<Desc/Clms Page number 1>
L'invention a pour objet un procédé et un appa- reil pour chauffer un four industriel, et plus particuliè- rement un procédé perfectionné de chauffage électrique et un élément chauffant destiné à servir dans un four de cé- mentation.
La cémentation se produit lorsque des gaz appropriés comprenant des composés de carbone pénètrent leo couches extérieures de la structure cristalline d'une pièce appropriée. Les gaz subissent une réaction et des atomes de carbone de ceux-ci restent dans la pièce.
La teneur en carbone dune pièce à cémenter peut @ comprise par exemple entre 0,20 et 0,60 %. En réglant convenablement l'atmosphère et la température d'un four de cémentation et le temps de séjour dans ceux- ci, on peut modifier la teneur superficielle en carbone d'une pièce dans la mesure voulue pour obtenir un résul- tat métallurgique désiré. Par exemple, on peut établir une teneur superficielle en carbone de 1-1,2% ainsi qu'une croûte d'épaisseur notable qui a une plus forte teneur en carbone que l'intérieur. La diffusion du carbone introduit dans la surface de la pièce forme la croûte et elle se produit à une vitesse qui dépend de plusieurs facteurs parmi lesquels, finalement, le "potentiel de carbone" de l'atmosphère de cémentation.
On appelle ici "potentiel de carbone" d'un fluide la teneur en carbone jusqu'à laquelle ce fluide
<Desc/Clms Page number 2>
cémente l'acier si l'équilibre est atteint. On la mesure habituellement par le pourcentage de carbone que contien- nent de minces bandes d'acier que l'on a amenées pratique- ment à l'équilibre avec l'atmosphère et qui présentent une teneur en carbone pratiquement uniforme sur toute la bande. Le potentiel de carbone d'un gaz de cémentation dépend de la température et de sa composition.
On a conçu des éléments chauffants électriques et on les a employés antérieurement dans des fours conte- nant une atmosphère de cémentation. Toutefois, les élé- ments chauffants électriques de la technique antérieure n'ont pas eu de succès dans l'application industrielle normale, par exemple dans une opération de cémentation, étant donné leur durée relativement courte et les frais d'entretien élevés, en comparaison d'autres moyens de chauffage.
Cette durée relativement courte des éléments chauffants électriques résulte d'abord du fait que l'élé- ment chauffant électrique, lorsqu'il est à température élevée, est cémenté de façon continue par l'atmosphère du four. En un laps de temps relativement court, il se pro- duit une cémentation excessive et les carbures formés à la limite des grains rendent l'élément cassant.
Un deuxième inconvénient qui résulte de l'état de choses ci-dessus, c'est-à-dire de l'accumulation de carbures à la limite des grains, est la variation de la résistance électrique de l'élément chauffant quand il est exposé à une atmosphère de cémentation. La résis- tance électrique de l'élément chauffant augmente à me- sure que la cémentation progresse.
<Desc/Clms Page number 3>
Le but principal de l'invention est d'indiquer un procédé et un appareil perfectionnés permettant de chauffer électriquement un four de cémentation.
Un autre but est de réaliser un élément chauf- fant électrique à résistance présentant une durée rela- tivement longue sans entretien.
Un autre but est encore de réaliser un élément chauffant électrique à résistance présentant des proprié- tés supérieures en vue d'une opération de'cémentation.
D'autres buts apparaîtront dans la description ci-après qui se réfère aux dessins sur lesquels: - la figure 1 est une coupe verticale d'un four montrant une forme de réalisation d'un élément chauf- fant électrique à résistance suivant l'invention dont une portion est omise; - la figure 2 est une 'coupe verticale suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est un graphique montrant des courbes de distribution de carbone prises le long de la paroi d'un élément chauffant électrique à résistance, premièrement suivant la technique antérieure et deuxième- ment suivant l'invention; - la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2, montrant un élément chauffant élec- trique construit suivant l'invention.
En abrégé, l'invention a pour objet un procédé et un appareil de chauffage d'un four de cémentation. Une première surface d'un élément chauffant métallique qui présente des surfaces principales opposées est exposée à une atmosphère de cémentation présentant un potentiel
<Desc/Clms Page number 4>
de carbone prédéterminé. La deuxième surface de l'élément est exposée à un milieu de décarburation propre à emprun-. ter du carbone à la deuxième surface. Le milieu de décar- buration présente un potentiel de carbone notablement inférieur à celui de l'atmosphère du four. De préférence, le milieu de décarburation présente un potentiel de car- bone suffisamment faible pour que la teneur en,carbone de la surface de l'élément chauffant se maintienne à un niveau inférieur au minimum où des carbures se déposent à la limite des grains.
Sur les figures 1 et 2, un four usuel de trai- tement thermique est indiqué de façon générale en 10. Le four comprend une enveloppe métallique 11 qui enferme une structure réfraciaire 12. Un ventilateur de circulation 13, monté sur l'enveloppe 11 , est entraîné par un mo- teur 14. La structure réfractaire 12 définit une chambre de traitement thermique 15-et une ouverture de four 16. Un conduit 17, communiquant avec la chambre 15, amène à celie-ci un gaz de fomentation de manière à maintenir dans la chambre 15 une première atmosphère continue 18 qui possède un potentiel de carbone prédéterminé.
Le conduit 17 est relié par une tuyauterie (non représentée) à un collecteur (non représenté) qui reçoit un gaz porteur d'un générateur usuel endothermique de gaz (non représenté) et un gaz hydrocarbure tel que du méthane, selon les besoins, de manière à maintenir le potentiel de carbone voulu.
Un gaz porteur type que l'on peut enrichir en méthane pour former la première atnosphère 18 dans une opération de cémentation comprend par exemple :
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
<tb> % <SEP> en <SEP> volume
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> C02 <SEP> (traces <SEP> ) <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CO <SEP> 20,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H2 <SEP> 30,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CH4 <SEP> 0,8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H20 <SEP> (traces)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N2 <SEP> (restant)
<tb>
point de rosée: -7 C.
La composition précise d'atmosphère de cémen- tation qui est nécessaire pour donner un potentiel de carbone donné varie d'un four à l'autre et dépend, entre autres, de l'étanchéité du four. On peut mélanger du méthane au gaz porteur ci-dessus pour maintenir la première atmosphère 18 à un potentiel de carbone de 1,2 à 927 C. Voici une analyse type pour un four relative- ment empt de fuites de gaz:
EMI5.2
<tb> % <SEP> en <SEP> volume
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CO2 <SEP> (traces)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CO <SEP> 19,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> H2 <SEP> 43,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CH4 <SEP> 2,0 <SEP> .
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
H2O <SEP> (traces)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N2 <SEP> (restant)
<tb>
point de rosée: -15 C.
L'ouverture de four 16 est isolée de latmos- phère extérieure par une porte de four 19.La porte 19 est ouverte et fermée par le fonctionnement d'un cylin- dre à air 20 muni d'une tige de liaison 21 fixée à la por- te 19.
Dans une opération type de cémentation, des
<Desc/Clms Page number 6>
pièces d'acier, par exemple des engrenages, sont placées sur un ou plusieurs plateaux (indiqués en pointillé sur la figure 2) et sont introduites dans l'ouverture 16 du four, après un processus usuel de purge dans un bas de four ( non représenté) qui est contigu à l'ouverture 16.
Le plateau court sur une double rangée de rouleaux 22 qui sont montés de manière à tourner sur des axes hori- zontaux 23.Les axes 23 sont supportés par des poutrelles en Z, 24, qui reposent sur une plaque 25. La plaque 25 est supportée par la structure réfractaire 12.Un trans- porteur à chaîne 26 ( représenté seulement sur la figure 1) et qui court dans une enveloppe étanche 27, fait entrer les plateaux dans le four et les en fait sortir de façon usuelle.
La porte 19 est reliée électriquement à une porte de sas (non représentée) de sorte que la première atmosphère 18 est maintenue contimqellement. Tous les autres moyens d'entrée et de sortie de la chambre de chauffage 15 sont aussi étanches de manière à contenir la première atmosphère 18.
Des éléments chauffants électriques à résistance suivant l'invention sont indiqués de façon générale en 20 et sont supportés par des supports 29 suspendus à la structure'réfractaire 12.
Les éléments chauffants 28 tels qu'ils sont ici représentés ont une section tubulaire mais d'autres formes de réalisation utilisant des configurations différentes sont envisagées. Par exemple, l'élément chauffant électrique à résistance 28 pourrait avoir une configuration en plaque.
<Desc/Clms Page number 7>
Des conducteurs électriques 30 sont reliés à un bloc de monture 31 qui est relié électriquement à un élément métallique de résistance 32 de l'élément chauf- fant 28.
Comme on le voit sur la figure 4, l'élément métallique de résistance 32 comprend une paroi 33 qui présente une première surface principale 34 et une deu- dème surface principale opposée 35
Une extrémité d'entrée 36 de l'élément métal- lique de résistance 32 traverse la structure réfractaire 12 et l'enveloppe 11 et est isolée de l'enveloppe 11 par l'un de plusieurs raccords 37.
On a prévu un milieu de décarburation propre emprunter du carbone à la deuxième surface 35. Dans la forme de réalisation représentée, le milieu de dé- carburation est gazeux et on le fait circuler à travers l'élément chauffant tubulaire 28 en le faisant entrer par l'extrémité d'entrée 36 ( tuyauterie de liaison non représentée) et sortir par une extrémité de sortie 38.
L'extrémité de sortie 38 est isolée de l'enveloppe 11 et de la structure réfractaire 12 par un autre raccord 37.
Le nombre d'éléments chauffants 28 dans un four particulier dépend de l'opération de traitement thermique dont il s'agit et de la structure du four choisie pour cette opération particulière.
Le milieu de décarburation peut être constitué par un fluide ou un mélange de plusieurs fluides ou bien, comme indiqué plus en détail ci-après, il peut être so- lide. La condition principale est que le milieu soit pro- pre à emprunter directement ou indirectement du carbone à la deuxième surface 15.
<Desc/Clms Page number 8>
Le résultat amélioré obtenu par le procédé et l'appareil de l'invention est représenté graphiquement sur la figure 3. Il y a lieu de noter que les courbes I, II et III sont des courbes idéales. Chacune des courbes représente (en ordonnées) le pourcentage de carbone de la paroi de l'élément chauffant, en différentes positions dans l'é- paisseur de la paroi ( en abscisses).
La courbe I représente le résultat obtenu lorsqu'un élément chauffant électrique à résistance est soumis à une atmosphère de four qui présente un potentiel de carbone de 1,2, le long de sa première surface. Dans ce procédé antérieur, la deuxième surface opposée de l'élément chauffant n'est pas exposée à un milieu fluide capable d'effectuer un transport de carbone. Donc, la courbe I représente l'état de choses observé dans les éléments chauffants électriques à résistance, de la tech- nique antérieure lorsqu'ils ont été soumis pendart un certain temps à une atmosphère de cémentation dans un four. Comme on le voit par la courbe I, l'élément chauf- fant se cémente jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint de sorte que le gradient de carbone est constant sur l'épaisseur de la paroi.
Sur la courbe,I, la paroi de l'élément chauffant a été cémentée jusqu'à une teneur constante en carbone de 1,2%, ce qui cause un accrois- sement notable de la résistance électrique. D'autre part, la cémentation excessive amène la formation de carbures à la limite des grains, et par conséquent, une certaine fragilité. Ces deux phénomènes raccourcissent considéra- blement la durée utile d'un élément chauffant.
<Desc/Clms Page number 9>
La courbe II représenta la teneur en carbone de la paroi d'un élément chauffant, dont la première sur- face est exposée à une atmosphère qui a un potentiel de carbone de 1,2 et dont la deuxième surface est exposée à un milieu fluide de décarburation, autrement dit à un milieu fluide dont le potentiel de carbone est notable- ment inférieur à celui de l'atmosphère du four.
Le milieu fluide utilisé est l'air atmosphéri- que. On fait circuler cet air constamment le long de la deuxième surface de manière à emprunter du carbone à celle- ci. Pour voir le résultat que l'on obtient par cet em- prunt de carbone, le mieux est de comparer la courbe I à la courbe II. La teneur en carbone de la deuxième surface de l'élément chauffant, indiquée par la courbe II, est d'environ 0,25%, contre 1,2% pour l'élément illustré par la co. be I. L'accroissement de la résistance électrique de l'élément correspondant à la courbe II, relativement à sa résistance initiale, représente une fraction de l'ac- croissement que subit l'élément de la.courbe I. Chose encore plus importante, on évite la formation de carbures à la limite des grains et par suite, l'élément chauffant ne devient pas fragile en service.
La courbe III représente la distribution de carbone dans un élément chauffant à travers lequel on fait circuler le long de la deuxième surface un milieu fluide formé d'un mélange comprenant de l'air atmosphé- rique et les produits de combustion d'un gaz naturel essentiellement formé de méthane, de manière à effectuer un emprunt de carbone. La courbe III est déplacée vers la gauche et vers le bas par rapport à la courbe II, ce qui indique que la teneur en carbone pour une position
<Desc/Clms Page number 10>
donnée dans l'épaisseur de la paroi de l'élément chauf- fant est moindre. Une telle distribution de carbone cause encore moins de variation dans la résistance électrique de l'élément chauffant que dans le cas de la courbe II et ne produit aucune fragilité appréciable.
La figure 3 montre qu'un mélange d'air atmosphé- rique et de produits de combustion cause une décarburation plus efficace que l'air atmosphérique. Il semble que la présence d'anhydride carbonique, de vapeur d'eau ou de tous les deux dans le mélange facilite la réaction super- ficielle de décarburation et- soit responsable de cette différence.
Si l'on a indiqué deux .':!,lieux fluides particu- liers pour l'obtention d'un emprunt de carbone à la deu- xiéme surface d'un élément chauffant, il y a lieu de no- ter qu'il existe de nombreux autres milieux de décarbura- tion pouvant servir et qui rentrent dans le cadre de l'invention. Parmi ces autres milieux, on citera par exemple la vapeur d'eau ou des milieux solides comme l'oxyde ferrique (Fe2O3).
Dans le procédé de cémentation de pièces en métal ferreux dans le four 10, avec chauffage du four 10 et de la pièce par passage d'un courant électrique à travers la résistance métallique 32, on maintient une première atmosphère de cémentation 18 dans la chambre de traitement thermique 15. On place sur des plateaux les pièces métalliques, par exemple des engrenages, et on les introduit dans la chambre de traitement thermique 15.
Si le traitement thermique est une opération de cémenta- tion, la première atmosphère 18 présente un potentiel
<Desc/Clms Page number 11>
de carbone réglé qui varie de 1,00% à 1,40% à une tempé- rature de cémentation d'environ 927-1010 C.
La première surface principale 34 de l'élément métallique de résistance 32 est exposée à la première atmosphère 18. La deuxième surface principale 35 de l'élément métallique de résistance 32 est exposée à un milieu de décarburation. Dans l'appareil particulier que l'on a décrit, on y parvient en faisant circuler le mi- lieu qui est un fluide, à l'intérieur de la résistance 32 de forme tubulaire. Quand on utilise un milieu de dé- carburation solide tel que l'oxyde de fer, on peut sim- plement bourrer de cette matière l'élément tubulaire 32.
On règle la composition de la première atmos- phère 18 de manière à obtenir à la température de cémenta- tion le potentiel de carbone voulu pour donner une dis- tribution de carbone prédéterminédans la pièce.
Le poteniel de carbone du milieu de décarbu- ration qui baigne la deuxième surface 35 est notablement inférieur à celui de la première atmosphère. L'air, les produits de combustion obtenus avec un excès d'air, et la vapeur d'eau, ont un potentiel de carbone nul. Il est évident que l'on peut utiliser un milieu de décarburation présentent un potentiel de carbone un peu plus élevé, mais c'e&t habituellement désavantageux économiquement.
En tout cas, le milieu doit avoir un potentiel de carbone suffisamment inférieur pour empêcher la formation de carbures intergranulaires dans l'élément et ce poten- tiel doit ordinairement être inférieur d'au moins 0,5 à celui de l'atmosphère de cémentation.
Dans une méthode préférentielle, on allume du
<Desc/Clms Page number 12>
gaz naturel formé de méthane relativement pur et o" mélange les produits de combustion à un excès d'air de 100%. Ce mélange est le milieu de décarburation exposé à la deuxième surface 35, Autrement dit, pour chaque mètre cube de gaz naturel utilisé, il faut environ 20 m3 d'air pour fournir un excès d'air de 100%. Bien que l'on utilise dans cet exemple le gaz naturel, ceci ne limite pas l'invention.
Toutefois, en utilisant un mélange fourni par la combustion d'air et de gaz, on obtient un avantage supplémentaire en ce sens que la température du mélange est d'environ 980 C, donc à peu près égale à la tempéra- ture qui règne à l'intérieur du four. Donc, il ne se produit pas de transfert de chaleur appréciable sur la paroi 33 de l'élément chauffant 28 quand on introduit le mélange de combustion dans l'élément chauffant 28, et les variations de propriété électroniques et les possi- bilités d'apparition de "points chauds" sont réduites au minimum.
Quand on utilise le procédé et l'appareil de l'invention, une fois que l'élément est arrivé à l'équi- libre avec son milieu, la proportion de la paroi 33 de l'élément (voir figure 3) qui est cémentée est si faible que sa résistance n'est pas affectée par la cémentation au point de modifier appréciablement la température de l'élément à une tension donnée. En outre, on évite la fragilité causée par les carbures massifs à la limite des grains. Ainsi, on obtient un élément chauffant élec- trique à résistance qui a une durée utile relativement longue.
<Desc/Clms Page number 13>
Bien que l'on ait décrit l'invention à propos d'une disposition particulière de pièces et de milieux de décarburation particuliers, il est bien entendu que l'on peut faire de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS.
1.- Un élément chauffant électrique à résistance pour four de cémentation qui comprend, en combinaison, une résistance métallique munie de parois qui présentent une première et une deuxième surfaces principales opposées dont la première est exposée à une atmosphère de cémenta- tion du four; des moyens propres à maintenir en contact avec la deuxième surface un milieu de décarburation capa- ble de lui emprunter du carbone et qui présente un poten- tiel de carbone notablement inférieur à celai de l'atmos- phère de cémentation, et des conducteurs électriques pro- pres à amener du courant à la résistance métallique.
2. - Un four chauffé électriquement et comprenant une structure réfractaire définissant une chambre de trai- tement thermique, des moyens propres à maintenir dans cette chambre une première atmosphère qui possède un potentiel de carbone prédéterminé, et un élément chauffant suivant.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.