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"RESERVOIR D'EAU CHAUDE EN ACIER INOXYDABLE"
La présente invention concerne des réservoirs d'eau chaude, et en particulier des réservoirs d'eau chaude fabriqués en acier inoxydable.
Il est bien connu que les réservoirs d'eau chaude utilisés aux Etats-Unis sont variables dans leur construction, depuis les réservoirs entièrement galvanisés dis en forme et rivetés en môme temps, jusqu'aux réservoirs modernes, plus évolués, qui emploient un revêtement tel que la pierre ou le verre. Différentes formes d'énergie sont utilisées pour produire la chaleur désirée. Des considérations compétitives ont amené ce secteur de l'industrie à essayer de produire un réservoir d'eau chaude à durée de vie prolongée.
Tout natu- rellement, les fabricants de réservoirs d'eau chaude cher- chent, entre autres, à utiliser l'acier inoxydable pour cons- truire de tels réservoirs, Les premiers essaie en ce domaine
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ont été désastreux, car le métal choisi pour les réservoirs d'eau chaude était un acier austénitique de nuance 300 sui- vant les normes de l'AISI (American Iron and Steél Instituts Ce métal présente des défauts en cours de service, car dans la fabrication d'un réservoir d'eau chaude,l'acier austéni- tique inoxydable est travaillé à froid et les différentes parties sont soudées pour former le réservoir.
Le défaut a été décelé comme étant une corrosion due aux contraintes* Bien qu'il fût possible de former des aciers austénitiques Inoxydables et de souder les différentes parties pour obte- nir le réservoir d'eau chaude, et ensuite de traiter à chaud les mômes dans la fabrication des réservoirs d'eau chaude, ceci n'était pas économique et n'était pas une vraie solu- tion du problème.
Des essais ultérieurs ont été faite en changeant l'acier de nuance austénitique inoxydable en un acier de nuance ferritique. On a ainsi trouvé que l'acier de nuance AISI 430, lorsqu'on l'emploie, ne présente pas de corrosion due aux contraintes mais souffre d'autres défauts. En parti- culier, lorsque l'acier 430 est soudé, une partie de la ma- tière qui se trouve dans la zone de la soudure chauffée est élevée à une température suffisamment haute pour qu'il y ait formation de la phase austénitique.
Ensuite, lors du refroi- dissement de l'acier, le taux de refroidissement est assez élevé pour qu'il y ait formation d'un composé martensitique, rendant ainsi les soudures trop cassantes. Ceci nécessite à la fois un traitement antérieur et postérieur au soudage du réservoir soudé, ce qui ne donne pas satisfaction à nouveau à cause des problèmes impliqués, tels que l'élévation du coût de traitement.
On a constaté que, pour remédier à ces difficultés, si le composé martensitique peut être éliminé de la zone de soudure, la soudure cassante peut être éliminée, et aucun
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traitement thermique antérieur ou postérieur n'est nécessaire.; La composition décrite dans ce qui suit a été établie dans ce but
La présente invention a pour objet un réservoir d'eau chaude formé d'un acier inoxydable ferritique,
L'invention a également pour objet un réservoir d'eau chaude pouvant être fabriqué par l'emploi de techni- ques conventionnelles de soudage, sans nécessiter de traite- ment thermique avant ou après le soudage.
Un autre objet est de produire un réservoir d'eau chaude formé d'acier ino- xydable ferritique contenant du titane, le titane étant pré- sent dans une proportion minimale égale à 10 fois celle du carbone, et maximale de 1,25%.
Un objet plus particulier de l'invention est de produire un réservoir d'eau chaude en acier inoxydable à par- ties supérieure et inférieure convexes, toutes deux en cons- truction soudée, le réservoir d'eau chaude étant fait d'un acier contenant, comme composés essentiels, du chrome et du titane, le titane étant de préférence dans une proportion égale à 12 à 15 fols celle du carbone contenu dans l'acier inoxydable,
La description qui va suivre, en regard des des- sine annexée à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- prendre comment la présente invention peut être mise en pra- tique,
La figure 1 est une vue en coupe schématique mon- trant un réservoir d'eau chaude de fabrication ordinaire.
La figure 2 est une vue en coupe schématique mon- trant un:réservoir d'eau chaude agencé selon la présente in- vention.
La figure 3 représente la courbe du taux de corro- sion en fonction du rapport titane/carbone, selon l'essai
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HUEY.
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Le réservoir d'eau chaude 10 de la figure 1 , cons- truit avec des moyens ordinaires, comprend une paroi cylindri- que verticale 12, une partie supérieure concave 14 et une par- tie inférieure concave 16. La paroi cylindrique verticale est faite habituellement d'une tôle d'acier à laquelle on donne une forme circulaire, puis qu'on soude suivant la li- gne 17, Le réservoir est ensuite assemblé en liant, par les soudures 18, aux parties supérieure 14 et inférieure 16 la paroi cylindrique 12, selon tout procédé connu, par exemple, par soudage, par résistance ou par fusion.
Comme il est dit précédemment, quand l'acier austénitique inoxydable est em- ployé dans le procédé de construction du réservoir d'eau chaude, tel qu'indique sur la figure 1, un défaut apparaît par corrosion due aux contraintes. De plus, on trouve que la construction concave de la partie inférieure 16 conduit à une partie creuse 20, entre la paroi cylindrique verticale 12 et la partie inférieure 16, dans laquelle des dépôts mi- ! néraux, schématisés en 22, de rassemblent.
Ces dépôts miné- raux sont extrêmement difficiles à éliminer, et par applica- tions répétées de chaleur, ils influent considérablement sur le transport de chaleur de l'eau contenue dans le réservoir d'eau chaude, et de plus, l'apparition de ces dépôts minéraux conduit à une action corrosive dans la partie creuse 20.
Alors que l'emploi de l'acier inoxydable de nuance AISI 430 élimine les défauts due à la corrosion, elle-même due aux contraintes, les joints de soudure 18 conduisent à une fragi- lité, de sorte que le problème n'est pas résolu. !
Pour simplifier ces conditions, il apparaît néces- maire d'éliminer toute possibilité de corrosion intepgranu- laire, qui se produit normalement quand le métal de base est chauffé à une température donnée pendant le soudage. Donc, on conclut que la température de sensibilisation doit être élevée pour minimiser la possibilité de corrosion inter-gra-
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nulaire de la matière.
On conçoit donc que par la détermina- tion de la composition, comme il est décrit dans la suite, la possibilité de corrosion inter-granulaire puisse être mi- nimbée. De façon générale, on trouve que les réservoirs d'eau chaude doivent être constitués d'un acier dont la com- position se trouve dans les limites données ci-dessous, pour minimiser la possibilité de corrosion inter-granulaire de
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ces aoiera, lors d'un soudages Le tableau I ci-donnous donne le domaine de composition approchée et le domaine de composi- tion optimale.
TABLEAU I
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<tb> Elément <SEP> Domaine <SEP> approcha <SEP> Domaine <SEP> optimal <SEP>
<tb>
<tb> (%) <SEP> (%)
<tb>
EMI5.3
C 0,07 max, 0, ' wax, rrn 0,20 -0,50 0,20 0,50 Si 0,20 - 0,50 o,zo w q,5o Cr 17s73 - 18,75 l7t75 - 18,75
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<tb> Ni <SEP> 0,50 <SEP> max, <SEP> 0,50 <SEP> max,
<tb>
<tb> Al <SEP> 0,15 <SEP> max, <SEP> 0,15 <SEP> max.
<tb>
<tb>
Ti <SEP> de <SEP> 10 <SEP> fois <SEP> la <SEP> 12 <SEP> à <SEP> 15 <SEP> foie <SEP> la
<tb> proportion <SEP> de <SEP> C <SEP> proportion <SEP> C
<tb> à <SEP> 1,25
<tb>
<tb> Fe <SEP> complément <SEP> complément
<tb>
Dans l'acier inoxydable ayant à peu près la oompo- sition désignée dans le tableau I, il est préférable de li- miter la proportion de carbone à 0,07% maximum, bien que la proportion optimale de carbone soit inférieure à environ 0,05%. La composition de carbone la plue basse est déterminée par le point de vue qu'on peut employer un acier plus élabo- ré, qu'on peut employer moins de titane, et que la composi- tion globale peut être contrôlée plus sévèrement, La composi-
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tion de chrome peut varier entre bzz et l8o75%,
La fono-
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tion principale du chrome est de produire le degré requis de ; résistance à la corrosion et à l'oxydation, et en même temps supprimer la boucle gamma et produire une microstructure assez ferritique de l'acier dans sa forme finale.
C'est aussi pour cette raison que la composition de nickel du présent acier est limitée à un maximum de 0,5% pour supprimer complè- tement la formation d'austénite pendant le traitement thermi- que et donc en éliminant la formation de tout composé marten- ;
sitique, aussi bien pendant le refroidissement suivant le traitement thermiqua que dans tout soudage, On préfère ausii limiter la composition d'aluminium à 0,15% au maximum, Tandis que l'aluminium sert à réduire, on fait den additions au bain pour former une gangue de chaux et d'alumine) aoua réserve que la composition d'aluminium doit être limitée à un maximum ! de 0,15% pour obtenir le controle désiré de la compostion de titane.
La proportion do titane dans l'acier est extrême- ! ment importante et doit être limitée dans les domaines étroits; indiqués précédemment. Ainsi, on trouve que la proportion mi- nimale de titane doit être au moins 10 fois celle du carbone et que la proportion maximale ne peut pas dépasser 1,25%. La teneur minimale en titane assure l'absence de corrosion inter- granulaire, comme on peut le déterminer par l'essai HUEY, et comme il est expliqué de façon plus détaillée dans ce qui suit. Le maximum, naturellement, est dicté par la purifica- tion du métal, aussi bien que par les économies évidentes de fusion et de récupération du titane.
Le complément de la coin- position est essentiellement le fer avec ses Impuretés acci- dentelles habituelles et les apporta connus d'autres compo- sants qu'on trouve normalement dans la fabrication commercial le de ces aciers, par exemple le manganèse entre des limites de 0,20% et 0,50%, le silicium entre les limites de 0,20% et 0,50% et un maximum d'environ 0,03% de phosphore, de soufre, etc.
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Pour démontrer de façon plus claire les avantagea de .'acier de cette composition, on se reporte au tableau II quicontient une liste de compositions chimiques, et les rap- p @ts titane/carbone, d'une série de coulées dont les prélè- v@@ents ont été essayés pour déterminer la résistance à, la errosion de l'acier, et qui sert de base pour prévoir le comportement dudit acier dans son emploi pour un réservoir d'eau chaude employant une construction entièrement coudée,
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TABLEAU II
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<tb> Analyses <SEP> chimiques
<tb>
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Elément RV-711 RV-712 av- i 3 2C642 38850 38664 Rv..W 4 v..7' 5 38653 c 0,045 oo4g 0,050 o,o44 0,045 0,050 o,o46 0,050 o,o42 Hn 0,38 0,39 0,42 o,4o o,
46 0,43 0,40 0,38 o,49
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<tb> p <SEP> 0,006 <SEP> 0,008 <SEP> 0,007 <SEP> 0,008 <SEP> 0,015 <SEP> 0,014 <SEP> 0,006 <SEP> o,oo6 <SEP> 0,011
<tb> s <SEP> 0,011 <SEP> 0,010 <SEP> 0,010 <SEP> 0,003 <SEP> 0,012 <SEP> 0,010 <SEP> 0,009 <SEP> 0,010 <SEP> 0,009
<tb>
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Si 0,48 0,44 0,45 O#45 0,46 z,30 0,26 O,42 0,46 Cr 18,28 18,35 18,75 lg,:38 18,03.,- 18,25 18,10 18,10 18,22 Ni 0,46 0,030 0,020 'J,01 E?=i?' 01,32 0,003 0,00 z Ti 0,26 0,37 0.7 o,45 o,54 Os60 opc;4 0,70 0,64 Ti/C 5,8 796 9,4 10,2 rtz,o 9¯0 1201 13,7 15*2 r . )¯¯¯i###;
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Les aciers indiqués dans le tableau II ont une com- position qui se trouve à peu près dans le domaine indiqua pré- cédemment dans le tableau I, et ils contiennent comme varia- ble le rapport titane/carbone.
Ces aciers, sous forme de feuilles, sont soumis à l'essai de l'acide nitrique fluorhy- drique, qui consiste à portée à ébullition l'échantillon d'es- sai pendant trois périodes d'une demi-heure dans une solution comprenant 15% en volume d'acide nitrique et 3% en volume d'acide fluorhydrique. L'échantillon soumis à cet essai se compose d'une pièce de métal mesurant environ 25 mm sur 50 mm, qui ont coupée en deux, et ensuite soudée dans le sens longi- tudinal, par l'emploi de la méthode connue du soudage à l'arc sous atmosphère d'hélium, sans aucune addition de métal d'ap- port.
Il est significatif que les coulées RV-711, RV-712 et RV-713, qui ont un rapport titane/carbone compris entre 5,8 et 9,4 montrent une attaque inter-granulaire dans les zones de soudure soumises à la chaleur; lorsque le rapport titane/ carbone devient supérieur à 10, comme il est montré dans les coulées 2C642, 38650, 38864, RV-714, RV-715 et 38653, une attaque 'très faible, ou non préférentielle, se produit dans les soudures.
Alors que l'essai précédent est essentiellement qualitatif, dans la mesure où l'échantillon subit l'essai avec ou sans succès, néanmoins il sert à indiquer qu'une com- position minimale de titane d'au moins 10 fois la composition ! du carbone est extrêmement importante dans ces aciers,
En tenant compte des résultats précédents, l'acier ; est ensuite soumis à l'essai dit "HUEY", qui utilise des échantillons d'essai coupés en deux et soudés à l'arc sous atmosphère d'hélium, et immerge les mêmes échantillons dans de l'acide nitrique à 65% porté à l'ébullition. pour cinq pé- riodes consécutives de 48 heures. Le tableau III ci-dessous donne les résultats de ces essais, calculés sur la base de la pénétration par mois, exprimée en mm.
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T A B L E A U III Taux de corrosion - Essai Huey (acide nitrique à 65%, à l'ébullition)
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<tb> Coluée <SEP> Ti/C <SEP> Taux <SEP> de <SEP> corrosion <SEP> (pénétration <SEP> par <SEP> mois <SEP> en <SEP> mm)
<tb> Coulée <SEP> Ti/C <SEP> 1ère <SEP> période <SEP> 2ème <SEP> période <SEP> 3ème <SEP> période <SEP> 4ème <SEP> période <SEP> 5ème <SEP> période <SEP> Moyenne
<tb> RV-711 <SEP> 5,8 <SEP> 0,314 <SEP> 0,577 <SEP> 0,6@ <SEP> - <SEP> - <SEP> 0,513
<tb> 0,310 <SEP> 0,558 <SEP> 0,630 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0,500
<tb> RV-712 <SEP> 7,6 <SEP> 0,051 <SEP> 0,180 <SEP> 0,249 <SEP> 0,315 <SEP> - <SEP> 0,198
<tb> 0,051 <SEP> 0,198 <SEP> 0,256 <SEP> 0,305 <SEP> - <SEP> 0,203
<tb> RV-713 <SEP> 9,4 <SEP> 0,030 <SEP> o,o66 <SEP> 0,230 <SEP> 0,350 <SEP> 0,356 <SEP> 0,206
<tb> 0,030 <SEP> 0,063 <SEP> 0,228 <SEP> 0,338 <SEP> 0,343 <SEP> 0,
200
<tb> 2C642 <SEP> 0,036 <SEP> 0,076 <SEP> 0,071 <SEP> 0,135 <SEP> 0,096 <SEP> 0,083
<tb> o,o4o <SEP> 0,071 <SEP> 0,068 <SEP> 0,137 <SEP> 0,096 <SEP> 0,083
<tb> RV-714 <SEP> 12,1 <SEP> 0,036 <SEP> 0,058 <SEP> 0,102 <SEP> 0,145 <SEP> 0,175 <SEP> 0,104
<tb> 0,036 <SEP> 0,056 <SEP> 0,091 <SEP> 0,132 <SEP> 0,157 <SEP> 0,094
<tb> RV-715 <SEP> 13,7 <SEP> 0,038 <SEP> 0,061 <SEP> 0,107 <SEP> 0,155 <SEP> 0,218 <SEP> 0,117
<tb> 0,038 <SEP> 0,068 <SEP> 0,119 <SEP> 0,167 <SEP> 0,39 <SEP> 0,127
<tb>
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Ces résultats sont reportée sur la figure 3 ci- jointe,, et démontrent olairement que jusqu'à ce que le rapport titane/carbone atteigne environ 10/1, l'acier ayant la compo- sition décrite précédemment est sujet à un taux élevé de cor- rosion inter-granulaire dans la soudure.
D'autre part, dans les régions où l'acier a un rapport titane/carbone supérieur à environ 10/1, le taux de corrosion est diminué,
Ce qui précède démontre clairement que sur la base des essais de laboratoire, l'acier employé dans les réser- voirs d'eau chaude de la présente invention possède une absen- ce marquée de corrosion inter-granulaire dans les régions où la composition de titane reste à l'intérieur d'un domaine cri- tique.
Ceci a pour résultat que le soudage à l'arc sous atmos- phère d'hélium, de môme que toute autre forme de soudage par fusion, peut être employée en soudage automatique pour fabri- quer le réservoir d'eau chaude de l'invention,
Le réservoir d'eau chaude 30 de la figure 2 est constitué d'une paroi verticale 32 fabriquée avec l'acier dont la composition est indiquée précédemment dans le tableau .
I, à laquelle on a donné une forme circulaire et soudée bout ' à bout en 34. Biun que l'acier employé dans le réservoir d'eau' chaude de l'invention résiste à la corrosion inter-granulaire,: et soit fait de façon qu'aucune martensite ne se forme lors d'un soudage, il est maintenant possible d'utiliser une partie; supérieure convexe 36 et une partie inférieure convexe 38 et ! d'assembler le tote à la paroi verticale 32 par toutes tech- niques de soudage :ar fusion connues, par exemple le soudage à l'arc sous atmosphère d'hélium, en 40.
Le réservoir d'eau chaude ainsi fabriqué élimine le problème de la partie creuse existant dans le réservoir ordinaire et rend donc l'élimina- tion des minéraux précipités très facile dans le réservoir de l'invention. De plus, comme l'acier est essentiellement ferritique, il n'est pas sujet à la corrosion due aux con-
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traintes, et grâce à la compostion critique de titane l'acier de l'invention ne montre aucune possibilité marquée à la sen- sibilisation ou formation de martensite provenant du soudage.
Comme les techniques habituelles de soudage par fusion peuvent être employées pour assemble.' ces aciers, aucune habileté spé- ciale ni équipement particulier ne sont requis pour réaliser l'invention.