Procédé de traitement thermique de métaux

Description

[0001] L'invention concerne le traitement thermique de métaux par passage continu de pièces métalliques dans une zone allongée sous atmosphère contrôlée présentant une partie amont à température élevée où ladite atmosphère contrôlée comprend de l'azote et des espèces chimiques réductrices, notamment de l'hydrogène, éventuellement du monoxyde de carbone et une partie aval à température plus faible sous atmosphère.

[0002] Ce type d'atmosphère contrôlée qui est essentiellement utilisée pour le recuit de pièces métalliques est jusqu'à maintenant produit de la façon suivante :
- soit on utilise un générateur exothermique assurant la combustion incomplète d'un hydrocarbure et de l'air et délivrant des gaz de combustion qui, après épuration éventuelle, contiennent de l'hydrogène et du monoxyde de carbone tous deux réducteurs à des teneurs respectives qui dépendent du rapport air/hydrocarbure admis dans le générateur. A titre d'exemple, une telle atmosphère exothermique peut contenir de 5 à 10 % de monoxyde de carbone et 6 à 12 % d'hydrogène
- soit on réalise une atmosphère synthétique à partir de gaz industriels purs tels que l'azote et l'hydrogène. L'azote est produit par distillation cryogénique de l'air et contient très peu d'impuretés ; par exemple le total des impuretés vapeur d'eau et oxygène est généralement inférieur à 10 vpm. On adjoint à cet azote très pur de l'hydrogène, ou un hydrocarbure, ou de l'hydrogène et un hydrocarbure, ou du méthanol de façon à produire une atmosphère réductrice et le cas échéant non décarburante pour traiter les pièces métalliques.

[0003] Cette seconde façon de faire a l'avantage de maîtriser complètement la qualité de l'atmosphère de traitement mais présente l'inconvénient de mettre en oeuvre de l'azote cryogénique qui est relativement onéreux. C'est la raison pour laquelle on a été conduit à tenter de réduire les débits de gaz admis en créant notamment en sortie de la zone de refroidissement un tampon d'azote qui permet d'éviter toute remontée d'air au travers de la zone de refroidissement assurant ainsi une réduction significative du débit global admis. Malgré cette réduction de débit importante, il s'est avéré que les gaz industriellement purs sont encore loin d'être économiquement attractifs par rapport aux gaz produits par un générateur exothermique.

[0004] C'est la raison pour laquelle, dans certaines applications où cela s'est avéré possible, on a proposé de remplacer l'azote cryogénique par de l'azote produit par séparation d'air selon les techniques d'adsorption ou de perméation sélective qui, dans certaines conditions de production, conduisent à des coûts nettement réduits par rapport à l'azote cryogénique au détriment cependant de l'impureté oxygène puisque l'azote produit par adsorption contient usuellement une teneur résiduelle en oxygène de 0,5 % à 5 % alors que la teneur résiduelle en oxygène de l'azote produit par perméation dépasse généralement 3 % et peut aller jusqu'à 10 %.

[0005] Cette impureté oxygène rend très difficile l'utilisation directe de cet azote brut pour élaborer une atmosphère de traitement thermique convenable. En pratique, on a proposé l'azote produit selon le procédé de perméation sélective uniquement pour la production d'atmosphères réalisées à partir d'azote et de méthanol, comme cela est décrit dans l'article "Heat treating processess with nitrogen and methanol based atmosphere" M. KOSTELITZ and al. dans "Journal of Heat trating" volume 2 N° 1 - 35 et dans les brevets français 79.05.599, 82.12.380 et 85.12.379 au nom de la demanderesse. Une telle atmosphère réalisée à partir d'azote à teneur résiduelle en oxygène et de méthanol peut en effet être utilisée théoriquement dans différentes applications, à savoir le chauffage avant trempe, la carbonitruration et la cémentation d'acier. Mais ce n'est que dans ce dernier domaine que l'utilisation d'azote à teneur résiduelle en oxygène a reçu une utilisation industrielle et cela du fait de la température élevée, de l'ordre de 900°C, que la cémentation implique, cette température favorisant la réaction de l'oxygène résiduel véhiculé par l'azote avec les espèces chimiques de type hydrocarbures admis simultanément pour former l'atmosphère de base.

[0006] On a bien envisagé de purifier l'azote à teneur résiduelle en oxygène produit par adsorption ou perméation en faisant réagir par voie catalytique l'oxygène avec un apport correspondant d'hydrogène suffisant pour assurer l'élimination complète de tout l'oxygène, mais ce procédé relativement onéreux conduit à un coût de production voisin de l'azote cryogénique, ce qui défavorise cette forme d'elaboration d'azote pur, d'autant plus que la production d'azote par adsorption ou perméation ne présente pas les avantages de souplesse et de simplicité de la production de l'azote cryogénique.

[0007] La présente invention vise un procédé de traitement thermique des métaux qui permet de réduire substantiellement le coût de l'atmosphère de traitement tout en assurant les qualités requises de ladite atmosphère qui doit être dépourvue d'oxygène aussi bien dans la partie amont à température élevée que dans la partie aval à température plus faible et ce procédé selon l'invention est caractérisé en ce que dans la partie amont à température élevée l'azote de constitution de l'atmosphère est fourni par admission d'azote à teneur résiduelle en oxygène ne dépassant pas 5 % et de préférence supérieure à 0,5 % élaboré par séparation d'air selon les techniques de perméation ou d'adsorption, les dites espèces réductrices étant à tout moment présentes en teneurs au moins suffisantes pour éliminer l'oxygène ainsi admis avec l'azote, tandis que l'atmosphère contrôlée en partie aval de ladite zone allongée de traitement thermique est formée par admission d'un débit gazeux prélevé de la partie amont à température élevée et directement transféré dans ladite partie aval à température plus faible. Ainsi, dans la zone à haute température, en adjoignant ou en créant in situ en quantités suffisantes des espèces réductrices telles que l'hydrogène et le monoxyde de carbone, on assure l'élimination quasi-instantanée et quasi-complète de l'oxygène admis avec l'azote par transformation en vapeur d'eau et en gaz carbonique, tout en maintenant, si besoin est, une teneur suffisante en les dites espèces réductrices pour que les rapports H₂/H₂O et CO/CO₂ restent dans les limites convenables à la fois pour assurer l'effet de traitement requis sans pour autant provoquer l'oxydation des pièces en cours de traitement. Dans la zone à température moins élevée, nettement plus faible et en tout cas insuffisante pour assurer la réaction immédiate entre l'oxygène résiduel véhiculé par l'azote et les espèces réductrices éventuellement présentes, on contourne cette difficulté en prélevant un débit approprié de la zone à température élevée que l'on transfère purement et simplement dans la zone à température moins élevée.

[0008] Selon l'invention, le débit prélevé de la partie amont à température élevée est compris entre 2 % et 75 % du débit global admis en partie amont à température élevée.

[0009] Selon une mise en oeuvre, le débit prélevé de la partie amont à température élevée est compris entre 2 % et 35 % du débit global admis en partie amont à température élevée.

[0010] Selon une autre mise en oeuvre le débit prélevé de la partie amont à température élevée est compris entre 25 % et 75 % du débit global admis en partie amont à température élevée.

[0011] Dans une forme d'application, la zone allongée est une zone continue avec une partie amont à température élevée et une partie aval de refroidissement.

[0012] Dans une autre forme d'application, la zone allongée est discontinue et comprend une partie de zone amont à température élevée et une partie de zone aval à température moins élevée et selon une forme d'application plus particulière, la zone de traitement amont à température élevée et la zone aval à température moins élevée sont séparées entre elles par un poste de traitement hors atmosphère contrôlée, par exemple en bain liquide.

[0013] De préférence et quelle que soit les formes de mise en oeuvre d'application, le prélèvement du débit gazeux hors de la zone amont à température élevée pour le transférer dans la zone aval à température moins élevée s'effectue à l'aval d'un point d'admission de gaz constitutif de ladite atmosphère contrôlée en zone à température élevée et de préférence le prélèvement du débit gazeux hors de la zone amont à température élevée pour le transférer dans la zone aval à température moins élevée s'effectue entre deux points d'admission de gaz constitutifs de ladite atmosphère contrôlée en zone à température élevée.

[0014] L'invention concerne plus particulièrement certains exemples de mise en oeuvre suivants qui sont détaillés à titre illustratif.

PREMIER EXEMPLE : RECUIT D'ACIER A BASSE TENEUR EN CARBONE (≦ 0,3 %)

[0015] - On admet 60 m³/h en plusieurs points de la zone amont à température élevée d'un four. Une proportion (70 %) de ce débit (soit 42 m³/h) est de l'azote obtenu par perméation ou adsorption avec un résiduel d'oxygène de 0,5 %, tandis que les 30 % restants (soit 18 m³/h) sont constitués par 12 m³/h d'hydrogène et 6 m³/h de monoxyde de carbone provenant du craquage de 10,6 l/h de méthanol admis avec l'azote.
- on prélève de ladite zone à température élevée 5 m³/h (8,3 % du débit global) par un piquage situé entre deux points d'injection, puis on les achemine et on les réinjecte en sortie du four afin d'éviter toute oxydation en zone de refroidissement.

DEUXIEME EXEMPLE : CHAUFFAGE AVANT TREMPE DE BANDES MINCES D'ACIER, SUIVI D'UNE TREMPE ET D'UN REVENU

[0016] La tôle subit ici un chauffage avant trempe à 950°C dans une zone de traitement amont à température élevée formée par un premier four. La bande est ensuite trempée en sortie du premier four dans un bain de plomb liquide avant de subir un revenu à 400°C dans une seconde zone de traitement formée par un second four.
- on admet 30 m³/h d'atmosphère en deux points espacés du premier four. Cette atmosphère est composée à 70 % d'azote obtenu par perméation ou adsorption (21 m³/h) avec un résiduel d'oxygène de O.5 %, et à 30 % d'hydrogène (6 m³/h) et de CO (3 m³/h) provenant du craquage de 5,3 l/h de méthanol vaporisé. La température de 950°C est suffisante pour assurer un craquage correct du méthanol ainsi que la combinaison de l'oxygène résiduel avec les espèces réductrices présentes (H₂ et CO). Dans le second four, en revanche, la température de 400°C est insuffisante et le traitement de revenu par les gaz industriels nécessiterait l'emploi d'azote cryogénique et d'hydrogène, ce qui est difficilement acceptable du point de vue économique.

[0017] Selon l'invention, on utilise dans le second four l'atmosphère de traitement du premier four en prélevant par l'extraction en un point intermédiaire (15 m³/h) de l'atmosphère du premier four (soit 50 % du doit total injecté) pour l'injecter dans le second four.

Revendications

1. Procédé de traitement thermique de métaux par passage de pièces métalliques dans une zone allongée sous atmosphère contrôlée présentant une partie amont à température élevée où ladite atmosphère contrôlée comprend de l'azote et des espèces chimiques réductrices, notamment de l'hydrogène, éventuellement du monoxyde de carbone, et une partie aval à température plus faible sous atmosphère, caractérisé en ce que dans la partie amont à température élevée l'azote de constitution de l'atmosphère est fourni par admission d'azote à teneur résiduelle en oxygène ne dépassant pas 5 % élaboré par séparation d'air selon les techniques de perméation ou d'adsorption, les dites espèces réductrices étant à tout moment présentes en teneurs au moins suffisantes pour éliminer l'oxygène ainsi admis avec l'azote, tandis que l'atmosphère contrôlée en partie aval de ladite zone allongée de traitement thermique est formée par admission d'un débit gazeux prélevé de la partie amont à température élevée et directement transféré dans ladite partie aval à température plus faible.

2. Procédé de traitement thermique de métaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur résiduelle de l'azote de constitution de l'atmosphère de la partie amont à température élevée est supérieure à 0,5 %.

3. Procédé de traitement thermique de métaux selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le débit prélevé de la partie amont à température élevée est compris entre 2 % et 75 % du débit global admis en partie amont à température élevée.

4. Procédé de traitement thermique de métaux selon la revendication 3, caractérisé en ce que le débit prélevé de la partie amont à température élevée est compris entre 2 % et 35 % du débit global admis en partie amont à température élevée.

5. Procédé de traitement thermique de métaux selon la revendication 3, caractérisé en ce que le débit prélevé de la partie amont à température élevée est compris entre 25 % et 75 % du débit global admis en partie amont à température élevée.

6. Procédé de traitement thermique de métaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la zone allongée est une zone continue avec une partie amont à température enlevée et une partie aval de refroidissement.

7. Procédé de traitement thermique de métaux selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la zone allongée est discontinue et comprend une zone amont de traitement à température élevée et une zone aval de traitement à température moins élevée.

8. Procédé de traitement thermique de métaux selon la revendication 7, caractérisé en ce que la zone amont de traitement à température élevée et la zone aval de traitement à température moins élevée sont séparées entre elles par un poste de traitement hors atmosphère contrôlée, par exemple en bain liquide.

9. Procédé de traitement thermique de métaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le prélèvement du débit gazeux hors de la zone amont à température élevée pour le transférer dans la zone aval à température moins élevée s'effectue à l'aval d'un point d'admission de gaz constitutif de ladite atmosphère contrôlée en zone amont à température élevée.

10. Procédé de traitement thermique de métaux selon la revendication 9, caractérisé en ce que le prélèvement du débit gazeux hors de la zone amont à température élevée pour le transférer dans la zone aval à température moins élevée s'effectue entre deux points d'admission de gaz constitutifs de ladite atmosphère contrôlée en zone amont à température élevée.

11. Application du procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 9, 10 au recuit de pièces métalliques, avec admission en zone amont à température élevée d'azote élaboré selon la technique de séparation d'air par perméation ou adsorption à teneur résiduelle en oxygène, ainsi que du méthanol se décomposant par craquage en hydrogène et monoxyde de carbone, l'hydrogène et le monoxyde de carbone réagissant avec l'oxygène résiduel pour former de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone et on prélève de ladite zone amont un débit partiel de gaz d'amosphère pour le réinjecter à l'extrémité de la zone aval de refroidissement.

12. Application du procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 7, 8, 9, 10 au chauffage avant trempe de pièces métalliques notamment de produits plats, à température élevée, avec revenu à plus basse température, dans deux zones de traitement thermique séparées entre elles, par un traiement de trempe en bain métallique liquide, par exemple de plomb, selon lequel on admet de l'azote élaboré selon la technique de séparation d'air par perméation ou adsorption à teneur résiduelle en oxygène, ainsi que du méthanol dans la partie amont à température élevée, assurant le chauffage avant trempe avec soutirage de l'atmosphère de ladite partie amont d'un débit que l'on réinjecte dans ladite partie aval assurant le revenu des dites pièces métalliques.