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La présente invention concerne d'une manière.générale un procédé et un appareil servant à produire des atmosphères ré- glées dans des circuits fermés, et semi-fermés convenant en par- ticulier pour travailler des métaux dans des gaz à des tempéra- tures élevées et plus particulièrement des circuits utilisant des réchauffeurs à arc pour réchauffer les gaz.
Pour travailler les métaux, il faut évidemment pouvoir- les porter à des températures de trempe, de recuit, de fusion ou de réduction et, dans certains procédés, il faut également ou il est souhaitable de régir l'atmosphère spécifique dans laquelle le métal est chauffé.
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La présente invention a pour but principal de procurer un nouveau procédé pour établir et maintenir une atmosphère facile à régler quant à sa pression, sa température, sa teneur en gaz , et la vitesse de circulation du gaz.
L'invention a également pour but de procurer un appa- reil susceptible de fonctionner d'une manière très efficace pour mettre le nouveau procédé en oeuvre.
Un appareil convenant pour mettre l'invention en pra- tique utilise un réchauffeur à arc qui fait passer le gaz à chauf- fer par un arc qui tourne entre des' électrodes refroidies à l'eau, La vitesse de rotation élevée de l'arc assure une enthalpie et une température uniformes au niveau de l'injecteur de gaz. Le réchauffeur à arc transforme de l'énergie électrique directement en énergie 'thermique sans nécessiter des éléments de chauffage classiques ou des électrodes consumables. On peut ainsi atteindre une température du gaz très élevée, sans contamination. Comme le réchauffeur à arc convient particulièrement pour des températures élevées la quantité de gaz requise pour élever la température du four à la valeur requise est faible ce qui augmente l'efficacité de l'appareil.
L'appareil convient particulièrement pour des systèmes ou des applications nécessitant des circulations de gaz à haute température et se distingue ' par un fonctionnement efficace et ; continu, une température réglée dans le four, une pression réglée dans le four et dans .la totalité du circuit, la possibilité de . produire des températures requises.pour une large gamme d'applica- tions particulières et une atmosphère spécifique réglée dansle circuit
A cet effet, l'appareil suivant l'invention convenant pour mettre le procédé en pratique comprend un réchauffeur à arc qui est ou peut être alimenté de gaz par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur.
Le gaz chauffé sortant du réchauffeur à arc est introduit dans un dispositif formant un circuit fermé, ce dispositif comprenant également une partie formant four,de
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plus grand diamètre,destinéeà contenir le métal ou une autre sub- stance à chauffer et comportant une porte servant à placer le métal dans le four. Un dispositif sensible à la température placé dans le four près de la substance à chauffer est connecté à un régula- teur qui règle automatiquement l'énergie fournie au réchauffeur à arc et ainsi ia température du gaz dans le réchauffeur à arc.
Le gaz provenant du réchauffeur après être passé dans le circuit fermé et au-dessus du métal à chauffer revient à un point dans le circuit fermé proche du point d'injetion, d'où une partie du gaz passe par l'échangeur de chaleur et est évacuée. La fraction de gaz déchargée du circuit principal'peut être prélevée à n'im- porte quel endroit dans ce circuit mais pour des raisons d'effi- cacité, il est souhaitable que ce gaz soit éjecté à umn endroit situé en aval de la partie formant pour du circuit. Une fraction importante du gaz est recyclée.
Dans une autre forme d'exécution de l'invention, la fraction du gaz évacuée ou déchargée du circuit fermé, après avoir traversé l'échangeur de chaleur, est prérefroidie et est ensuite passée par un séparateur de poussière ou un autre filtre et ré- introduite dans le réchauffeur à arc. Cet agencement est particu- lièrement intéressant si le gaz chauffé est suffisamment coûteux pour ne pas pouvoir être gaspillé.
Dans les deux formes d'exécution, un ou plusieurs dispositifs délimitation supplémentaires peuvent être associés au dispositif forma .; le circuit fermé pour débiter un ou plu- sieurs autres gaz en plus du gaz chauffé par le réchauffeur à arc afin de procurer une atmosphère présentant un rapport de gaz dé- siré quelconque. La chaleur est transmise du gaz chauffé au gaz non chauffé,par convection.
L'invention réside notamment d'une manière générale dans un procédé servant à établir et à maintenir une atmosphère réglée suivant lequel on comprime du gaz à une vitesse prédé- terminée, on chauffe le gaz.comprimé à une température prédétermi-
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née, on prévoit un circuit fermé pour le gaz chauffé en circula- tion, on permet au gaz chauffé de circuler à une vitesse prédéter- minée dans le circuit fermé et on évacue une.fraction relative-, ment faible du gaz du circuit fermé à une vitesse prédéterminée convenant pour maintenir une pression et un débit du gaz en sub- stance constants dans le circuit fermé.
L'invention réside également dans un appareil servant à établir et à maintenir une atmosphère réglée dans une région prédéterminée comprenant un dispositif formant un circuit fermé pour le gaz comprenant cette région; un réchauffeur à arc servant à maintenir une circulation de gaz chauffé dans le circuit, le réchauffeur comportant une emtrée raccordée à une source de gaz comprimé et un éjecteur communiquant avec le circuit de gaz à un endroit situé en aval de cette région et dirigé en substance vers celle-ci, et un dispositif sensible à des augmentations de pres- sion dans le circuit au-delà d'une valeur prédéterminée pour éva- cuer du circuit suffisamment de gaz pour maintenir la pression et le débit du gaz dans le circuit en.substance constants.
L'invention ressortira clairement de la description détaillée donnée ci-après avec référence au dessin annexé dans lequel : la Fig. 1 est une vue en partie en coupe d'un appareil à circuit semi-fermé et à réchauffeur à arc suivant l'invention; la Fig. 2 est une vue en partie en coupe de la forme d'exécution préférée d'un circuit fermé suivant l'invention; et la Fig. 3 est une vue d'une forme d'exécution simplifiée de l'invention.
Dans le dessin, et en particulier sur la Fig. 1; le chiffre 10 désigne d'une manière générale un four de chauffage comportant une partie 11 de grand diamètre munie d'une porte 12; la substance à traiter, par exemple, un matal, est indiquée en 13 et est posée sur une cuvette ou un autre support approprié 14.
Dans la Fig. 1, le gaz circule de gauchedroite dans le four 10
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et dans une conduite 15 qui, comme le montre le dessin, revient vers carrière et est raccrodéeà l'extrémité d'entrée du four, forint ainsi un circuit fermé pour les gaz. Une chambre 16 de, diamètra notablement plus grand estprévue à l'extrémité d'entrée du circuit fermé du four et comporte un étranglement de diamètre plus petit 17 comportant un tuyau d'amenée de gaz 18 avec un ajutage 19 placé tout près de l'étranglement 17. Le gaz qui pénètre dans le four par'l'ajutage 19 est le gaz qui a été chauffé par le ré- chauffeur à arc désigné en 23 Le réchauffeur à arc 23 est repré- senté à l'extérieur par rapport au circuit.
En fait, le réchauffeur à arc est relativement petit et peut également être placé dans la chambre 16. Le gaz sortant de l'ajutage 19 passe par une partie relativement longue 24 dans la partie de grand diamètre 11. Commo le montre le dessin, un tuyau d'amenée de gaz supplémentaire 25 est placé tout prs de l'ajutage 17 du côté four de ce dernier et est raccordé à une source de gaz 26,représentée par un rectan- gle pour la facilita . On comprendra q.ue le tuyau d'amenée de gaz 25 peut contenir une valve appropriée et que l'entrée de gaz elle- même peut être formée par des trous ou des ajutages séparés con- venablement orientés ,
non représentés pour simplifier le dessina le gaz débité par le tuyau 25 pénètre obliquement ou tangentielle- ment dans le gaz débité en 24 par l'ajutage 19 ce qui contribue à améliorer le mélange des gaz.
La chambre 16 mentionnée plus haut comporte une con- duite de sortie de gaz 28 communiquant avec un échangeur de cha- leur 29. Le gaz provenant de la conduite 28, après avoir traversé l'échangeur de chaleur 29,est évacué par la conduite de sortie 30 qui contient une valve appropriée 31. La valve 31 est de préférence une valve actionnée par la pression pour maintenir une pression en substance constante dans le four 10.
On peut voir que dans l'échangeur de chaleur 19, la chaleur du gaz passant dans la con- duite 28 est transférée à une conduite 33 qui alimente le réchauf- feur à arc 23, la conduite 33 étant raccordée pour recevoir la
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sortie du compresseur 34 raccordé. à la conduite d'entrée 35, La conduite d'entrée 35 peut être utilisée si de l'air doit être aspiré dans le système ou si un gaz désira doit Strm mis sous pression au moyen du compresseur 34. En variante, si du gaz com- primé en bonbonne ou provenant d'autres sources doit. être chauffa dans le réchauffeur à arc, le compresseur 34 peut être éliminé
Le four 10 comporte un dispositif sensible à la tpm- pérature 37'muni d'un élément sensible à la température 38 placé dans le four 10.
Le dispositif 37 transmet un signal de sortie par l'intermédiaire des conducteurs-41 et 42 à une source de cou- rant33 qui régit le courant électrique fourni au réchauffeur à arc. Le dispositif sensible à la température 37 et par conséquent connecté de manière à régir .automatiquement le courant fourni au réchauffeur à arc 23 pour maintenir ainsi une température du gaz prédéterminée constante dans le four 10.
On comprendraque, suivant le débit du ou des gaz passant dans le four, le dispositif' sensible à la température peut être réglé ou réajusté pour maintenir une température prédéterminée et le'dispositif sensible à la tempéra- ture ainsi que la source de courant 43 comprennent bien entendu un dispositif, non représenté pour simplifier le dessin, servant à modifier la température à maintenir dans le four 10.
Dans le fonctionnement de l'appareil de la Fig. 1, du gaz qui pénètre dans la conduite d'entrée 35 après avoir été comprimé er. 34 et préchauffé en passant par l'échangeur de cha- leur 29, est réchauffé dans le réchauffeur à arc 23. Le fonctionne- ment des réchauffeurs de gaz à arc est bien connu et ne sera pa,s décrit en détail. Pour bien comprendre la façon dont l'énergie électrique est directement transformée en énergie thermique dans un réchauffeur à arc, on peut se référer au brevet américain n 3,048,736 intitulé "Chambre à arc" déposé par W.S. Emmerich accordé le 7 août 1962 et cédé à la Demanderesse.
Le gaz chauffé provenant du réchauffeur à arc 23 passe par l'ajutage 19 dans le système-d'injection ou d'aspiration où il se mélange au gaz plus.
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froid qui peut comprendre du gaz débite par la source 26 et induit la vitesse de circulation requise dans le circuit de chauf- fage principal comprenant le four et Plus particulièrement la chambre li, Un mélange proportionnel du gaz à haute température provenant du réchauffeur à arc et de l'autre gaz contenu dans.le système détermine la température du four. La matière à chauffer, représentée d'une manière générale en 13, est placée dans le four.
La majeure par- tie du gaz est recyclée par l'effet d'aspiration et se mélange à nouveau au gaz débite par l'ajutage 19 et sortant du réchauf- feur à arc, et est chauffée par ce dernier, La valve actionnée par la pression 31 règle 3e système en permettant à une petite frac- tion du gaz de s'échapper ou de passer par l'échangeur de cha- leur, préchauffant ainsi le gaz comprimé dans le réchauffeur à arc. La présence de l'échangeur de analeur diminue le courant électrique nécessaire pour porter le gaz à la température re- quise et augmente par conséquent l'efficacité du système.
Le dispositif sensible à la température 37,comprenant un élément sensible à la température 38,régit le courant fourni au réchauf- feur à arc 23 pour atteindre des conditions de fonctionnement appropriées. Le four et, si on :Ce désire, tout le système de recyclage comportent de préférence un garnissage en briques, non représenté ,pour simplifier le dessin,ou un refroidissement à l'eau également non représenté, suivant la température de fonctionnement, les deux systèmes convenant parfaitement.
L'apparei de la Fig, 1 procure donc un système intégré pour chauffer des méaux en vue de la .trempe , du recui t de la fusion ou de la réduction, et procure un système intégré pour n'importe quel procédé nécessitant un circulation de gaz@chauffé.
L'appareil et le système de la Fig. 1 .assurent un réglage complet de l'atmosphère du processus de chauffage et,dans le circuit semi- fermé de la Fig. 1, le réchauffeur à arc exerce une action suf- fisante pour maintenir le courant de gaz. Il n'est donc plus né- cessaire d'utiliser des souffleries et des compresseurs dans le
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circuit à haute température.
L'appareil de la Fig. 1 convient pour mettre en pra- tique le procédé de la présente invention afin d établir et de maintenir une.atmosphère réglée quant à sa pression, sa tempé- rature et,la composition de son gaz et la vitesse de circulation du gaz.
On se référera maintenant à la Fig. 2 qui représente un sppareil à circuit ferme suivant l'invention. L'appareil de la Fig 2 diffère de celui de.la fig. 1 en ce que la conduite de sortie 30', correspondant à la conduite 30 de la Fig. l'ali- mente un prérefrodisseur 51 de n'impote quelle construction appropriée qui est raccordé par une conduite 52 à un séparateur de poussière ou un autre fi tre 53.la sortie du séparateur de poussière ou du filtre 53 étant raccordéde à la conduite d'entrée ou d'alimentation mentionnée plus haut, c'est-à-dire la conduite
35' qui alimente le compresseur 34.
Dans l'appareil de.la Fig, 2, le gaz déchargé par l'échangeur de chaleur 29 est recyclé dans le compresseur. Autre- ment, le fonctionnement de l'appareil de la Fig. 2 est semblable à celui de l'appareil de la Fig 1.
Dans l'appareil de la Fig. 2. lorsque ,du gaz est débité par la source 56 pour produire un mélange dans le,four 10, une petite.fraction du gaz peut être prélevée'du circuit fermée par une conduite d'échappement 61 commandée par une valve 62 pour aider à maintenir une pression constante dans-le circuit fermé dans le four. Le système peut être initialement chargé de gaz par'une valve 66..
La pression dans le four peut être maintenue à n'im- porte quelle valeur voulue dans les deux formes d'exécution, par exemple àla pression atmospohérique, cequi facilite l'opération de chargement.
Lorsque l'atmosphère est constituespar de l'air ou un gaz seulement, la conduite d'alimentation 25 et la source 26 peu-
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vent être omises. De plus, un mélange de gaz contenant du gaz dans un rapport de composition désiré peut être admis dans les con- duites dalimentation 35 et 35'. On se référera maintenant en particulier à.la Fig. 3 . Due réalisation simplifiée utilisant un réchauffeur à arc peut comprendre une chambre 70 dans laquelle le gaz déchargé par l'ajutage 75 du réchauffeur à arc 71 est convenablement dirigé pour mélanger le volume de gaz contenu dans cette chambre de manière à obtenir la pression, l'uniformité de températureet la composition de gazdésirées dans cette partie de la chambre où un réchauffage ou un traitement thermique doit se produire.
La matière à traiter est indiquée en 74. La détection de la température peut s'effectuer comme sur la Fig. 1. L'évacua- tion de l'excès de gaz de cette chambre et le réglage de la pres- sion peuvent être effectués au moyen d'un évent 72 placé à n'im- porte quel endroit voulu. Le gaz contenu dans la chambre suit le trajet indiqué en 73.
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1.- Procédé pour établir et Maintenir une atmosphère réglée, caractérisé en ce qu'on comprime du gaz à une vitesse prédéterminée, on chauffe le gaz comprimé à une température pré- déterminée on fait circuler le gaz chauffé dans un circuit fermé à une vitesse prédéterminée, on recycle la Majeure partie du gaz dans le circuit fermé et on évacue une fraction relativement fai- ble du gaz du circuit fermé à une vitesse prûdéterminûe calculée pour Maintenir une pression et un débit de gaz en substance constants dans le circuit fermé.