Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
1
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
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
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
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
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
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
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
CA 02498929 2010-06-03
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;
CA 02498929 2010-06-03
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.
CA 02498929 2010-06-03
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.
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
6
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
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
7
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,
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
8
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
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
9
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
CA 02498929 2005-03-14
WO 2004/027098 PCT/FR2003/000053
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
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.
----------------------------.
