4, les variations d'atmosphère selon l'invention;
- la figure 5, les varia~ions du potentiel carbone selon l'art antérieur et selon l'invention;
- les figures 6, 7 et 8, les variations du potentiel carbone relevées dans le four, selon l'invention.
Dans un four continu (ou "push-furnace" en anglais), on introduit toutes les quelques minutes ~généralement de 4 à 20 minutes) une charge constituée de pièces en acier à cémenter. Ce four comporte généralement successivement une porte d'entrée, un sas d'entrée, une zone de cémentation et une zone de diffusion, éventuellement séparée par des portes, un sas de sortie avec bac de trempe.
L'atmosphère engendrée dans le four est de type "endo-ther~ique", c'est-a-dire riche principalement en especes hydrogene, monoxyde de carbone et azote, obtenue a partir d'un générateur, ou d'azote et de corps destinée à créer dans le four les especes CO et H2 pouvant être du méthanol seul (solution preferee), des mélanges éthanol-oxydant (H20, Air, CO2...) ou équivalents, auxquels on ajoute éventuellement jusqu'à 10 % d'hydrocarbure (CH4 , C3H8 ...) pour contrôler le potentiel carbone et parfois jusqu'à 5 %
d'ammoniac pour des traitements particuliers comme la carbonitruration (cémentation activée à l'a~moniac).
Pour l'introduction d'une charge dans le four, on ouvre la porte d'entree, ce qui provoque des entrees importantes ~2s955a:~
-4a-non controlées d'especes oxydantes (2 ou C02 , H2 0, issus de la combustion de 1'atmosphère du four avec l'air extérieur).
Dans les procédés actuellement connus (figures 1 et 2), l'ouverture de la porte du four, périodiquement, aux instants to, tl, ~2S9s5C~
t2,..., provoque (figure 1) une tr~s rapide augmentation de la concentration en dioxyde de carbone de l'atmDsphere du four, celle-ci passant presque instantanement (quelques dizaines de secondes, ou plus) d'une concentration [C02]1~ par exemple de 0,15 % à une concentratioll [C02]2 pouvant atteindre 1 %, soit environ 6 fois superieure. (Valeurs tres variables selon les fours et le traitement).
Compte tenu de la faible concentration en dioxyde de carkone dans l'atmosphère du four, la concentration de noxyde de carbone peut être consideree comme constante pendant tout le procede. Par consequent, le potentiel carbone varie tres fortement dans la zone de cementation du four, selon la courbe C1 illustree sur la figure 5. Il peut diminuer jusqu'à une valeur P.CM de l'ordre de 0,1 à 0,3 % pour une temperature de cementation de 920C par exemple. (La valeur de consigne du p~tentiel carbone à cette temperature est souvent de l'ordre de 0,8 à 1,0 %). Le 15 reconditionnement du four jusqu'à la valeur de consigne prend pratiquement tout l'intervalle de temps to à t1 separant deux introductions successives. Dans ces conditions, le transfert de carbone qui ne devient efficace qu'aux environs de la valeur P.Cm (definie ci-apres) valeur atteinte après un intervalle de temps T (T pouvant 20 representer jusqu'à la moiti~ de l'intervalle de temps tl - to separant l'introduction de 2 charges)! la cementation des pieoe s pendant chacune des periodes T sera pratiquement nulle et l'on risque même, dans certains cas, de pravoquer une décarburation des pieces dans cette periode.
Par consequent, la cementation n'ayant lieu que p ndant les 25 intervalles de temps to + T ~ tl, tl + T à t2, etc..., la profondeur de cementation pour une dureté détermlnée est faible. En fixant initialement une profandeur et une durete determinees, la duree du traitement de c~mentation est donc considerablement allongee.
La figure 2, à titre indicatif represente le debit de gaz 30 porteur injecte dans le four selon la solution connue du brevet americain cite plus haut, ce débit ayant normalement la valeur DL lorsque la porte est fermee, et une valeur DH lorsque la porte du four est ouverte, sensiblement égale à 2 fois DL au plus.
Selon l'invention (figures 3 et 4), on augmente la 35 concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphare inject~e dans le four lors de l'enfournement d'une nouvelle charge (ou lors du defournement, si celui-ci provoque une perturbation similaire) ou peu de I
6 1259S~
temps auparavant de mani~re à anticiper 1'augmentation de concentration en especes oxydantes, sans atteindre une activité carbone de l'atmosph~re égale à 1, ce qui engendrerait de la suie sur les pieces. Cette augmentation de concentration se fait généralement pendant toute la durée 5 de l'ouverture de la porte du four. Elle se poursuit g~néralement après la fermeture de cette porte afin de revenir plus rapidement au potentiel carbone de consigne. Cette mesure est doublement favorable car elle permet, d'une part, de maintenir le potentiel carbone de l'atmosphère à
une valeur suffisante pour qu'il y ait transfert de carbone de 10 l'atmosphere dans la pièce mais elle permet également d'autre part d'accélérer ce transfert vers la pi~ oe , puisque la vitesse de transfert du carbone dépend, dans la phase de oe~entation, du produit PH2 x pCo, qui sont les pressions partielles respectives de H2 ~t 00 dans le four (égales ici aux concentratio~s).
Cette augmentation de concentration en monoxyde de carbone se fait par injection dans le four de monoxyde de carbone ou, de préférenoe , d'un produit susceptible de se decamposer, dans l'atmosphare du four pour engendrer ce monoxyde de carbone.
En régime "normal" (portes fermées), l'atmosphare injectée dans 20 le four est soit, oe lle d'un générateur endo à debit constant, soit de preféren oe , un mélange azote/methanol ou equivalent comme decrit précédemnent. Ainsi, selon l'invention (figures 3, 4 et 5), on augmente l'injection, pendant le temps ~ t', de monoxyde de carbone dont la concentration passe de ~CO]1 (qui est generalement de l'ordre de 20 % en 25 volume) à []2 (qui est de l'ordre de 27 % en volume).
Ceci se traduit (figure 5) par un potentiel carbone dont les variations sont repre~entees par les courbes C2. On reglera le debit de cette suralimentation en monoxyde de carbone (ou du corps qui l'engendre) et sa duree pour ne pas descendre sensiblement sous la valeur P.Cm du 30 potentiel carbone, valeur en-dessous de laquelle 1'atmosphare ne serait pas cementante. Par exemple, pour un acier de type 16NC6 et une température de cementation de 920C on règlera ces différents paramatres pour ne pas descendre sous une valeur d'environ 0,4 % de potentiel carbone. Ainsi, grâce egalement à l'augmentation de la vitesse de 35 transfert du carbone, on améliore la rapidité des procédés de c~mentation en continu, toutes choses égales par ailleurs.
125955~
La méthode ~a plus simple pour mettre en oeuvre l'invention est d'utiliser un melange azote-méthanol pour engendrer l'atmosphère du four, et de faire varier les proportions relatives d'azote et de méthanol.
Pendant la période correspondant à l'ouverture, on augmente la proportion de methanol dans le mélange, cette augmentation pouvant aller jusqu'à l'introduction de methanol pur pendant ou au cours de oe tte brave période. Mais il est préferable de maintenir au moins 10 % et de preferen oe au moins 20 % d'azote dans le melange injecte dans le four.
Pour plus de simplicite, on peut simultanement faire varier le debit du melange et les proportions de celui-ci, de maniere à maintenir sensiblement constant le debit d'azote. Cette variante est celle representee sur la figure 4 avec un debit D'H de to ~ to +~ t', etc...
d'un melange comportant 20 % d'azote et 80 % de methanol et un debit D'L, inferieur à D'H d'un melange contenant 40 % d'azote et 60 % de methanol.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples comparatifs ci-après :
-Cet exemple represente l'art antérieur typiquement utilise jusqu'~ ce jour.
Dans un four continu poussant, on realise la cementation de piaces de transmission en acier de nuance 16NC6, pour lesquelles la profondeur de cementation recherchee à 550 HVl est de 0,7 à 0,9 mm. La temperature du four est de 920C, les charges, introduites toutes les 7 minutes, etant de 150 kg. Le potentiel carbone que l'on cherche à
maintenir, en zone de cementation, est de 0,8 %. La duree de l'ouverture de la porte de chargement, à l'entree du four, est de 27 secondes.
L'atmosphère injectee dans le four est obtenue à l'aide d'un melange azote-méthanol, dans le rapport 40/60 (atmosphère dite "endothermique"). Le debit de l'atmosphere injectee est de 19 m3/heure.
30 La consommation d'atmosphere par cycle (de 7 minutes) est donc de 2,22m3.
Les variations du potentiel carbone relevees dans le four sont représentees sur la figure 6. Le potentiel carbone, qul était de 0,8 %
avant l'ouverture de la porte, chute à 0,1 % après une minute puis remonte progressivement à 0,8 % (0,4 ~ apr~s 3 minutes).
EXEMPLE 2 :
. . . _ Dans le m~me four, toutes choses egales par ailleurs, on traite les me^mes piaces pour obtenir les mêmes conditions finales que dans 12595~
l'exemple 1. L'atmosphere injectee dans le four dans l'exemple précedant est remplac~e par une atmosphère de composition variable, pendant des durées variables, representées sur la fig~re 7.
Trente secondes avant l'ouverture de la porte et pendant deux minutes! on injecte l'atmosphere Atm ~ avec un rapport azote/méthanol égal à 20/80 sous un debit de 24 m3/h.Puis on in~ecte l'atmosphère Atm sous un d~bit de 12 m3/h, pendant 3 minutes et 50 secondes. La consommation de gaz pendant un cycle est de 1,57 m3. LRS variations du potentiel car~one sont repr~sentées sur la figure 8 à l'echelle. (A noter lO que sur l'échelle des temps (fig~res 6, 7 et 8), F représente l'instant de fermeture de la porte du four). La profondeur cementée à 550 HVl des pieces du lot est comprise entre 0,7 et 0,9 mm.
Ainsi, on a reduit la duree du cylce de 17 % (de 7 mn à 5 mn 50 s) et la conscmmation d'atmosphere de 29 %. Une telle reduction de temps 15 de cycles, toutes choses egales par ailleurs, represente un gain considerable pour i'homme de metier.
potentiel carbone sensiblement constant. Pour assurer un renouvellement rapide de l'atmosphère du four et donc une augmentation plus rapide de la concentration en monoxyde de carbone, on acccmpagnera de preference cette augmentation de co~centration de monoxyde de carbone par une augmentation de d~bit du gaz porteur.
Dans ce cas, on utilisera de preference un d~bit de gaz porteur de 1,5 à 4 fois le debit "nominal" de gaz porteur, correspondant à la phase de traitement de la charge ~c~mentation et/ou diffusion).
Selon une première variante de realisation de l'invention, on attendra la fermeture de la porte du four pour commencer l'injection de gaz porteur à forte concentration en monoxyde de carbone. De oette maniere, on realise une economie de gaz porteur puisque lors~ue la porte est ouverte, l'augmentation de la concentration en especes oxydantes ne peut être evitee.
Selon une variante preferentielle de l'invention, l'ouverture de la porte du four sera precedée de quelques instants par une injection de gaz porteur à forte concentration en mDnoxyde de ~rbone, cette injection se poursuivant au moins jusqu'à la fermeture de la porte et eventuellement apras fermeture de celle-ci, dans des conditions de duree 20 precis~es ci-après. La suralimentation en monoxyde de carbone peut atre temporisee lorsque le cycle se deroule de manière programmee. C'est ainsi qu'il est aise de prevoir une temporisation après la fermeture de la porte, avant de revenir au debit "ncm m al" de monoxyde de carbone. De même, on peut prevoir un predeclanchement de la suralimentation en 25 monoxyde de carbone synchronise sur l'ouverture de la porte.
Bien entendu, dans tous les cas decrits ci-dessus, l'injection de gaz porteur à forte concentration en monoxyde de carbone peut s'accompagner ou nDn d'une augmentation de debit de gaz porteur, de préféren oe dans les limites mentionnees plus haut.
Dans toutes les variantes envisagées ci-dessus, la duree de l'injection de gaz porteur ayant une concentration en mDnoxyde de carbone superieure à la valeur nominale sera comprise entre 5 % et 50 % de la duree totale du traitement.
Le gaz porteur de concentration en monoxyde de carbone 35 superieure ~ la valeur nominale sera de pr~férence obtenu à partir d'un mélange azote-methanol, avec un rapport en volume Rl = ~ N2~ tel que 1/20 ~ Rl ~ 3/7 ~MeOHj ~25955~
Le gaz porteur de concentration en monoxyde de carbone egale a la valeur nominale sera egalement obtenu a partir d'un melange azote-méthanol dans un rapport volumique ayant, de preference, la valeur R2 = [N2] tel que 3/7~ R2 ~ 1 [MeOH]
L'invention sera mieux comprise a 1'aide des exemples de réalisation suivants, donnés a titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent:
- les figures 1 et 2, les variations d'atmosphere selon l'art antérieur;
- les figures 3 et 4, les variations d'atmosphère selon l'invention;
- la figure 5, les varia~ions du potentiel carbone selon l'art antérieur et selon l'invention;
- les figures 6, 7 et 8, les variations du potentiel carbone relevées dans le four, selon l'invention.
Dans un four continu (ou "push-furnace" en anglais), on introduit toutes les quelques minutes ~généralement de 4 à 20 minutes) une charge constituée de pièces en acier à cémenter. Ce four comporte généralement successivement une porte d'entrée, un sas d'entrée, une zone de cémentation et une zone de diffusion, éventuellement séparée par des portes, un sas de sortie avec bac de trempe.
L'atmosphère engendrée dans le four est de type "endo-ther~ique", c'est-a-dire riche principalement en especes hydrogene, monoxyde de carbone et azote, obtenue a partir d'un générateur, ou d'azote et de corps destinée à créer dans le four les especes CO et H2 pouvant être du méthanol seul (solution preferee), des mélanges éthanol-oxydant (H20, Air, CO2...) ou équivalents, auxquels on ajoute éventuellement jusqu'à 10 % d'hydrocarbure (CH4 , C3H8 ...) pour contrôler le potentiel carbone et parfois jusqu'à 5 %
d'ammoniac pour des traitements particuliers comme la carbonitruration (cémentation activée à l'a~moniac).
Pour l'introduction d'une charge dans le four, on ouvre la porte d'entree, ce qui provoque des entrees importantes ~2s955a:~
-4a-non controlées d'especes oxydantes (2 ou C02 , H2 0, issus de la combustion de 1'atmosphère du four avec l'air extérieur).
Dans les procédés actuellement connus (figures 1 et 2), l'ouverture de la porte du four, périodiquement, aux instants to, tl, ~2S9s5C~
t2,..., provoque (figure 1) une tr~s rapide augmentation de la concentration en dioxyde de carbone de l'atmDsphere du four, celle-ci passant presque instantanement (quelques dizaines de secondes, ou plus) d'une concentration [C02]1~ par exemple de 0,15 % à une concentratioll [C02]2 pouvant atteindre 1 %, soit environ 6 fois superieure. (Valeurs tres variables selon les fours et le traitement).
Compte tenu de la faible concentration en dioxyde de carkone dans l'atmosphère du four, la concentration de noxyde de carbone peut être consideree comme constante pendant tout le procede. Par consequent, le potentiel carbone varie tres fortement dans la zone de cementation du four, selon la courbe C1 illustree sur la figure 5. Il peut diminuer jusqu'à une valeur P.CM de l'ordre de 0,1 à 0,3 % pour une temperature de cementation de 920C par exemple. (La valeur de consigne du p~tentiel carbone à cette temperature est souvent de l'ordre de 0,8 à 1,0 %). Le 15 reconditionnement du four jusqu'à la valeur de consigne prend pratiquement tout l'intervalle de temps to à t1 separant deux introductions successives. Dans ces conditions, le transfert de carbone qui ne devient efficace qu'aux environs de la valeur P.Cm (definie ci-apres) valeur atteinte après un intervalle de temps T (T pouvant 20 representer jusqu'à la moiti~ de l'intervalle de temps tl - to separant l'introduction de 2 charges)! la cementation des pieoe s pendant chacune des periodes T sera pratiquement nulle et l'on risque même, dans certains cas, de pravoquer une décarburation des pieces dans cette periode.
Par consequent, la cementation n'ayant lieu que p ndant les 25 intervalles de temps to + T ~ tl, tl + T à t2, etc..., la profondeur de cementation pour une dureté détermlnée est faible. En fixant initialement une profandeur et une durete determinees, la duree du traitement de c~mentation est donc considerablement allongee.
La figure 2, à titre indicatif represente le debit de gaz 30 porteur injecte dans le four selon la solution connue du brevet americain cite plus haut, ce débit ayant normalement la valeur DL lorsque la porte est fermee, et une valeur DH lorsque la porte du four est ouverte, sensiblement égale à 2 fois DL au plus.
Selon l'invention (figures 3 et 4), on augmente la 35 concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphare inject~e dans le four lors de l'enfournement d'une nouvelle charge (ou lors du defournement, si celui-ci provoque une perturbation similaire) ou peu de I
6 1259S~
temps auparavant de mani~re à anticiper 1'augmentation de concentration en especes oxydantes, sans atteindre une activité carbone de l'atmosph~re égale à 1, ce qui engendrerait de la suie sur les pieces. Cette augmentation de concentration se fait généralement pendant toute la durée 5 de l'ouverture de la porte du four. Elle se poursuit g~néralement après la fermeture de cette porte afin de revenir plus rapidement au potentiel carbone de consigne. Cette mesure est doublement favorable car elle permet, d'une part, de maintenir le potentiel carbone de l'atmosphère à
une valeur suffisante pour qu'il y ait transfert de carbone de 10 l'atmosphere dans la pièce mais elle permet également d'autre part d'accélérer ce transfert vers la pi~ oe , puisque la vitesse de transfert du carbone dépend, dans la phase de oe~entation, du produit PH2 x pCo, qui sont les pressions partielles respectives de H2 ~t 00 dans le four (égales ici aux concentratio~s).
Cette augmentation de concentration en monoxyde de carbone se fait par injection dans le four de monoxyde de carbone ou, de préférenoe , d'un produit susceptible de se decamposer, dans l'atmosphare du four pour engendrer ce monoxyde de carbone.
En régime "normal" (portes fermées), l'atmosphare injectée dans 20 le four est soit, oe lle d'un générateur endo à debit constant, soit de preféren oe , un mélange azote/methanol ou equivalent comme decrit précédemnent. Ainsi, selon l'invention (figures 3, 4 et 5), on augmente l'injection, pendant le temps ~ t', de monoxyde de carbone dont la concentration passe de ~CO]1 (qui est generalement de l'ordre de 20 % en 25 volume) à []2 (qui est de l'ordre de 27 % en volume).
Ceci se traduit (figure 5) par un potentiel carbone dont les variations sont repre~entees par les courbes C2. On reglera le debit de cette suralimentation en monoxyde de carbone (ou du corps qui l'engendre) et sa duree pour ne pas descendre sensiblement sous la valeur P.Cm du 30 potentiel carbone, valeur en-dessous de laquelle 1'atmosphare ne serait pas cementante. Par exemple, pour un acier de type 16NC6 et une température de cementation de 920C on règlera ces différents paramatres pour ne pas descendre sous une valeur d'environ 0,4 % de potentiel carbone. Ainsi, grâce egalement à l'augmentation de la vitesse de 35 transfert du carbone, on améliore la rapidité des procédés de c~mentation en continu, toutes choses égales par ailleurs.
125955~
La méthode ~a plus simple pour mettre en oeuvre l'invention est d'utiliser un melange azote-méthanol pour engendrer l'atmosphère du four, et de faire varier les proportions relatives d'azote et de méthanol.
Pendant la période correspondant à l'ouverture, on augmente la proportion de methanol dans le mélange, cette augmentation pouvant aller jusqu'à l'introduction de methanol pur pendant ou au cours de oe tte brave période. Mais il est préferable de maintenir au moins 10 % et de preferen oe au moins 20 % d'azote dans le melange injecte dans le four.
Pour plus de simplicite, on peut simultanement faire varier le debit du melange et les proportions de celui-ci, de maniere à maintenir sensiblement constant le debit d'azote. Cette variante est celle representee sur la figure 4 avec un debit D'H de to ~ to +~ t', etc...
d'un melange comportant 20 % d'azote et 80 % de methanol et un debit D'L, inferieur à D'H d'un melange contenant 40 % d'azote et 60 % de methanol.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples comparatifs ci-après :
-Cet exemple represente l'art antérieur typiquement utilise jusqu'~ ce jour.
Dans un four continu poussant, on realise la cementation de piaces de transmission en acier de nuance 16NC6, pour lesquelles la profondeur de cementation recherchee à 550 HVl est de 0,7 à 0,9 mm. La temperature du four est de 920C, les charges, introduites toutes les 7 minutes, etant de 150 kg. Le potentiel carbone que l'on cherche à
maintenir, en zone de cementation, est de 0,8 %. La duree de l'ouverture de la porte de chargement, à l'entree du four, est de 27 secondes.
L'atmosphère injectee dans le four est obtenue à l'aide d'un melange azote-méthanol, dans le rapport 40/60 (atmosphère dite "endothermique"). Le debit de l'atmosphere injectee est de 19 m3/heure.
30 La consommation d'atmosphere par cycle (de 7 minutes) est donc de 2,22m3.
Les variations du potentiel carbone relevees dans le four sont représentees sur la figure 6. Le potentiel carbone, qul était de 0,8 %
avant l'ouverture de la porte, chute à 0,1 % après une minute puis remonte progressivement à 0,8 % (0,4 ~ apr~s 3 minutes).
EXEMPLE 2 :
. . . _ Dans le m~me four, toutes choses egales par ailleurs, on traite les me^mes piaces pour obtenir les mêmes conditions finales que dans 12595~
l'exemple 1. L'atmosphere injectee dans le four dans l'exemple précedant est remplac~e par une atmosphère de composition variable, pendant des durées variables, representées sur la fig~re 7.
Trente secondes avant l'ouverture de la porte et pendant deux minutes! on injecte l'atmosphere Atm ~ avec un rapport azote/méthanol égal à 20/80 sous un debit de 24 m3/h.Puis on in~ecte l'atmosphère Atm sous un d~bit de 12 m3/h, pendant 3 minutes et 50 secondes. La consommation de gaz pendant un cycle est de 1,57 m3. LRS variations du potentiel car~one sont repr~sentées sur la figure 8 à l'echelle. (A noter lO que sur l'échelle des temps (fig~res 6, 7 et 8), F représente l'instant de fermeture de la porte du four). La profondeur cementée à 550 HVl des pieces du lot est comprise entre 0,7 et 0,9 mm.
Ainsi, on a reduit la duree du cylce de 17 % (de 7 mn à 5 mn 50 s) et la conscmmation d'atmosphere de 29 %. Une telle reduction de temps 15 de cycles, toutes choses egales par ailleurs, represente un gain considerable pour i'homme de metier.
Claims (12)
1. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
dans lequel on injecte un gaz porteur et un hydrocarbure susceptibles d'engendrer aux températures usuelles de cémentation, une atmosphère de composition prédéterminée, ayant une concentration nominale en monoxyde de carbone, une porte du four étant ouverte avec une périodicité
déterminée pour permettre le passage d'une charge à cémenter, l'ouverture de cette porte engendrant notamment une augmentation de la concentration des espèces oxydantes dans l'atmosphère dudit four, caractérisé en ce que l'on augmente avec la même périodicité la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée dans le four, de manière à compenser l'augmentation de la concentration en espèces oxydantes du four et maintenir ainsi sensiblement constant le potentiel carbone de l'atmosphère de cémentation du four pendant toute la durée de cémentation desdites pièces.
dans lequel on injecte un gaz porteur et un hydrocarbure susceptibles d'engendrer aux températures usuelles de cémentation, une atmosphère de composition prédéterminée, ayant une concentration nominale en monoxyde de carbone, une porte du four étant ouverte avec une périodicité
déterminée pour permettre le passage d'une charge à cémenter, l'ouverture de cette porte engendrant notamment une augmentation de la concentration des espèces oxydantes dans l'atmosphère dudit four, caractérisé en ce que l'on augmente avec la même périodicité la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée dans le four, de manière à compenser l'augmentation de la concentration en espèces oxydantes du four et maintenir ainsi sensiblement constant le potentiel carbone de l'atmosphère de cémentation du four pendant toute la durée de cémentation desdites pièces.
2. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation de la concentration de monoxyde de carbone se fait des l'ouverture de la porte.
selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation de la concentration de monoxyde de carbone se fait des l'ouverture de la porte.
3. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon la revendication 2, caractérisé en ce que des la fermeture de la porte du four, on ramène la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée à sa valeur nominale dans la composition prédéterminée.
selon la revendication 2, caractérisé en ce que des la fermeture de la porte du four, on ramène la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée à sa valeur nominale dans la composition prédéterminée.
4. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon la revendication 2, caractérisé en ce que dès la fermeture de la porte du four, mais avec une temporisation règlable, on ramène la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée à sa valeur nominale dans la composition prédéterminée.
selon la revendication 2, caractérisé en ce que dès la fermeture de la porte du four, mais avec une temporisation règlable, on ramène la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée à sa valeur nominale dans la composition prédéterminée.
5. Procédé de cémentation rapide dans un four continu ferme selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injection de monoxyde de carbone précède de quelques instants l'ouverture de la porte.
6. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation de la concentration en monoxyde de carbone se fait dès la fermeture de la porte ou précède celle-ci de quelques instants lorsque la durée de l'ouverture de la porte est prédéterminée, pendant un intervalle de temps prédéterminé, avant retour à la concentration nominale.
selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation de la concentration en monoxyde de carbone se fait dès la fermeture de la porte ou précède celle-ci de quelques instants lorsque la durée de l'ouverture de la porte est prédéterminée, pendant un intervalle de temps prédéterminé, avant retour à la concentration nominale.
7. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le retour à la valeur nominale de la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée s'effectue lorsque le potentiel carbone mesuré dans l'enceinte est revenu sensiblement à une valeur de consigne prédéterminée.
selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le retour à la valeur nominale de la concentration en monoxyde de carbone de l'atmosphère injectée s'effectue lorsque le potentiel carbone mesuré dans l'enceinte est revenu sensiblement à une valeur de consigne prédéterminée.
8. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de l'atmosphère injectée dans le four est augmenté au moins pendant une partie de la durée de l'injection d'atmosphère à concentration en monoxyde de carbone supérieure à la valeur nominale.
selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de l'atmosphère injectée dans le four est augmenté au moins pendant une partie de la durée de l'injection d'atmosphère à concentration en monoxyde de carbone supérieure à la valeur nominale.
9. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'augmentation de débit de gaz porteur correspond à 1,5 à 4 fois la valeur nominale du débit.
selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'augmentation de débit de gaz porteur correspond à 1,5 à 4 fois la valeur nominale du débit.
10. Procédé de cémentation rapide dans un four continu ferme selon la revendication 9, caractérisé en ce que la durée de l'injection du gaz porteur ayant une concentration en monoxyde de carbone supérieure à la valeur nominale est comprise entre 5 et 50 % de la durée totale du traitement.
11. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz porteur à
concentration en CO supérieure à la valeur nominale est obtenu au moins partiellement à partir d'un mélange azote-méthanol avec un rapport volumique R1 = tel que 1/20 ? R1 ? 3,7, N2 et MeoH représentant respectivement les concentrations en azote et en méthanol.
selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz porteur à
concentration en CO supérieure à la valeur nominale est obtenu au moins partiellement à partir d'un mélange azote-méthanol avec un rapport volumique R1 = tel que 1/20 ? R1 ? 3,7, N2 et MeoH représentant respectivement les concentrations en azote et en méthanol.
12. Procédé de cémentation rapide dans un four continu fermé
selon les revendications 1 à 3, dans lequel on utilise un mélange d'azote et de méthanol pour engendrer le gaz porteur, caractérisé en ce que le débit d'azote reste constant pendant toute la durée du procédé, le débit de méthanol variant selon les variations de concentration de l'atmosphère en monoxyde de carbone.
selon les revendications 1 à 3, dans lequel on utilise un mélange d'azote et de méthanol pour engendrer le gaz porteur, caractérisé en ce que le débit d'azote reste constant pendant toute la durée du procédé, le débit de méthanol variant selon les variations de concentration de l'atmosphère en monoxyde de carbone.
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