Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~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 :
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
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 :
EXEMPLE 1
-
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.
