[0001] La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux fours cloche utilisés
notamment pour effectuer des opérations de recuit de bobines de tôles d'acier en atmosphère
contrôlée.
[0002] On sait que lors de la production de tôles d'acier après laminage à chaud ou à froid,
il est nécessaire de soumettre les tôles à des traitements thermiques en vue d'obtenir
des caractéristiques physiques précises telles que notamment dureté, ductilité, limite
d'élasticité, etc. Ces traitements thermiques consistent en particulier en un recuit
mettant en oeuvre un réchauffage progressif de la tôle jusqu'à l'obtention d'une température
supérieure au point de transformation de l'acier afin d'assurer une recristallisation
et une structure finale qui seront dépendantes de la température atteinte, de la durée
de maintien à cette température et de la vitesse de refroidissement.
[0003] Les traitements de recuit de tôles sont effectués soit au défilé dans des lignes
continues de production de tôle d'acier, soit en mode discontinu, en utilisant des
fours cloche dans lesquels les bobines de tôles sont posées selon une ou plusieurs
piles sur la base du four.
[0004] D'une façon générale, un four cloche du type connu utilisé pour réaliser de telles
opérations de recuit comporte une base fixe munie d'une plaque d'appui sur laquelle
reposent la ou les piles de bobines et sous laquelle est positionnée une turbine de
recirculation de l'atmosphere de recuit afin d'éviter toute oxydation des tôles d'acier.
Un couvercle intérieur isole la charge de l'atmosphère ambiante et de l'atmosphère
du four, ce couvercle reposant sur la périphérie de la base avec interposition d'un
joint annulaire. Ce couvercle est lui-même recouvert d'un four cloche qui est pourvu
de moyens de chauffage assurant le réchauffage de la charge constituée par la ou les
piles de bobines de tôle d'acier. Généralement, les moyens de chauffage de ce four
cloche sont constitués soit par des résistances électriques, soit par des brûleurs
de manière à porter le couvercle intérieur à la haute température nécessaire à l'opération
de recuit. Le transfert thermique entre la couvercle intérieur et les bobines à recuire,
s'effectue alors par rayonnement et par convection grâce à la circulation forcée de
l'atmosphère de protection réalisée par la turbine. Après recuit, le refroidissement
de la charge est obtenu en retirant le four cloche, ce qui permet au couvercle intérieur
de céder les calories de la charge à l'atmosphère environnante par le même processus
d'échanges radiatifs et convectifs entre la charge et le couvercle intérieur. Bien
entendu, il est toujours possible d'accélérer ce refroidissement en utilisant tout
moyen extérieur connu.
[0005] Dans les fours cloche, l'opération de recuit est réalisée sous atmosphère protectrice
d'azote contenant un faible pourcentage d'hydrogène, généralement inférieur à 10 %
et la pression sous le couvercle intérieur est constamment maintenue à une valeur
légèrement supérieure à la pression atmosphèrique afin d'éviter toute oxydation de
la charge durant cette opération. Il est connu par ailleurs pour éviter les consommations
importantes de gaz de protection de même que pour éviter la pénétration de l'oxygène
pendant l'opération de recuit, de prévoir un joint d'étanchéité entre la base et le
couvercle, comme on l'a déjà précisé ci-dessus. Généralement, ce joint d'étanchéité
est constitué soit par un joint du type fluidisé, dans lequel vient reposer la partie
inférieure du couvercle, l'arrêt de la fluidisation transformant ce joint fluidisé
en joint de sable classique, soit par un profilé de caoutchouc, pouvant être éventuellement
refroidi à l'eau, ce profilé étant interposé entre une bride refroidie à l'eau et
placée sur la périphérie de la base et une contre-bride également refroidie à l'eau
positionné à la partie inférieure de couvercle. Ces systèmes de refroidissement à
l'eau sont rendus nécessaires afin d'éviter une destruction thermique du joint résultant
des températures élevées des gaz recirculant sous le couvercle de protection et donc
au contact avec la base, ainsi que pour éviter un endommagement thermique du fait
du couvercle lui-même qui est porté à haute température par le four qui le recouvre.
[0006] Il est connu également que pour améliorer la qualité métallurgique des bobines traitées
ainsi que la productivité des bases, l'atmosphère de protection N₂, + faible pourcentage
de H₂ peut être utilement remplacée par une atmosphere riche en hydrogène (entre 35
et 100 %). Avec une telle atmosphère, l'étanchéité entre cloche, base et atmosphère
devient beaucoup plus critique, tant sur le plan des consommations que sur le plan
de la sécurité, du fait de la diffusivité très grande de l'hydrogène. Le développement
des techniques de recuit sous hydrogène en four cloche monopile a amené un certain
nombre de constructeurs à tenter d'améliorer les techniques d'étanchéité entre couvercle
et base mentionnées ci-dessus.
[0007] C'est ainsi que l'utilisation d'un joint fluidisé assure une étanchéité tout à fait
insuffisante lorsque l'atmosphère de protection est riche en hydrogène et les conditions
actuelles qui font appel aux systèmes de brides et contre-brides refroidies, présente
l'inconvénient d'une part d'accroître le nombre d'opérations de manipulations à effectuer
lors des opérations de recuit puisqu'il faut connecter et déconnecter le circuit de
refroidissement du couvercle intérieur au début et à la fin de chaque opération de
recuit d'une charge et d'autre part d'augmenter, du fait des gradients de température
imposés à la partie inférieure de la cloche, les contraintes thermiques, ce qui se
traduit à court ou moyen terme par une déformation de la partie inférieure du couvercle
et donc par une perte d'étanchéité qui favorise la destruction du joint alors mal
refroidi.
[0008] La présente invention s'est donc fixé comme objectif d'apporter une solution permettant
non seulement de simplifier la conception de la partie basse du couvercle intérieur
mais également d'assurer la pérennité de l'étanchéité du montage base-couvercle intérieur.
Par ailleurs, la conception originale selon l'invention de la partie basse du couvercle
intérieur permet de réduire notablement son niveau de température, en diminuant les
transferts thermiques entre le four et la partie inférieure du couvercle, et entre
l'atmosphère de protection et la partie inférieure du couvercle tout en permettant
en outre d'assurer une évacuation de la chaleur transmise par conduction du métal
du couvercle vers la bride resposant sur le joint d'étanchéité. On peut ainsi garantir
un bas niveau de température en tous points de cette bride, permettant de s'affranchir
de la nécessité d'en assurer le refroidissement par circulation d'eau. Par ailleurs,
la température de la bride est suffisamment homogène pour ne pas induire les contraintes
thermiques habituelles qui, dans les installations connues, déforment la bride et
favorisent des passages de l'atmosphère protectrice à haute température détériorant
le joint et accroissant dramatiquement la fuite.
[0009] Dans le dispositif selon l'invention décrit ci-après, en raison des températures
ainsi assurées au contact du joint, la surface de ce contact peut, sans risque de
surchauffe et vieillissement prématuré, être considérablement accrue en utilisant
des joints de section parallélépipédique à simple ou multiple contact à la place des
joints traditionnels de section circulaire ou ovale.
[0010] La présente invention apporte donc un four cloche notamment pour réaliser des opérations
de recuit sous atmosphère contrôlée de tôles métalliques en bobines qui comprend une
base fixe munie d'une plaque d'appui sur laquelle repose la ou les piles de bobines,
un couvercle intérieur isolant la charge de l'atmosphère ambiante et reposant sur
ladite base avec interposition d'un joint annulaire et un four muni des moyens de
chauffage et qui vient recouvrir le couvercle, caractérisé en ce que l'on réalise
une barrière semi-étanche entre la capacité interne dudit couvercle intérieur et l'espace
annulaire séparant la paroi latérale circulaire de la périphérie de la base et ledit
couvercle intérieur et en ce que la partie inférieure de la virole dudit couvercle
est munie de moyens de refroidissement pour d'une part réduire le flux thermique au
niveau de ladite partie inférieure et d'autre part disperser ce flux thermique dans
l'atmosphère ambiante.
[0011] Selon un exemple de réalisation préféré de l'invention, ladite barrière semi-étanche
est constituée par un anneau porté par un plat circulaire soudé sur la virole inférieure
dudit couvercle qui vient s'appuyer sur un matelas de matériau fibreaux positionné
dans une gorge périphérique prévue sur ladite paroi latérale de la base.
[0012] Selon une autre caractéristique de la présente invention, on prévoit en outre des
plats qui favorisent le transfert de chaleur entre la partie inférieure du couvercle
et l'extérieur. De préférence, ces plats sont réalisés sous la forme d'ailettes radiales
soudées d'une part sur la virole inférieure du couvercle et d'autre part sur une bride
plate venant appuyer sur un joint placé dans une gorge refroidie par circulation d'eau
situé sur la périphérie de la base et sur une couronne annulaire portant le joint
qui assure l'étanchéité entre le four et l'atmosphère ambiante.
[0013] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la
description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un mode
de réalisation dépourvu de tous caractères limitatifs. Sur les dessins :
La figure 1 est une vue schématique représentant dans son ensemble un four cloche
pour opérations de recuit selon la présente invention et
La figure 2 est une vue partielle à plus grande échelle et en coupe verticale représentant
la partie inférieure du couvercle intérieur du four cloche selon l'invention, cette
figure illustrant plus particulièrement les moyens prévus par l'invention pour réduire
le niveau de température.
[0014] En se référant à la figure 1, on voit que le four cloche selon la présente invention,
comporte comme connu une base fixe 11, munie d'une plaque d'appui 12 sous laquelle
est placée la turbine 8 et sur laquelle vient reposer la charge constituée par exemple
d'une ou de plusieurs bobines de tôles d'acier laminé à froid ou à chaud 9. Cette
charge est isolée de l'atmosphère ambiante à l'aide d'un couvercle intérieur 10 qui
repose sur la base 11 avec interposition de moyens d'étanchéité qui seront décrits
ci-après en référence à la figure 2.
[0015] Le couvercle intérieur 10 et recouvert par une cloche 14 qui porte les moyens de
chauffage (non représentés) de type classique, destinés à réaliser, comme on l'a vu
ci-dessus le transfert thermique par rayonnement et convection vers la charge, grâce
à la circulation forcée de l'atmosphère de protection réalisée à l'intérieur de l'enceinte
délimitée par le couvercle 10 (les moyens permettant d'obtenir cette circulation forcée
étant bien connus, ils ne seront pas décrits ici).
[0016] Selon l'invention, on réalise une barrière semi-étanche entre la capacité C du couvercle
10 et l'espace annulaire A qui sépare la paroi latérale circulaire 28 de la base 11
et le couvercle 10 (voir la figure 2). Dans cet exemple de réalisation, cette barrière
semi-étanche est réalisée à l'aide d'un anneau 22, réalisé de préférence avec une
cornière ou avec un tube soudé à l'extrémité inférieure d'une virole interne cyclindrique
20 qui est elle-même soudée sur la partie inférieure du couvercle 10. Comme on le
voit sur le dessin, ce couvercle 10 comporte une virole cylindrique 16 qui est limitée
à sa partie supérieure par un fond 18 pouvant être plat ou bombé et à sa partie inférieure
par une virole tronconique 19. C'est de préférence sur cette virole tronconique 19
qu'est soudée la virole interne cylindrique 20 qui supporte l'anneau 22. Une gorge
périphérique 26 soudée sur la face interne de la paroi latérale 28 de la base est
garnie d'un matelas 24 d'un matériau fibreaux sur lequel vient appuyer l'anneau 22.
On comprend que le système anneau 22-matelas fibreux 24 constitue un joint semi-étanche
entre la capacité C et l'espace annulaire A. Sur la grande base de la virole tronconique
19 du couvercle est soudée une virole cylindrique 36 dont la partie supérieure est
pourvue d'une cornière annulaire 38, tournée vers l'extérieur et sur laquelle est
soudée vers l'extérieur une gorge annulaire 40 recevant un joint 42, par exemple en
fibre céramique armée ou non. La partie inférieure 44 de la base du four 14 vient
reposer partiellement sur ce joint 42 de manière à créer une étanchéité entre l'atmosphère
à haute température du four et l'atmosphère extérieure.
[0017] La virole inférieure du couvercle intérieur est garnie de matériaux isolants 34 et
56. Par ailleurs, l'espace annulaire A séparant le couvercle 10 de la paroi latérale
28 de la base est garni au moins partiellement d'un matériau isolant 30 qui est protégé
par une tôle métallique 32 disposée vers l'extérieur. Grâce à cette disposition, on
évite tout transfert thermique par convention entre les gaz recirculés par la turbine
8 et les zones inférieures de la base et du couvercle. En outre, le matelas de fibres
isolantes 34, 56, disposé dans la partie basse du couvercle 10, permet d'une part
de réduire les échanges par rayonnement entre le four 14 et la partie basse du couvercle
10 et d'autre part de limiter la convection des gaz chauds issus du four entre la
zone inférieure de ce dernier et la partie basse du couvercle 10. Ainsi, l'ensemble
des dispositions décrites ci-dessus contribue à réduire le flux reçu par la partie
inférieure du couvercle pratiquement au seul flux thermique dû à la conductivité du
métal constituant le couvercle. L'essentiel de ce flux est dispersé dans l'atmosphère
grâce à des ailettes 54 qui sont disposées ainsi qu'on le décrira ci-après à la partie
basse de la virole tronconique 19 du couvercle 10.
[0018] Sur la partie inférieure de la virole cylindrique 36 soudée en partie basse de la
virole tronconique 19 du couvercle 10, on soude une bride plate 46. Cette bride 46
vient s'appuyer sur un joint 48 qui est positionnée dans une gorge 50 refroidie à
l'aide d'un caisson d'eau 52 monté sur la périphérie de la base. Le joint 48 peut
être un joint torique cylindrique mais il est cependant préférable d'utiliser un joint
de section parallélépipédique à grande surface de contact, ce qui permet d'accroître
les tolérances d'usinage de la bride 46 et de la gorge porte-joint 50 sans risque
de perte de propriétés mécaniques ou élastiques du joint pour des raisons de surchauffe.
En outre, le joint 48 peut comporter des empreintes de formes plus ou moins complexes
sur sa surface de contact avec la bride 46, de manière à assurer par déformation desdites
empreintes, une parfaite répartition de la pression exercée par le poids du couvercle
10, cette disposition contribuant ainsi à assurer l'étanchéité. Il et connu que la
pression due au poids du couvercle peut être complétée au moyen de vérins placés autour
de la base et venant exercer une pression de fermeture sur la bride 46.
[0019] Ainsi qu'on l'a vu ci-dessus, on prévoit des ailettes 54 pour disperser le flux thermique
issu par conduction de la virole tronconique 19 du couvercle. Dans l'exemple de réalisation
non limitatif représenté sur la figure 2, les ailettes 54 sont disposées radialement
et elles sont soudées d'une part à la virole inférieure cylindrique 36 et d'autre
part sur la bride plate 46 et sur la cornière annulaire 38.
[0020] La disposition décrite ci-dessus permet d'une part de réduire le flux thermique arrivant
au niveau de la bride plate 46 et d'autre part de disperser ce flux thermique dans
l'atmosphère ambiante. On assure ainsi à tous les régimes une température de cette
bride plate qui est nettement inférieure à la température limite d'emploi des matériaux
servant à confectionner le joint 48. Cette disposition permet donc d'utiliser en contact
avec la bride 46 un joint 48 constitué de matériaux élastomères (caoutchouc ou matière
plastique) sans qu'il soit nécessaire de l'insérer entre deux brides ou deux caissons
refroidis à l'eau. Par ailleurs, cette réduction importante du flux thermique aboutissant
à la bride 46 permet d'éviter tout gradient de température significatif entre le petit
rayon et le grand rayon de cette bride plate 46, ce qui limite considérablement les
contraintes thermiques et par conséquent les risques de déformation de la bride 46
à court ou à moyen terme.
[0021] Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples
de réalisation décrits ci-dessus mais elle en englobe toutes les variantes.
1- Four cloche notamment pour réaliser des opérations de recuit sous atmosphère contrôlée
de tôles métalliques en bobines qui comprend une base fixe munie d'une plaque d'appui
sur laquelle repose la ou les piles de bobines, un couvercle intérieur isolant la
charge de l'atmosphère ambiante et reposant sur ladite base avec interposition d'un
joint annulaire et un four muni des moyens de chauffage et qui vient recouvrir le
couvercle, caractérisé en ce que l'on réalise une barrière semi-étanche (22, 24, 26)
entre la capacité interne (C) dudit couvercle intérieur et l'espace annulaire (A)
séparant la paroi latérale (28) circulaire de la périphérie de la base et ledit couvercle
intérieur et en ce que la partie inférieure de la virole (19, 36) dudit couvercle
est munie de moyens de refroidissement (46, 48, 50, 52) pour d'une part réduire le
flux thermique au niveau de ladite partie inférieure et d'autre part disperser ce
flux thermique dans l'atmosphère ambiante.
2- Four cloche selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace annulaire
(A) séparant le couvercle (10) de la paroi latérale (28) de la base est garni au moins
partiellement d'un volume de matériau isolant (30) protégé par une tôle métallique
extérieure (32).
3- Four cloche selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite
barrière semi-étanche est constituée par un anneau (22) porté par un plat circulaire
(20) soudé sur la virole inférieure (19) dudit couvercle (10) qui vient s'appliquer
sur un matelas de matériau fibreux (24) positionné dans une gorge périphérique (26)
prévue sur ladite paroi latérale (28) de la base.
4- Four cloche selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que les moyens de refroidissement prévus à la partie inférieure de la virole
inférieure (19) dudit couvercle (10), comportent une bride plate (46) soudée en partie
basse (36) de cette partie inférieure et prenant appui sur un joint (48) positionné
dans une gorge (50) refroidi par un caisson d'eau annulaire (52) monté sur la périphérie
de la base.
5- Four cloche selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit joint (48) est
de section parallèlépipédique, à grande surface de contact et il peut comporter des
empreintes sur sa surface de contact avec la bride plate (46) de manière à assurer
par déformation une parfaite répartition de la pression exercée par le poids du couvercle
intérieur (10).
6- Four cloche selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que l'on prévoit des ailettes (54) soudées sur la virole inférieure du couvercle.
7- Four cloche selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on
prévoit des matériaux fibreux (34, 56) en partie inférieure du couvercle.