CA2498929C - Rapid cooling method for parts by convective and radiative transfer - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE REFROIDISSEMENT RAPIDE DE PIECES PAR
TRANSFERT CONVECTIF ET RADIATIF
La présente invention vise de façon générale le traitement thermique des métaux et plus particulièrement l'opération de trempe gazeuse de pièces en acier ayant subi au préalable un traitement thermique (tel chauffage avant trempe, recuit, revenu) ou thermochimique (tel cémentation, carbonitruration). De telles trempes gazeuses sont généralement réalisées en faisant circuler un gaz sous pression en circuit fermé entre une charge et un circuit de refroidissement. Pour des raisons pratiques, les installations de trempe au gaz fonctionnent généralement sous des pressions comprises entre quatre et vingt fois la pression atmosphérique (4 à 20 bars ou 4000 à 20000 hectopascals). Pour désigner la pression, on utilisera dans la présente description comme unité le bar, étant entendu qu'un bar est égal à 1000 hPa.
La figure 1 représente de façon très schématique un exemple d'installation de trempe gazeuse. Cette installation 1 contient une charge 2 à refroidir disposée dans une enceinte étanche 3. La charge est typiquement entourée de plaques de déflection 4 pour guider la circulation de gaz. Une entrée de gaz 5 permet d'introduire sous pression un mélange gazeux souhaité étant entendu que l'on peut par exemple introduire les gaz de refroidissement sous forme d'un mélange pré-formé ou que l'on peut prévoir plusieurs entrées de gaz distinctes pour introduire séparément divers gaz de refroidissement. Il est couramment prévu un accès de mise sous vide de l'enceinte (non représenté). Une turbine 6 actionnée par un moteur 7 permet d'assurer la circulation des gaz, par exemple en passant d'un circuit de refroidissement 9 vers la charge à refroidir 2. Le circuit de refroidissement 9 est couramment constitué de tuyaux dans lesquels circule un fluide de refroidissement.
L'installation de la figure 1 n'a été représentée qu'à
titre d'exemple de l'une de nombreuses structures possibles et existantes pour assurer la circulation d'un gaz de RAPID COOLING PROCESS OF PARTS BY
CONVECTIVE AND RADIATIVE TRANSFER
The present invention is aimed in general at the heat treatment of metals and more particularly the gaseous quenching operation of steel parts having undergone prior to a heat treatment (such heating before quenching, annealed, tempered) or thermochemical (such as cementation, carbonitriding). Such gas quenching is generally realized by circulating a pressurized gas in circuit closed between a load and a cooling circuit. For practical reasons, gas quenching plants generally operate under pressures between four and twenty times the atmospheric pressure (4 to 20 bars or 4000 to 20000 hectopascals). To designate the pressure, will use in this description as a unit the bar, being heard that a bar is equal to 1000 hPa.
Figure 1 very schematically represents a example of gas quenching installation. This installation 1 contains a charge 2 to be cooled arranged in a chamber 3. The load is typically surrounded by deflection 4 to guide the flow of gas. An entry of gas 5 makes it possible to introduce under pressure a gaseous mixture it is understood that, for example, it is possible to introduce the cooling gas in the form of a pre-formed mixture or that several separate gas inputs can be provided for separately introduce various cooling gases. It is commonly provided vacuum access to the enclosure (no represent). A turbine 6 driven by a motor 7 allows to ensure the circulation of gases, for example by moving from one cooling circuit 9 to the charge to be cooled.
cooling circuit 9 is commonly made of pipes in which circulates a cooling fluid.
The installation of Figure 1 has only been shown in as an example of one of many possible structures and exist to ensure the circulation of a
2 refroidissement dans une enceinte. De façon classique, la pression est de l'ordre de 4 à 20 bars pendant la phase de refroidissement. De nombreuses variantes sont possibles, quant à
la disposition de la charge, au sens de circulation des gaz et au mode de mise en circulation de ces gaz.
Pour des raisons pratiques, le gaz le plus couramment utilisé pour assurer le refroidissement est l'azote étant donné
qu'il s'agit d'un gaz inerte et peu coûteux. En outre, sa densité est bien adaptée à des installations simples à
soufflantes ou turbines et son coefficient de transfert thermique est suffisamment satisfaisant. En effet, il est connu, dans les systèmes de trempe gazeuse, que la descente en température doit être la plus rapide possible pour que la transformation de l'acier se fasse de façon satisfaisante de la phase austénitique à la phase martensitique sans passer par des phases perlitique et/ou bainitique.
Toutefois, on s'aperçoit que dans certains cas critiques, les installations de trempe à l'azote ne permettent pas d'obtenir une vitesse de décroissance en température suffisante. On a donc essayé des trempes à l'hydrogène ou à
l'hélium. Un inconvénient de l'utilisation de ces gaz est que les installations existantes, dimensionnées pour la trempe sous azote, en particulier en ce qui concerne la puissance de ventilation, ne sont pas optimisées pour l'utilisation de gaz de densité sensiblement différente. En outre, l'hélium est un gaz sensiblement plus coûteux que l'azote, tandis que l'hydrogène présente des risques d'inflammabilité et son utilisation nécessite de prendre des précautions particulières.
Il faut d'ailleurs souligner que toutes ces approches antérieures (telles celles recommandant l'utilisation d'hydrogène ou d'hélium) étaient basées sur une recherche d'amélioration du seul transfert convectif au sein de la chambre de traitement.
Pour illustrer l'art antérieur, on peut également citer l'approche particulière du document EP-1 050 592, qui prévoit 2 cooling in an enclosure. In a classical way, the pressure is of the order of 4 to 20 bars during the cooling. Many variations are possible, as the arrangement of the load, in the sense of circulation of gases and the method of putting these gases into circulation.
For practical reasons, the most common gas used to ensure cooling is nitrogen given it is an inert and inexpensive gas. In addition, density is well suited to simple installations to blowers or turbines and its transfer coefficient thermal is sufficiently satisfactory. Indeed, it is known, in gas quenching systems, that the descent into temperature should be as fast as possible so that the transformation of steel is satisfactorily done in the austenitic phase to the martensitic phase without going through pearlitic and / or bainitic phases.
However, we can see that in some cases critical, nitrogen quenching not to get a decay rate in temperature sufficient. So we tried hydrogen quenching or helium. A disadvantage of using these gases is that existing installations, sized for soaking under nitrogen, particularly with regard to the potency of ventilation, are not optimized for the use of significantly different density. In addition, helium is a gas significantly more expensive than nitrogen, while hydrogen presents flammability risks and its use requires special precautions.
It must be emphasized that all these approaches (such as those recommending the use of hydrogen or helium) were based on research improvement of the only convective transfer within the chamber treatment.
To illustrate the prior art, mention may also be made of the particular approach of EP-1 050 592, which provides for
3 la présence de gaz tels C02 ou NH3 dans le gaz de trempe, mais en ne notant pas d'amélioration supplémentaire dans l'efficacité de trempe par rapport aux mélanges inertes déjà pratiqués, l'utilité de leur présence étant surtout liée d'après le document à deux aspects, d'une part l'obtention simultanée d'effets thermochimiques (oxydation, nitruration etc....) ce que l'on conçoit et d'autre part l'intégration physique facilité
dans un procédé global de traitement thermique (ex : dans un procédé de cémentation) puisque la trempe en aval peut alors utiliser les même gaz que le traitement proprement dit situé en amont.
Toujours dans le domaine du C02, on pourra également se reporter aux deux documents suivants où lorsque C02 est évoqué
dans des opérations de trempe c'est dans une toute autre application (par exemple en plasturgie comme dans le document WO
00/07790) ou encore sous forme liquide comme dans le document WO 97/15420.
Dans ce contexte , un des objets de la présente invention est de prévoir une installation de trempe utilisant un gaz de refroidissement thermiquement plus efficace que l'azote mais qui soit peu coûteux et simple à utiliser, permettant d'assurer le refroidissement des matériaux les plus exigeants.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de refroidissement utilisant un gaz compatible avec les installations existantes fonctionnant actuellement à l'azote (et donc ne nécessitant aucune modification significative d'installation).
Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit, dans un procédé de refroidissement rapide de pièces métalliques à l'aide d'un gaz de refroidissement sous pression, l'utilisation d'un gaz de refroidissement qui comprend un ou plusieurs gaz absorbant le rayonnement infra-rouge, choisi(s) de façon à améliorer le transfert thermique à la pièce en conjuguant les phénomènes de transferts radiatif et convectif, et de façon à améliorer 3 the presence of gases such as CO2 or NH3 in the quenching gas, but noting further improvement in the effectiveness of quenching compared to the inert mixtures already practiced, the usefulness of their presence being mostly linked according to the document with two aspects, on the one hand, simultaneous thermochemical effects (oxidation, nitriding, etc.) what we conceive and secondly the physical integration facilitated in a global heat treatment process (eg in a cementation process) since the quenching downstream can then use the same gases as the actual treatment located in upstream.
Still in the field of CO2, we will also be able to refer to the following two documents where when C02 is evoked in quenching operations it is in a completely different application (for example in plastics as in the document WO
00/07790) or in liquid form as in the document WO 97/15420.
In this context, one of the objects of this invention is to provide a quenching installation using a cooling gas thermally more efficient than nitrogen but is inexpensive and easy to use, allowing to ensure the cooling of the most demanding materials.
Another object of the present invention is to provide a cooling process using a gas compatible with existing facilities currently running on nitrogen (and therefore not requiring any significant modification Installation).
To achieve these objects, the present invention provides, in a process of rapid cooling of metal parts using a cooling gas under pressure, the use of a cooling gas which comprises one or more radiation absorbing gases infra-red, chosen to improve the transfer thermal room by combining the phenomena of radiative and convective transfers, and in order to improve
4 le coefficient de transfert convectif par rapport aux conditions traditionnelles de refroidissement sous azote.
On conçoit que la notion d' amélioration par rapport aux conditions traditionnelles de refroidissement sous azote doit s'entendre selon l'invention comme comparant des conditions identiques de pression, température ou encore installation de trempe.
Le procédé selon l'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes - le gaz de refroidissement comprend également un gaz additif choisi parmi l'hélium, l'hydrogène ou leurs mélanges.
- le gaz de refroidissement comprend en outre un gaz complémentaire.
- la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit du même ordre de grandeur que celle de l'azote.
- la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à optimiser le coefficient de transfert convectif par rapport aux coefficients de transfert convectif de chacun des constituants du gaz de refroidissement pris individuellement.
- l'opération de refroidissement est menée au sein d'une enceinte où sont disposées les pièces à traiter, munie d'un système d'agitation de gaz, et la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit adaptée audit système d'agitation de l'enceinte , sans qu'il soit nécessaire d'y apporter des modifications significatives.
- la composition du gaz de refroidissement est ajustée également de façon à ce qu'il puisse se produire, durant la phase de refroidissement des pièces, des réactions chimiques endothermiques entre le ou un des gaz absorbant et un autre des constituants du gaz de refroidissement.
- ledit gaz absorbant le rayonnement infra-rouge est le C02.
- ledit gaz absorbant le rayonnement infra-rouge est choisi dans le groupe formé des hydrocarbures saturés ou insaturés, de CO, H2O, NH3, NO, N20, NO2 et leurs mélanges.
- la teneur en gaz absorbant dans le gaz de refroidissement est comprise entre 5 et 100%, de préférence entre 20 et 80%.
- le gaz de refroidissement est un mélange binaire C02-He, dont la teneur en CO2 est comprise entre 30 et 80 %.
- le gaz de refroidissement est un mélange binaire C02-H2, dont la teneur en C02 est comprise entre 30 et 60 %.
- on effectue une opération de recyclage du gaz de refroidissement après usage, apte à re-comprimer le gaz avant une utilisation ultérieure, et le cas échéant également à
séparer et/ou épurer pour ainsi récupérer tout ou partie des constituants du gaz de refroidissement.
L'invention concerne également un procédé de refroidissement rapide de pièces métalliques à l'aide d'un gaz de refroidissement sous pression, procédé dans lequel on met en oeuvre les mesures suivantes le gaz de refroidissement comprend une teneur comprise entre 5% et 80% en volume de un ou plusieurs gaz absorbant le rayonnement infra-rouge, choisi(s) du groupe comprenant des hydrocarbures saturés ou insaturés, de CO2, CO, H2O, HN3, NO, N20, NO2, et leurs mélanges de façon à améliorer le transfert thermique à la pièce en conjuguant les phénomènes de transferts radiatif et convectif, et de façon à améliorer le coefficient de transfert convectif et radiatif par rapport à l'azote dans des conditions similaires de refroidissement;
5a le gaz de refroidissement comprend également un gaz additif présentant une bonne aptitude au transfert de chaleur convectif choisi parmi l'hélium, l'hydrogène et leurs mélanges;
la composition du gaz de refroidissement étant ajustée également de façon à obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit voisine de celle de l'azote.
L'invention concerne également l'utilisation dans une installation de refroidissement rapide de pièces métalliques à
l'aide d'un gaz de refroidissement sous pression, installation optimisée pour un fonctionnement sous azote, d'un gaz de refroidissement comprenant de 20 à 80% d'un gaz absorbant le rayonnement infra-rouge et de 80 à 20% d'hydrogène ou d'hélium ou de leurs mélanges, la composition du gaz de refroidissement étant ajustée pour qu'il ne soit pas nécessaire d'apporter de modifications significatives à l'installation.
L'invention concerne en outre l'utilisation dans une installation de refroidissement rapide de pièces métalliques à
l'aide d'un gaz de refroidissement sous pression, installation munie d'un système d'agitation, d'un gaz de refroidissement comprenant de 20 à 80% d'un gaz absorbant le rayonnement infra-rouge choisi(s) dans le groupe comprenant des hydrocarbures saturés ou insaturés, de CO2, CO, H2O, NH3, NO, N20, NO2, et leurs mélanges, et comprenant de 80 à 20%
d'hydrogène ou d'hélium ou de leurs mélanges, la composition du gaz de refroidissement étant ajustée pour obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit voisine de celle de l'azote, permettant ainsi d'obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué
qui soit adaptée audit système d'agitation pour qu'il ne soit pas nécessaire d'apporter de modifications significatives à
l'installation.
5b Comme on l'aura compris les notions selon l'invention de choix du ou des gaz absorbant, ou encore d' ajustement pour atteindre des propriétés souhaitées de coefficient de transfert, ou de densité ou encore de caractère endothermique, doit s'entendre comme concernant la nature des constituants du mélange et/ou leur teneur dans ce mélange.
C'est donc le mérite de la présente invention de s'être démarquée de l'approche traditionnelle de l'art antérieur d'amélioration simple des conditions de transfert convectif, pour se rendre compte que la part du transfert radiatif dans le transfert thermique global est située entre environ 7 et 10%
(dans la gamme allant de 400 à 1050 C), donc très significative, et qu'il était donc tout à fait avantageux de s'intéresser à cet aspect du transfert pour le prendre en compte et l'exploiter.
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, décrite précédemment, représente un exemple d'installation de trempe au gaz ;
- les figures 2A et 2B représentent le coefficient de transfert thermique convectif de différents mélanges de gaz à
diverses pressions, dans le cas d'un fluide en écoulement parallèle entre des cylindres; et - la figure 3 représente des courbes de variation de température en fonction du temps pour divers gaz de trempe utilisés dans les mêmes conditions.
Selon la présente invention, on propose d'utiliser comme gaz de trempe un gaz absorbant le rayonnement infra-rouge ou un mélange à base de tels gaz absorbant le rayonnement infra-rouge (ci-après désigné par gaz absorbant), tel que le dioxyde de carbone (C02), et additionné le cas échéant d'un ou de plusieurs gaz présentant une bonne aptitude au transfert de chaleur convectif (ci-après désigné par gaz additif), tel que l'hélium ou l'hydrogène.
Un tel mélange présente l'avantage, par rapport aux gaz ou mélanges de gaz de trempe traditionnels utilisant des gaz transparents aux rayonnements infra-rouges, comme l'azote, l'hydrogène, et l'hélium, d'absorber de la chaleur à la fois par phénomènes convectif et radiatif, augmentant ainsi le flux de chaleur global extrait d'une charge à refroidir.
On peut éventuellement ajouter à ce mélange, d'autres gaz, ci-après désignés par gaz complémentaire, tel que l'azote, envisagé aussi bien comme simple gaz porteur que dans un rôle plus actif permettant comme on le verra plus loin d'optimiser les propriétés du mélange de gaz comme la densité, la conductivité thermique, la viscosité etc..
Selon un des modes de réalisation de la présente invention, tel qu'illustré en figures 2A et 2B, on propose d'utiliser certains mélanges de gaz tels que définis ci-dessus, qui présentent en outre de meilleurs coefficients de transfert thermique convectif (kg) en Watt par mètre carré et par Kelvin que chacun des gaz pris séparément.Comme on l'a vu précédemment en effet, selon un des modes avantageux de mise en oeuvre de l'invention, on va ajuster la composition du gaz de refroidissement de façon à optimiser le coefficient de transfert convectif par rapport aux coefficients de transfert convectif de chacun des constituants du gaz de refroidissement pris individuellement. On doit entendre alors par optimisation ici le fait de se situer au maximum de la courbe considérée, ou bien plus bas (par exemple pour des raisons économique) mais en tout état de cause de façon à
disposer d'un coefficient de transfert convectif qui soit meilleur que chacun des coefficients de transfert convectif de chacun des constituants du gaz de refroidissement pris individuellement.
Selon un autre mode avantageux de mise en oeuvre de la présente invention, il est proposé d'utiliser un mélange de gaz absorbant (et le cas échéant de gaz additif), avec éventuellement l'ajout de gaz complémentaires, dans des conditions optimisées de densité telles que l'on peut effectuer une trempe dans des installations de trempe habituellement prévues et optimisées pour fonctionner en présence d'azote. Pour cela, on mélange par exemple au dioxyde de carbone de l'hélium, pris comme gaz additif, de telle sorte à combiner une optimisation du coefficient de transfert de chaleur par convection et une densité moyenne du mélange qui soit du même ordre de grandeur que celle de l'azote. On peut alors utiliser les installations existantes avec des vitesses et puissances de ventilation comparables et les structures de ventilation et de déflection de gaz existantes, sans avoir à apporter de modifications significatives à l'installation.
Ceci présente l'avantage que, dans une installation donnée, optimisée pour une trempe à l'azote, l'utilisateur pourra, en temps normal, quand cela convient aux matériaux envisagés, utiliser l'azote comme gaz de trempe et, seulement dans des cas particuliers des matériaux plus exigeants, i.e quand les conditions spécifiques des pièces ou des aciers à
traiter nécessitent des traitements particuliers, utiliser par exemple le mélange de dioxyde de carbone et d'hélium donné en exemple ou encore le mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène également exemplifié ici.
Bien entendu comme il apparaîtra clairement à l'homme du métier, si l'invention a tout particulièrement été illustrée dans ce qui précède à l'aide du C02, d'autres gaz absorbant le rayonnement IR sont également envisageables ici sans sortir à
aucun moment du cadre de la présente invention tels les hydrocarbures saturés ou insaturés, CO, H2O, NH3, NO, N20, NO2 et leurs mélanges.
De même si l'on a tout particulièrement insisté dans ce qui précède sur un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention où l'on va ajuster les concentrations des différents gaz pour obtenir à la fois de bonnes performances de transfert thermique et des conditions de densité proches de l'azote afin de ne pas avoir à modifier de façon significative l'installation, on peut sans sortir du cadre de la présente invention choisir de privilégier les conditions optimum de transfert thermique, quitte à utiliser des mélanges de densité
plus éloignée de celle de l'azote, et devoir alors apporter des modifications à l'installation, notamment au moteur d'agitation (adoption d'un moteur de puissance nominale différente, ou encore d'un système de variateur de vitesse). Ceci pourrait être par exemple le cas pour un mélange gazeux comportant 90% de C02 et 10% d'hydrogène dont la densité est environ 40% plus élevée que celle de l'azote.
La figure 2A représente, pour des pressions de 5, 10 et 20 bars, le coefficient de transfert thermique convectif kH d'un mélange de C02 et d'hélium, pour diverses proportions de C02 dans le mélange. Ainsi, les abscisses donnent le rapport entre la concentration de C02, c(C02), et la concentration totale de C02 et He, c(C02+He). On s'aperçoit que le coefficient de transfert thermique convectif présente un maximum pour des valeurs de concentration de C02 comprises entre environ 40 et 70%, en l'occurrence d'environ 650 W/m2/K à 20 bars pour une concentration de l'ordre de 60%. Ainsi, le mélange présente non seulement l'avantage d'avoir une densité voisine de celle de l'azote mais en plus de présenter un coefficient de transfert thermique convectif plus élevé que celui de C02 pur.
La figure 2B représente des courbes similaires pour des mélanges de dioxyde de carbone (C02) et d'hydrogène (H2). On s'aperçoit que l'on a un maximum du coefficient de transfert thermique convectif kH pour des valeurs de concentration de C02 comprises entre environ 30 à 50%, en l'occurrence d'environ 850 W/m2/K à 20 bars pour une concentration de l'ordre de 40%. En outre, on note que le coefficient de transfert thermique convectif kH est meilleur pour un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène que pour un mélange de C02 et d'hélium.
Un autre avantage de l'utilisation d'un tel mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène est que, dans les conditions usuelles de trempe de pièces en acier, il se produit des réactions chimiques endothermiques entre le C02 et l'hydrogène, ce qui contribue encore à la rapidité du refroidissement. Par ailleurs, on constate que, en présence de C02 le risque d'explosion lié à l'hydrogène est sensiblement réduit, même s'il se produit une introduction malencontreuse d'oxygène.
La figure 3 illustre le résultat de calculs simulant le refroidissement par transfert convectif d'un cylindre en acier 4 the convective transfer coefficient with respect to traditional conditions of cooling under nitrogen.
It is conceivable that the notion of improvement by compared to traditional cooling conditions under nitrogen must be understood according to the invention as comparing identical pressure conditions, temperature or quenching plant.
The process according to the invention may furthermore adopt one or more of the technical characteristics following the cooling gas also comprises a additive gas chosen from helium, hydrogen or their mixtures.
the cooling gas further comprises a complementary gas.
- the composition of the cooling gas is adjusted also to obtain an average density of cooling gas thus constituted which is of the same order of magnitude than that of nitrogen.
- the composition of the cooling gas is also adjusted to optimize the coefficient of convective transfer with respect to the coefficients of convective transfer of each of the constituents of the gas of cooling taken individually.
- the cooling operation is carried out within of an enclosure where are arranged the parts to be treated, equipped of a gas stirring system, and the composition of the gas of cooling is also adjusted so as to obtain a average density of the cooling gas thus constituted which is adapted to said stirring system of the enclosure, without that it is necessary to make modifications significant.
- the composition of the cooling gas is adjusted also so that it can occur, during the cooling phase of the parts, endothermic chemical reactions between the gas absorbent and another of the constituents of the gas of cooling.
- said gas absorbing infra-red radiation is the C02.
- said gas absorbing infra-red radiation is chosen from the group consisting of saturated hydrocarbons or unsaturated, CO, H 2 O, NH 3, NO, N 2 O, NO 2 and mixtures thereof.
- the absorbing gas content in the gas of cooling is between 5 and 100%, preferably between 20 and 80%.
the cooling gas is a C02-He binary mixture, whose CO2 content is between 30 and 80%.
the cooling gas is a CO 2 -H 2 binary mixture, whose CO2 content is between 30 and 60%.
a recycling operation is carried out on the gas of cooling after use, able to re-compress the gas before further use, and where appropriate also separate and / or purge to recover all or part of constituents of the cooling gas.
The invention also relates to a method of rapid cooling of metal parts using a gas pressure cooling process, in which process implement the following measures the cooling gas includes a content between 5% and 80% by volume of one or more gases absorbing infra-red radiation, chosen from the group including saturated or unsaturated hydrocarbons, CO2, CO, H2O, HN3, NO, N2O, NO2, and mixtures thereof to improve heat transfer to the room by combining the phenomena of radiative and convective transfers, and in order to improve the coefficient of convective and radiative transfer compared with nitrogen under similar cooling conditions;
5a the cooling gas also includes a gas additive with good heat transfer ability convective chosen from helium, hydrogen and their mixtures thereof;
the composition of the cooling gas being adjusted also in order to obtain an average density of the gas of cooling thus constituted which is close to that of nitrogen.
The invention also relates to the use in a rapid cooling installation of metal parts to using a pressurized cooling gas, installation optimized for operation under nitrogen, a gas of cooling comprising from 20 to 80% of a gas absorbing infra-red radiation and 80 to 20% hydrogen or helium or their mixtures, the composition of the cooling gas being adjusted so that it is not necessary to bring significant changes to the installation.
The invention further relates to the use in a rapid cooling installation of metal parts to using a pressurized cooling gas, installation equipped with stirring system, cooling gas comprising from 20 to 80% of a radiation absorbing gas infra-red chosen from the group comprising saturated or unsaturated hydrocarbons, CO2, CO, H2O, NH3, NO, N20, NO2, and mixtures thereof, and comprising from 80 to 20%
hydrogen or helium or their mixtures, the composition cooling gas being adjusted to obtain a average density of the cooling gas thus constituted which close to that of nitrogen, thus making it possible to obtain an average density of the cooling gas thus constituted that is adapted to said agitation system so that it is not no need to make significant changes to installation.
5b As will be understood the concepts according to the invention of choice of absorbing gas (s), or adjustment to achieve desired properties of coefficient of transfer, or density or endothermic character, must be understood as concerning the nature of the constituents of the mixture and / or their content in this mixture.
It is therefore the merit of the present invention to be distinguished from the traditional approach of the prior art simple improvement of convective transfer conditions, to realize that the share of radiative transfer in the overall heat transfer is between about 7 and 10%
(in the range of 400 to 1050 C), so very significant, and it was therefore quite advantageous to take an interest in this aspect of the transfer to take it into account and exploit it.
These objects, features and benefits, as well as others of the present invention will be discussed in detail in the following description of particular embodiments made in a non-limiting manner in relation to the attached figures among :
FIG. 1, previously described, represents a example of a gas quenching installation;
FIGS. 2A and 2B show the coefficient of convective thermal transfer of different gas mixtures to various pressures, in the case of a fluid in parallel flow between cylinders; and FIG. 3 represents curves of variation of temperature versus time for various quenching gases used under the same conditions.
According to the present invention, it is proposed to use as a quenching gas a gas absorbing infra-red radiation or a mixture based on such gases absorbing the infra-red (hereinafter referred to as absorbing gas), such as dioxide carbon dioxide (C02), and if necessary supplemented by one or several gases with good transferability of convective heat (hereinafter referred to as additive gas), as helium or hydrogen.
Such a mixture has the advantage over traditional gas or tempering gas mixtures using gases transparent to infrared radiation, such as nitrogen, hydrogen, and helium, to absorb heat both by convective and radiative phenomena, thus increasing the flow of global heat extracted from a charge to cool.
One can possibly add to this mixture, others gas, hereinafter referred to as a supplemental gas, such as nitrogen, considered both as a simple carrier gas and in a role more active allowing as we shall see further to optimize the properties of the gas mixture like density, thermal conductivity, viscosity etc.
According to one of the embodiments of this invention, as illustrated in FIGS. 2A and 2B, it is proposed to use certain gas mixtures as defined above, which also have better transfer coefficients convective heat (kg) in Watt per square meter and Kelvin that each of the gases taken separately. As we saw previously in fact, according to one of the advantageous modes of implementation of the invention, we will adjust the composition of the gas of cooling in order to optimize the coefficient of convective transfer versus transfer coefficients convective of each of the constituents of the cooling gas taken individually. We must then hear optimization here being at the maximum of the considered curve, or much lower (for example for economic reasons) but in any event so as to have a convective transfer coefficient that is better than each of the convective transfer coefficients of each of the components of the cooling gas taken individually.
According to another advantageous mode of implementation of the present invention, it is proposed to use a gas mixture absorbent (and, where appropriate, additive gas), with possibly the addition of complementary gases, in optimized density conditions such as one can perform a quenching in quenching facilities usually planned and optimized to operate in the presence of nitrogen. For this, for example, is mixed with carbon dioxide from helium, taken as an additive gas, so as to combine a optimization of the heat transfer coefficient by convection and a medium density of the mixture that is the same order of magnitude than that of nitrogen. We can then use existing installations with speeds and powers of comparable ventilation and ventilation and deflection of existing gases, without having to bring any significant changes to the installation.
This has the advantage that in an installation given, optimized for nitrogen quenching, the user may, in normal times, when appropriate for materials considered, use nitrogen as quenching gas and only in special cases more demanding materials, ie when the specific conditions of the parts or steels to need special treatments, use by example the mixture of carbon dioxide and helium given in example or even the mixture of carbon dioxide and hydrogen also exemplified here.
Of course as it will become clear to the man of the craft, if the invention has been particularly illustrated in the above using CO2, other gases absorbing the IR radiation are also possible here without going out to no part of the scope of the present invention such as saturated or unsaturated hydrocarbons, CO, H2O, NH3, NO, N2O, NO2 and their mixtures.
Similarly, if we insisted particularly in this which precedes an advantageous mode of implementation of invention where we will adjust the concentrations of different gases to achieve both good performance of thermal transfer and density conditions close to nitrogen so you do not have to change significantly the installation, it is possible without departing from the scope of this invention choose to favor the optimum conditions of thermal transfer, even if using density mixtures farther away from that of nitrogen, and then modifications to the installation, especially to the stirring motor (adoption of a motor of different rated power, or still a speed variator system). This could be for example the case for a gaseous mixture comprising 90% C02 and 10% hydrogen whose density is about 40% higher than that of nitrogen.
Figure 2A shows, for pressures of 5, 10 and 20 bar, the convective heat transfer coefficient kH of a mixture of CO2 and helium, for various proportions of CO2 in the mixture. Thus, the abscissas give the relationship between the concentration of CO2, c (C02), and the total concentration of CO 2 and He, c (CO 2 + He). We can see that the coefficient of convective heat transfer presents a maximum for CO 2 concentration values between about 40 and 70%, in this case about 650 W / m2 / K at 20 bar for a concentration of about 60%. So, the mixture has no only the advantage of having a density close to that of nitrogen but in addition to having a transfer coefficient higher convective thermal than pure CO2.
Figure 2B shows similar curves for mixtures of carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2). We realizes that we have a maximum of the transfer coefficient convective thermal kH for C02 concentration values between about 30 to 50%, in this case about 850 W / m2 / K at 20 bar for a concentration of about 40%. In In addition, it is noted that the heat transfer coefficient convective kH is better for a mixture of carbon dioxide and hydrogen only for a mixture of CO2 and helium.
Another advantage of using such a mixture of carbon dioxide and hydrogen is that under the conditions the usual quenching of steel parts, endothermic chemical reactions between CO2 and hydrogen, which further contributes to the rapidity of cooling. By Moreover, it is found that in the presence of C02 the risk hydrogen-related explosion is significantly reduced, even though an unfortunate introduction of oxygen occurs.
Figure 3 illustrates the result of calculations simulating the convective transfer cooling of a steel cylinder
5 avec divers gaz de refroidissement dans le cas de l'écoulement du mélange parallèlement à la longueur des cylindres (cylindres simulant le cas de pièces allongées). On a représenté des courbes pour l'azote pur (N2), pour un mélange à 60% de C02 et 40% d'hélium, pour de l'hydrogène pur, et pour un mélange à 40%
10 de C02 et 60% d'hydrogène. On constate que c'est ce dernier mélange qui donne les meilleurs résultats, c'est-à-dire la plus grande vitesse de refroidissement entre 850 et 500 C. Pour ce dernier mélange, l'amélioration de la vitesse de trempe est de l'ordre de 20% par rapport à l'hydrogène seul et de l'ordre de 100% par rapport à l'azote seul.
Bien entendu, comme déjà souligné précédemment, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme du métier, notamment en ce qui concerne le choix des gaz, l'optimisation des proportions de chaque gaz, étant entendu que l'on pourra si on le souhaite utiliser des mélanges ternaires tels CO2-He-H2 et que l'on pourra éventuellement rajouter d'autres gaz, appelés plus haut gaz complémentaires.
----------------------------. 5 with various cooling gases in the case of flow of the mixture parallel to the length of the cylinders (cylinders simulating the case of elongated parts). There have been representations of curves for pure nitrogen (N2), for a mixture with 60% CO2 and 40% helium, for pure hydrogen, and for a 40% mixture 10% CO 2 and 60% hydrogen. We see that it is the latter mixture that gives the best results, that is to say the most high cooling rate between 850 and 500 C. For this last mixture, the improvement of the quenching speed is the order of 20% compared to hydrogen alone and of the order of 100% compared to nitrogen alone.
Of course, as already pointed out above, present invention is susceptible of various variants and modifications which will appear to those skilled in the art, particularly in regarding the choice of gases, the optimization of the proportions of each gas, it being understood that it will be possible use ternary mixtures such as CO2-He-H2 and that one may possibly add other gases, called above complementary gases.
----------------------------.
Claims (12)
- le gaz de refroidissement comprend une teneur comprise entre 5% et 80% en volume de un ou plusieurs gaz absorbant le rayonnement infra-rouge, choisi(s) du groupe comprenant des hydrocarbures saturés ou insaturés, de CO2, CO, H2O, NH3, NO, N2O, NO2, et leurs mélanges, de façon à améliorer le transfert thermique à la pièce en conjuguant les phénomènes de transferts radiatif et convectif, et de façon à améliorer le coefficient de transfert convectif et radiatif par rapport à l'azote dans des conditions similaires de refroidissement;
- le gaz de refroidissement comprend également un gaz additif présentant une bonne aptitude au transfert de chaleur convectif choisi parmi l'hélium, l'hydrogène et leurs mélanges;
la composition du gaz de refroidissement étant ajustée également de façon à obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit voisine de celle de l'azote. 1. Process for rapid cooling of parts metals using a cooling gas under pressure, method in which the measures are implemented following:
- the cooling gas comprises a content between 5% and 80% by volume of one or more gases absorbing infrared radiation, chosen from the group comprising saturated or unsaturated hydrocarbons, CO2, CO, H2O, NH3, NO, N2O, NO2, and their mixtures, so as to improve heat transfer to the part by combining the phenomena of radiative and convective transfers, and so as to improve the convective and radiative transfer coefficient with respect to nitrogen under similar cooling conditions;
- the cooling gas also includes a gas additive having good heat transfer ability convective selected from helium, hydrogen and their mixtures;
the composition of the cooling gas being adjusted also so as to obtain an average gas density of cooling thus constituted which is close to that of nitrogen.
optimiser le coefficient de transfert convectif par rapport aux coefficients de transfert convectif de chacun des constituants du gaz de refroidissement pris individuellement. 4. Cooling method according to any of claims 1 to 3, characterized in that the composition of the cooling gas is also adjusted so as to optimize the convective transfer coefficient with respect to to the convective transfer coefficients of each of the constituents of the cooling gas taken individually.
moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit adaptée audit système d'agitation de l'enceinte, sans qu'il soit nécessaire d'y apporter des modifications significatives. 5. Cooling method according to any of claims 1 to 4, characterized in that the operation of cooling is carried out within an enclosure where arranged the parts to be treated, equipped with a stirring system of gas, and in that said adjustment making it possible to obtain a average density of the cooling gas thus formed which is close to that of nitrogen makes it possible to obtain a density average of the cooling gas thus formed which is adapted to said agitation system of the enclosure, without it be necessary to make significant changes.
80% d'un gaz absorbant le rayonnement infra-rouge choisi(s) dans le groupe comprenant des hydrocarbures saturés ou insaturés, de CO2, CO, H2O, NH3, NO, N2O, NO2, et leurs mélanges, et comprenant de 80 à 20-06 d'hydrogène, d'hélium ou de leurs mélanges, la composition du gaz de refroidissement étant ajustée pour obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit voisine de celle de l'azote, permettant ainsi d'obtenir une densité moyenne du gaz de refroidissement ainsi constitué qui soit adaptée audit système d'agitation pour qu'il ne soit pas nécessaire d'apporter de modifications significatives à l'installation. 12. Use in cooling plant rapid removal of metal parts using a gas cooling under pressure, installation provided with a system agitation, a cooling gas comprising from 20 to 80% of a gas absorbing infrared radiation selected from the group comprising saturated hydrocarbons or unsaturated, of CO2, CO, H2O, NH3, NO, N2O, NO2, and their mixtures, and comprising from 80 to 20-06 of hydrogen, helium or of their mixtures, the composition of the cooling gas being adjusted to obtain an average gas density of cooling thus constituted which is close to that of nitrogen, thus making it possible to obtain an average density of the gas cooling system thus constituted which is adapted to said stirring system so that it is not necessary make significant changes to the installation.
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