EP0451050B1 - Procédé et installation de traitement thermique d'objets avec trempe en milieu gazeux - Google Patents

Procédé et installation de traitement thermique d'objets avec trempe en milieu gazeux Download PDF

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EP0451050B1
EP0451050B1 EP91400900A EP91400900A EP0451050B1 EP 0451050 B1 EP0451050 B1 EP 0451050B1 EP 91400900 A EP91400900 A EP 91400900A EP 91400900 A EP91400900 A EP 91400900A EP 0451050 B1 EP0451050 B1 EP 0451050B1
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EP
European Patent Office
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helium
pressure
heat treatment
gas
buffer tank
Prior art date
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Revoked
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EP91400900A
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German (de)
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EP0451050A1 (fr
Inventor
Benoît Lhote
Philippe Queille
Jean-Pierre Zumbrunn
Eric Duchateau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Family has litigation
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Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP0451050A1 publication Critical patent/EP0451050A1/fr
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Publication of EP0451050B1 publication Critical patent/EP0451050B1/fr
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/767—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material with forced gas circulation; Reheating thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/773—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material under reduced pressure or vacuum

Definitions

  • the present invention relates to the heat treatment of objects with quenching in a gaseous medium.
  • the quenching gas is caused to recirculate in contact with said treated objects with cooling of the quenching gas by means of an external heat exchanger.
  • vacuum ovens suitable for gas quenching are equipped with a powerful recirculation blower and the gas injected under pressure into the oven enclosure is successively moved through the charge during treatment. There is therefore convection cooling while the gas thus heated then passes through a heat exchanger, water for example, which cools it before it is returned to the load of objects being treated.
  • the rate of cooling of the parts in an atmosphere depends, among other factors, on the pressure, the rate of recirculation and the nature of the gas.
  • the gas speed is imposed by the recirculation blower.
  • the pressure is controlled by the amount of gas injected into the oven; it is limited by the characteristics of the oven which define a maximum pressure admissible by the enclosure.
  • the gases commonly used for quenching are nitrogen and argon.
  • gases having a better heat conductivity hydrogen or helium (see for example EP-A-313 888)
  • EP-A-313 888 This promotes heat exchange by convection between the treated part and the cooling flow.
  • the gain obtained on the cooling speed makes it possible to quench under gas a wider range of materials; for a given treatment, it is also possible to reduce the pressure of the gas in the furnace, lowering the stresses to which the material is subjected, or else to increase the mass of material which can be treated during a cycle.
  • the technical problem underlying the present invention is the use of helium, or a mixture based on helium, in gas quenching treatments, while remaining economically competitive with conventional treatments under argon or nitrogen and this objective is achieved in that at the end of a quenching operation, the helium charge is extracted from the treatment enclosure, in the final phase by pump until a primary vacuum is obtained, the helium extracted at a purification pressure is brought by compressor associated with a mechanical filter, and the said helium is passed at purification pressure through a purifier for removing impurities, for transfer, if necessary, after recompression, in the buffer capacity.
  • the end of quenching helium which is polluted by impurities, in particular oxygen and water, present on the charge or in the furnace, by possible air leaks and by the recovery or recompression equipment, is recovered. after careful purification.
  • the helium at the purification pressure is collected in an intermediate capacity, after which it is sent to a permeation membrane separator delivering the purified helium under lower pressure, which is then dried and then discharged under pressure by the same compressor to the buffer capacity of the oven.
  • the helium extracted, recompressed to a pressure higher than the waiting pressure of the buffer capacity and mechanically filtered is brought to transfer into a device for purifying residual oxygen of the type to controlled addition of hydrogen for catalytic formation of water vapor, after which the gas is optionally cooled and dried, then transferred to said holding capacity.
  • the helium extracted, recompressed at a pressure higher than the waiting pressure of the buffer capacity and mechanically filtered is brought to transfer into a purification device of the catalytic type with oxygen scavenging. residual and regenerating the catalyst with a stream of hydrogen, after which the gas is optionally cooled and dried, then transferred to said holding capacity.
  • the helium extracted, recompressed to a pressure higher than the waiting pressure of the buffer capacity and mechanically filtered is brought to transfer into an oxygen purifying device and possibly residual water vapor, of the molecular sieve type allowing the adsorption of oxygen and possibly water vapor, the regeneration of which is ensured by depressurization or by increasing the temperature, after which the gas is if necessary cooled and dried, then transferred to said buffer capacity.
  • the helium extracted, brought to a purification pressure passes directly and substantially in its entirety through a purifier for removing impurities, if necessary after being collected in an intermediate capacity. It is also possible, in particular when the content of impurities in the extracted helium, to purify only a fraction of said extracted helium or to purify it only after it has been used for at least two successive quenching operations.
  • the invention also relates to an installation for the thermal treatment of objects with quenching in a gaseous medium incorporating at least substantially helium, of the type comprising a gas recirculation blower oven, connected on the one hand with valve lines to a capacity -buffer, on the other hand to a primary vacuum pump bypassed by a valve and expansion valve line, which is characterized in that it comprises, at the pump outlet, an equalization capacity, a compressor, a filter mechanical, a helium purifier, and if necessary, a dryer preferably trapped in water vapor by molecular sieve.
  • the installation may, if necessary, also include a valve line bypassing the helium purifier.
  • the invention provides for the interposition of an intermediate reservoir upstream of the purifier which is of the membrane separator type, the outlet of the purified gas of which is connected to a dryer and then by valve upstream of said compressor, the outlet of which is also directly connected by valve to the buffer tank.
  • the helium purifier is of the type with controlled addition of hydrogen for catalytic formation of water vapor.
  • the purification of helium is of the type with catalytic elimination of residual oxygen and regeneration of the catalyst by a stream of hydrogen.
  • the purification of helium can also be of the type with elimination by passage and adsorption on molecular sieve of oxygen and possibly of water vapor, the regeneration of said molecular sieves being done by depressurization or increase in temperature, possibly accompanied by passing a stream of pure gas.
  • a vacuum quenching furnace 1 is normally connected on the one hand to a buffer tank 2 by a pipe 3 with valve 4, on the other hand, to a vacuum pump 5 by a pipe of emptying 6 with valve 7.
  • the gas quenching is carried out, at the end of the temperature rise of the objects in the oven put under vacuum by the pump 5 (valve 7 open), by sudden discharge of the buffer capacity 2 in oven 1 by opening valve 4 (valves 7 and 27 closed).
  • a recirculation blower 8 ensures the homogenization of the atmosphere of the oven.
  • the buffer capacity 2 is recharged to a maximum pressure via a charging line 9.
  • the installation described above receives a helium recovery equipment at the end of quenching, which comprises, at the outlet of the emptying pump 5, a connecting pipe. 11 towards a waiting capacity 12, which successively incorporates a valve 10 on the discharge of the pump 5, a small equalizing capacity 29, a three-way valve 13, a compressor 14, an oil separator filter 15, a three-way valve 16.
  • the holding capacity 12 is connected by a pipe 17 with a valve 18 to the upstream high pressure compartment 19 of a permeator 20 with permeation membrane 21 for separation from a downstream low pressure compartment 22.
  • the high pressure compartment 19 is connected to an evacuation pipe 23 for impurities, while the purified helium arriving in the downstream compartment under low pressure 22 is dried at 35 and necessarily maintained under intermediate pressure via the compressor 14.
  • the three-way valve 16 is connected by a line 25 to the buffer capacity 2.
  • the vacuum pump 5 is by-passed through a line 26 with valve 27 and pressure regulator 28.
  • a helium charge is initially introduced via line 9 into the buffer capacity 2. Quenching is carried out in the usual manner by opening the valve 4 with unloading, for example, until a substantial equilibrium of part of the helium stored in the buffer capacity 2 and the quenching operation is carried out with recirculation of the helium by the blower 8 to an exchanger-cooler (not shown).
  • the polluted helium is first transferred from the furnace 1 to the holding capacity 12 (valve 27 open, valves 7 and 10 closed, pump 5 stopped), valve three tracks 13, the compressor 14, the oil separator filter 15, the three-way valve 16 open towards the holding tank 12, where the partially purified helium gas is stored under pressure thanks to the compressor 14 in operation (valve 18 closed).
  • the vacuum pump 5 is put into operation (valves 27 closed, valves 7 and 10 open) with delivery to the compressor 14 which acts as previously.
  • the pump 5 is stopped (valves 7 and 10 closed) and the three-way valves 13 and 16 switched to their second positions, where they respectively connect the downstream compartment 22 of the permeator 20 with the inlet of compressor 14 (through valve 13), the outlet of the oil separator filter with buffer capacity 2 (via valve 16).
  • the gaseous purification of the helium stored in the holding tank 12 can then be carried out by opening the valve 18, at the same time as the helium purified under low pressure collected and transported by the line 24 is recompressed by the compressor 14 to be stored in the buffer capacity 2. Once this operation is complete, the valve 18 is closed and the three-way valves 13 and 16 switched to their initial positions for free passage from the oven 1 to the waiting capacity 12.
  • Buffer capacity 2 having collected only a portion, which is however very substantial, of the helium used during quenching, additional filling is carried out via line 9 to reach normal operating pressure and a new operation helium quenching can then take place.
  • the slightly polluted helium is transferred from the furnace 1 to the open valve 16 towards the buffer tank 2, this after passage of the helium in the pump 5, the compressor 14 and the oil separator filter 15 as indicated above; the helium stored in buffer capacity 2 can then be reused for a new quenching operation.
  • the valve 16 is switched so as to allow the installation to operate according to the embodiment described above, and allowing its purification.
  • the recycling equipment is installed on a vacuum furnace with an internal volume of 10 m3 in which treatments of nickel-based alloy parts are carried out. After a plateau at a temperature of 1300 ° C., quenching is carried out under pure helium at a pressure of 2.5 bar absolute.
  • the helium is cold in the oven, at a pressure of 2.5 bar absolute.
  • the valve 27 is then opened and the gas is expanded at 28 in a circuit bypassing the primary vacuum pump of the oven; the gas is then recompressed 14, filtered and de-oiled at 15 and stored in a holding capacity 12 at a pressure higher than the buffer capacity 2 of the oven.
  • the valve 27 is closed, the valves 7 and 10 are open; the primary pump 5 is put into operation and sucks the gas to return it to the inlet of the compressor 14.
  • the oven 1 is then put into the air, then opened and ready for unloading-recharging.
  • the helium in the holding capacity 12 is already filtered and de-oiled beforehand; it is then purified in the membrane separator 20, recompressed at 14 and returned to the buffer tank 2 of the oven. You just need to fill in 9 the amount of helium lost during recovery, before starting another treatment cycle.
  • a cooler 34 followed by a dryer 35 of the type with water vapor trapping by molecular sieve and purged by a stream of nitrogen 36-36 ′, before reinjection. in buffer capacity 2 under waiting pressure.
  • a cooler 34 may optionally also be available.
  • at least two molecular sieves arranged in parallel are used, one being in operation and the other in regeneration by depressurization or increase in temperature, possibly accompanied by the passage of a stream of pure gas.

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Description

  • La présente invention concerne le traitement thermique d'objets avec trempe en milieu gazeux. Dans ce genre de technique, le gaz de trempe est amené à recirculer au contact desdits objets traités avec refroidissement du gaz de trempe au moyen d'un échangeur thermique externe.
  • Les traitements thermiques réalisés sous vide ou sous pression partielle de gaz neutre ou cémentant, dans des fours dits sous vide, nécessitent souvent un refroidissement rapide de la charge en fin de cycle. La trempe en milieu gazeux constitue une solution de remplacement avantageuse de la trempe en milieu liquide, permettant un meilleur contrôle de la cinétique de refroidissement, minimisant les déformations des pièces traitées et supprimant les opérations de nettoyage nécessaires sur les pièces trempées en bain de sel ou bain d'huile.
  • Du point de vue pratique, les fours sous vide adaptés à la trempe gazeuse sont équipés d'une soufflante de recirculation puissante et le gaz injecté sous pression dans l'enceinte du four est successivement déplacé au travers de la charge en cours de traitement. Il y a donc refroidissement par convection tandis que le gaz ainsi réchauffé passe ensuite au travers d'un échangeur de chaleur, à eau par exemple, qui le refroidit avant qu'il ne soit renvoyé sur la charge d'objets en cours de traitement.
  • Pour un four et une charge à traiter donnés, la vitesse de refroidissement des pièces sous atmosphère dépend entre autres facteurs, de la pression, de la vitesse de recirculation et de la nature du gaz.
  • Pour un four existant, la vitesse du gaz est imposée par la soufflante de recirculation. La pression est commandée par la quantité de gaz injecté dans le four ; elle est limitée par les caractéristiques du four qui définissent une pression maximum admissible par l'enceinte.
  • Les gaz couramment employés pour la trempe sont l'azote et l'argon. Afin d'améliorer les vitesses de refroidissement sans modifier la pression du gaz de trempe ou sa vitesse de recirculation, on a proposé d'utiliser des gaz ayant une meilleure conductibilité de chaleur : hydrogène ou hélium (voir par exemple EP-A-313 888. On favorise ainsi l'échange de chaleur par convection entre la pièce traitée et le flux de refroidissement. Le gain obtenu sur la vitesse de refroidissement permet de tremper sous gaz une gamme plus étendue de matériaux ; pour un traitement donné, on peut aussi diminuer la pression du gaz dans le four, abaissant les contraintes auxquelles est soumis le matériel, ou bien encore augmenter la masse de matériau que l'on peut traiter au cours d'un cycle.
  • L'utilisation d'hydrogène, qui est un gaz inflammable, nécessite des aménagements de sécurité adéquats sur les fours de trempe. L'hélium, qui est un gaz neutre, peut au contraire s'employer à la place de l'azote ou de l'argon, sans modification technique du four. Son prix de revient élevé fait cependant qu'il est encore peu utilisé.
  • Le problème technique à la base de la présente invention est l'utilisation d'hélium, ou d'un mélange à base d'hélium, dans les traitements de trempe gazeuse, tout en restant économiquement compétitif avec les traitements classiques sous argon ou azote et cet objectif est atteint en ce qu'à la fin d'une opération de trempe, on extrait la charge d'hélium hors de l'enceinte de traitement, en phase finale par pompe jusqu'à l'obtention d'un vide primaire, on porte par compresseur associé à un filtre mécanique ledit hélium extrait à une pression d'épuration, et l'on fait passer ledit hélium à pression d'épuration dans un épurateur d'élimination des impuretés, pour le transférer, le cas échéant, après recompression, dans la capacité-tampon. De la sorte, l'hélium de fin de trempe qui est pollué par des impuretés, notamment oxygène et eau, présentes sur la charge ou dans le four, par des fuites d'air éventuelles et par le matériel de récupération ou recompression, est récupéré après épuration soigneuse.
  • Selon une première forme de mise en oeuvre, l'hélium à la pression d'épuration est collecté dans une capacité intermédiaire, après quoi on l'envoie dans un séparateur à membrane de perméation délivrant l'hélium épuré sous plus basse pression, qui est ensuite séché puis refoulé sous pression par le même compresseur vers la capacité-tampon du four.
  • Selon une deuxième forme de mise en oeuvre, l'hélium extrait, recomprimé à pression supérieure à la pression d'attente de la capacité tampon et mécaniquement filtré, est amené à transférer dans un dispositif d'épuration de l'oxygène résiduel du type à adjonction contrôlée d'hydrogène pour formation catalytique de vapeur d'eau, après quoi le gaz est le cas échéant refroidi et séché, puis transféré dans ladite capacité d'attente.
  • Selon une troisième forme de mise en oeuvre, l'hélium extrait recomprimé à pression supérieure à la pression d'attente de la capacité-tampon et mécaniquement filtré est amené à transférer dans un dispositif d'épuration du type catalytique à piégeage de l'oxygène résiduel et à régénération du catalyseur par un courant d'hydrogène, après quoi le gaz est le cas échéant refroidi et séché, puis transféré dans ladite capacité d'attente.
  • Selon une quatrième forme de mise en oeuvre, l'hélium extrait, recomprimé à pression supérieure à la pression d'attente de la capacité-tampon et mécaniquement filtré, est amené à transférer dans un dispositif d'épuration de l'oxygène et éventuellement de la vapeur d'eau résiduels, du type tamis moléculaire permettant l'adsorption de l'oxygène et éventuellement de la vapeur d'eau, dont la régénération est assurée par dépressurisation ou par accroissement de la température, après quoi le gaz est le cas échéant refroidi et séché, puis transféré dans ladite capacité-tampon.
  • Habituellement, l'hélium extrait, porté à une pression d'épuration, passe directement et substantiellement dans sa totalité dans un épurateur d'élimination des impuretés, le cas échéant après être collecté dans une capacité intermédiaire. On peut également, notamment quand la teneur en impuretés de l'hélium extrait est faible, n'épurer qu'une fraction dudit hélium extrait ou ne l'épurer qu'après qu'il a servi à au moins deux opérations de trempe successives.
  • L'invention concerne également une installation de traitement thermique d'objets avec trempe en milieu gazeux incorporant au moins substantiellement de l'hélium, du genre comprenant un four à soufflante de recirculation gazeuse, raccordé par conduites à vannes d'une part à une capacité-tampon, d'autre part à une pompe à vide primaire by-passée par une conduite à vanne et détendeur, qui se caractérisé en ce qu'elle comprend, en sortie de pompe, une capacité d'égalisation, un compresseur, un filtre mécanique, un épurateur d'hélium, et le cas échéant, un sécheur de préférence à piégeage de vapeur d'eau par tamis moléculaire.
  • L'installation peut, le cas échéant, également comporter une conduite à vannes by-passant l'épurateur d'hélium.
  • Selon une réalisation, l'invention prévoit l'interposition d'un réservoir intermédiaire en amont de l'épurateur qui est du type à séparateur à membrane, dont la sortie du gaz épuré est raccordée à un sécheur puis par vanne en amont dudit compresseur, dont la sortie est également et directement raccordée par vanne à la capacité-tampon.
  • Selon une autre réalisation, l'épurateur d'hélium est du type à adjonction contrôlée d'hydrogène pour formation catalytique de vapeur d'eau.
  • Selon encore une autre réalisation, l'épuration d'hélium est du type à élimination catalytique de l'oxygène résiduel et à régénération du catalyseur par un courant d'hydrogène.
  • L'épuration d'hélium peut encore être du type à élimination par passage et adsorption sur tamis moléculaire de l'oxygène et éventuellement de la vapeur d'eau, la régénération desdits tamis moléculaires se faisant par dépressurisation ou accroissement de la température, éventuellement accompagné par passage d'un courant de gaz pur.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés qui représentent quatre variantes d'installations à four de trempe selon l'invention.
  • En se référant à la figure 1, un four de trempe sous vide 1 est normalement raccordé d'une part à une capacité-tampon 2 par une conduite 3 à vanne 4, d'autre part, à une pompe à vide 5 par une conduite de vidage 6 à vanne 7. La trempe gazeuse s'effectue, à la fin de la montée en température des objets dans le four mis sous vide par la pompe 5 (vanne 7 ouverte), par décharge brusque de la capacité-tampon 2 dans le four 1 par ouverture de la vanne 4 (vannes 7 et 27 fermées).
  • Une soufflante de recirculation 8 assure l'homogénéisation de l'atmosphère du four. En vue d'une nouvelle opération, la capacité-tampon 2 est rechargée à une pression maximale via une conduite de charge 9.
  • Appliquée à la trempe sous hélium, conformément à l'invention, l'installation décrite ci-dessus reçoit un équipement de récupération d'hélium de fin de trempe, qui comprend, à la sortie de la pompe de vidage 5, une conduite de liaison 11 vers une capacité d'attente 12, qui incorpore successivement une vanne 10 sur le refoulement de la pompe 5, une petite capacité d'égalisation 29, une vanne trois voies 13, un compresseur 14, un filtre déshuileur 15, une vanne trois voies 16.
  • La capacité d'attente 12 est reliée par une conduite 17 à vanne 18 au compartiment amont haute pression 19 d'un perméateur 20 à membrane de perméation 21 de séparation d'avec un compartiment aval basse pression 22. Le compartiment haute pression 19 est raccordé à une conduite d'évacuation 23 des impuretés, tandis que l'hélium purifié parvenant dans le compartiment aval sous basse pression 22 est séché en 35 et maintenu nécessairement sous pression intermédiaire via le compresseur 14.
  • D'autre part, la vanne trois voies 16 est raccordée par une conduite 25 à la capacité-tampon 2.
  • La pompe sous vide 5 est by-passée par une conduite 26 à vanne 27 et régulateur de pression 28.
  • L'installation décrite fonctionne de la façon suivante :
       Une charge d'hélium est initialement apportée par la conduite 9 dans la capacité-tampon 2. La trempe s'effectue de façon usuelle par ouverture de la vanne 4 avec déchargement par exemple jusqu'à équilibrage substantiel d'une partie de l'hélium stocké dans la capacité-tampon 2 et l'opération de trempe s'effectue avec recirculation de l'hélium par la soufflante 8 vers un échangeur-refroidisseur (non représenté).
  • En fin d'opération de trempe, on procède d'abord à un transfert de l'hélium pollué du four 1 vers la capacité d'attente 12 (vanne 27 ouvertes, vannes 7 et 10 fermées, pompe 5 stoppée), la vanne trois voies 13, le compresseur 14, le filtre déshuileur 15, la vanne trois voies 16 ouverte vers le réservoir d'attente 12, où le gaz hélium partiellement purifié se stocke sous pression grâce au compresseur 14 en fonctionnement (vanne 18 fermée).
  • Dès que l'obtention d'une pression voisine de la pression atmosphérique est atteinte dans le four 1, la pompe à vide 5 est mise en fonctionnement (vannes 27 fermées, vannes 7 et 10 ouvertes) avec refoulement vers le compresseur 14 qui agit comme précédemment. Une fois le vide primaire atteint dans le four 1, la pompe 5 est stoppée (vannes 7 et 10 fermées) et les vannes trois voies 13 et 16 commutées sur leurs secondes positions, où elles mettent en communication respectivement le compartiment aval 22 du perméateur 20 avec l'entrée du compresseur 14 (par la vanne 13), la sortie du filtre déshuileur avec la capacité-tampon 2 (par la vanne 16). L'épuration gazeuse de l'hélium stocké dans le réservoir d'attente 12 peut alors s'effectuer par ouverture de la vanne 18, en même temps que l'hélium épuré sous basse pression recueilli et véhiculé par la conduite 24 est recomprimé par le compresseur 14 pour être stocké dans la capacité-tampon 2. Une fois cette opération terminée, la vanne 18 est fermée et les vannes trois voies 13 et 16 commutées dans leurs positions initiales de passage libre du four 1 vers la capacité d'attente 12.
  • La capacité-tampon 2 n'ayant recueilli qu'une partie, qui est cependant très substantielle, de l'hélium utilisé lors de la trempe, un complément de remplissage est effectué via la conduite 9 pour atteindre la pression opérationnelle normale et une nouvelle opération de trempe à l'hélium peut alors avoir lieu.
  • Selon une variante de réalisation, quand l'hélium extrait du four ne comporte qu'une faible teneur en impuretés, on peut, préalablement à l'épuration, réutiliser l'hélium pour une ou plusieurs opérations de trempe. Pour ce faire, en fin d'une opération de trempe, on procède à un transfert de l'hélium faiblement pollué du four 1 jusqu'à la vanne 16 ouverte vers la capacité-tampon 2, ceci après passage de l'hélium dans la pompe 5, le compresseur 14 et le filtre déshuileur 15 de la façon indiquée ci-dessus ; l'hélium stocké dans la capacité-tampon 2 peut alors être réutilisé pour une nouvelle opération de trempe. Une fois l'hélium ayant atteint un taux d'impuretés suffisant, on commute la vanne 16 de sorte à permettre à l'installation de fonctionner selon le mode de réalisation décrit ci-dessus, et permettant son épuration.
    • Exemple de réalisation :
  • L'équipement de recyclage est installé sur un four sous vide de volume intérieur 10 m³ dans lequel on effectue des traitements de pièces en alliage à base de nickel. Après un palier à une température de 1300°C, on effectue une trempe sous hélium pur à une pression de 2,5 bar absolus.
  • A la fin du traitement, l'hélium se trouve froid dans le four, à une pression de 2,5 bar absolu. On ouvre alors la vanne 27 et on détend le gaz en 28 dans un circuit by-passant la pompe à vide primaire du four ; le gaz est ensuite recomprimé 14, filtré et déshuilé en 15 et stocké dans une capacité d'attente 12 à pression supérieure à la capacité-tampon 2 du four. Lorsque le gaz dans le four 1 est à la pression atmosphérique, la vanne 27 est fermée, les vannes 7 et 10 sont ouvertes ; la pompe primaire 5 est mise en fonctionnement et aspire le gaz pour le renvoyer à l'entrée du compresseur 14. Le four 1 est ensuite mis à l'air, puis ouvert et prêt au déchargement-rechargement.
  • L'hélium dans la capacité d'attente 12 est déjà préalablement filtré et déshuilé ; il est ensuite épuré dans le séparateur à membrane 20, recomprimé en 14 et renvoyé dans la capacité-tampon 2 du four. Il suffit de compléter en 9 la quantité perdue d'hélium au cours de la récupération, avant de démarrer un autre cycle de traitement.
  • En se référant à la figure 2, on retrouve l'ensemble four 1, capacité-tampon 2, pompe à vide 5 by-passée par un détendeur 28, raccordée à une capacité d'égalisation 29. Celle-ci est connectée au compresseur 14 suivi d'un filtre mécanique 15 et de là, directement à un épurateur d'hélium 31. Le compresseur 14 peut éventuellement être by-passé par une conduite 37 comportant un détendeur 38, partant en aval du compresseur 14 et revenant vers la capacité d'égalisation 29. L'épurateur d'hélium peut être de l'un ou l'autre des trois types suivants :
    • soit un appareil d'élimination de l'oxygène résiduel 31 par réaction avec de l'hydrogène adjoint à débit contrôlé en 32 ;
    • soit un appareil d'élimination catalytique de l'oxygène avec régénération par un courant d'hydrogène circulant selon 33/33' ;
    • soit des tamis moléculaires pour l'élimination par adsorption de l'oxygène et de la vapeur d'eau.
  • Dans les deux premiers cas, il est préférable de disposer d'un refroidisseur 34 suivi d'un sécheur 35 du type à piégeage de vapeur d'eau par tamis moléculaire et à purge par un courant d'azote 36-36', avant réinjection dans la capacité-tampon 2 sous pression d'attente.
  • Dans le troisième cas, on peut éventuellement disposer également d'un refroidisseur 34. De préférence, on utilise au moins deux tamis moléculaires disposés en parallèle, l'un étant en fonctionnement et l'autre en régénération par dépressurisation ou accroissement de la température, éventuellement accompagné par passage d'un courant de gaz pur.

Claims (12)

  1. Procédé de traitement thermique d'objets avec trempe en milieu gazeux à recirculation (8) au contact desdits objets traités avec refroidissement du gaz de trempe au moyen d'un échangeur thermique, du genre où l'on utilise de l'hélium comme gaz de trempe qui est stocké sous pression d'attente dans une capacité-tampon (2), caractérisé en ce qu'à la fin d'une opération de trempe, on extrait (27-28) la charge d'hélium hors de l'enceinte de traitement, en phase finale par pompe (5) jusqu'à l'obtention d'un vide primaire, on porte par compresseur (14) associé à un filtre mécanique (15) ledit hélium extrait à une pression d'épuration, et l'on fait passer ledit hélium à pression d'épuration dans un épurateur d'élimination des impuretés (20-35) (31-35), pour le transférer, le cas échéant après recompression, dans la capacité-tampon (2).
  2. Procédé de traitement thermique d'objets selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hélium à la pression d'épuration est collecté dans une capacité intermédiaire (12), après quoi on l'envoie dans un séparateur (20) à membrane de perméation (21) délivrant l'hélium épuré sous plus basse pression, qui est ensuite séché (35) et refoulé sous pression par le même compresseur (14) vers la capacité-tampon (2) de four.
  3. Procédé de traitement thermique d'objets selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hélium extrait, recomprimé (14) à pression supérieure à la pression d'attente de la capacité-tampon (2), et mécaniquement filtré (15), est amené dans un dispositif d'élimination de l'oxygène résiduel (31) du type à adjonction contrôlée d'hydrogène (32) pour formation catalytique de vapeur d'eau, après quoi le gaz est le cas échéant refroidi (34) et séché (35), puis transféré dans ladite capacité-tampon (2).
  4. Procédé de traitement thermique d'objets selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hélium extrait, recomprimé (14) à pression supérieure à la pression d'attente de la capacité-tampon (2), et mécaniquement filtré (15), est amené dans un dispositif d'épuration (31) du type catalytique à piégeage de l'oxygène résiduel et à régénération du catalyseur par un courant d'hydrogène (33-33'), après quoi le gaz est le cas échéant refroidi (34) et séché (35), puis transféré dans ladite capacité-tampon (2).
  5. Procédé de traitement thermique d'objets selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hélium extrait, recomprimé (14) à pression supérieure à la pression d'attente de la capacité-tampon (2), et mécaniquement filtré (15), est amené dans un dispositif d'épuration de l'oxygène et éventuellement de la vapeur d'eau résiduels, du type tamis moléculaire d'adsorption d'oxygène et éventuellement de vapeur d'eau, à régénération par dépressurisation ou accroissement de la température, éventuellement accompagné par passage d'un courant de gaz pur, après quoi le gaz est le cas échéant refroidi (34) et séché (35), puis transféré dans ladite capacité-tampon (2).
  6. Procédé de traitement thermique d'objets selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que seulement une fraction dudit hélium extrait passe dans l'épurateur d'élimination des impuretés.
  7. Procédé de traitement thermique d'objets selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit hélium extrait passe dans l'épurateur d'élimination des impuretés après avoir servi à au moins deux opérations de trempe successives.
  8. Installation de traitement thermique d'objets avec trempe en milieu gazeux incorporant au moins substantiellement de l'hélium, du genre comprenant un four (1) à turbine de recirculation gazeuse (8), raccordé par conduites à vannes d'une part à une capacité-tampon (2), d'autre part à une pompe à vide primaire (5) by-passée par une conduite à vanne (27) et détendeur (28), caractérisée en ce qu'elle comprend, en sortie de pompe (5), une capacité d'égalisation (29), un compresseur (14), un filtre mécanique (15), un épurateur d'hélium (20-31), et, le cas échéant, un sécheur (35) de préférence à piégeage de vapeur d'eau par tamis moléculaire.
  9. Installation de traitement thermique d'objets selon la revendication 8, caractérisée par l'interposition d'un réservoir intermédiaire (12) en amont de l'épurateur (20), qui est du type à séparateur à membrane (21), dont la sortie du gaz épuré et séché (35) est raccordée par vanne (13) en amont dudit compresseur (14), dont la sortie est également raccordée par vanne (16) à la capacité-tampon (2).
  10. Installation de traitement thermique d'objets selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'épurateur d'hélium (31) est du type à adjonction contrôlée d'hydrogène (32) pour formation catalytique de vapeur d'eau.
  11. Installation de traitement thermique d'objets selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'épurateur d'hélium (31) est du type à élimination catalytique de l'oxygène résiduel et à régénération du catalyseur par un courant d'hydrogène (33) (33').
  12. Installation de traitement thermique d'objets selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'épurateur d'hélium (31) est du type tamis moléculaire d'adsorption de l'oxygène et éventuellement de la vapeur d'eau et à régénération par dépressurisation ou accroissement de la température, éventuellement accompagné par passage d'un courant de gaz pur.
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