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'PERFECTIONNEMENTS RELATIFS'AU'TRAITEMENT-THERMIQUE DE METAUX.
La présente invention est relative à un procédé perfectionné de traitement thermique de métaux dans un four chauffé directement par du com- bustible dans une atmosphère qui est contrôlée de manière à âtre sensiblement non-oxydante à la température à laquelle seffectue le traitementet, quand
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cest nécessaire décarbarante vis-à-vis du métal traitée Un procédé de ce genre convient par exemple au traitement thermique brillant ou propre d9aciers et d9alliages de nickel, au réchauffage avant le la- minage et le forgeage de la plupart des métaux et alliages, et à la décarbura= tion de fer malléable.
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Jusqu?à présent, on a d9habitude préparé l'atmosphère non-oxydante dans un appareil séparé du four., par exemple dans un gazogène dans lequel on- soumet à une combustion partielle convenablement contrôlée de 19 ammoniaque ou un combustible solide tel que du charbon de bois.
Une exception à cette règle est constituée par le traitement ther- mique connu de cuivre et de certains alliages de cuivre., et dans ce cas on a
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trouvé qu9il est possible de produire 1?atmosphère dans le four de chauffage parce que les produits de combustion complète.\! c'est-à-dire la vapeur d'eau et l'anhydre carbonique, sont non=-oxydants 3s . ïs de ces métaux à leurs températures de recuit.
On a également inventé des procédés de traitement thermique de mé- taux ferreux et autres dans lesquels on produit une atmosphère non-oxydante dans le four de traitement thermique; ces procédés sont décrits dans les brevets britanniques No 6370337 et 64606910 =
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Dans le procédé du brevet No 637a337 on traite le métal dans un four essentiellement clos dans lequel on soumet un combustible fluide à une combustion partielle au moyen d'oxygène ou d9un mélange di)o:xygèn6 et d-'azote contenant plus de 70 % d-9oxygène.
Aux températures atteintes au cours de cette combustion partielle, les produits de combustion sont essentiellement non-osy-
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dants pour la plupart des métaux)) les températures étant denviron 900 C à 1300 Cp et après les avoir extraits du four on les utilise au préchauf- rage du natal de 1oxygène ou du mélange d9cxygène et azote., ou du combus- tible.
Le procédé décrit dans le brevet No 6460691 consiste en un par--
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fectionnement au procédé qui vient d9$tre décrite en ce sens quon l'appli= que de fagon continue dans un four sensiblement clos à travers lequel on fait passer en sens inverses le combustible et le gaz qui ont été partiel-
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lement broies à l'extrémité chaude du four pour produire 1-9atmosphère non- oçydant3 et on fait passer les produits de cette première combustion vers 1'"extrémité plus froide du four et on les brthe en cet endroit au moyen d'air pour compléter la combustion.
On peut utiliser les produits de la combustion complète au préchauffage d'une ou de plusieurs des substances combustible,
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air ou oxygène utilisées à la combustion à deux étages effectuée dans le four.
En appliquant le dernier procédé mentionnée on trouve qu'au se-
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cond étage du procédé c-est-à-dire celui où les gaz subissent la combustion comp1ète9 il existe une tendance lors du chauffage de certains métaux â hau- tes températures au premier étage à produir-e un excès de chaleur au second étage, avec le résultat qu'une oxydation indue commence à se produire,et quon pourrait effectuer un transfert de cet excès de chaleur au premier étage
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en augmentant le rendement total de 1opération.
Pour l'application de la présente invention, on soumet par consé- quent les gaz à une combustion complète en trois étagesDans le premier éta-
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gee on soumet à une combustion partielle un combastible fluide et de l'oxygène (ou un mélange d90xygène et d9azote contenant plus de "0 d9oxygène) à 19ex- trémité de déchargement du four sensiblement clos de manière à produire une atmosphère qui est essentiellement non#codante vis-à-vis du métal à la tem- pératai-o atteinte à cette extrémité du four;
on fait alors passer les gaz partiellement brûlés tel 1'extrémité de chargement du four où on les brûle par de 1-9ozygène ou de Pair mais en ne les soumettant encore qu-à une com- bastion Incomplète, dans un second étage du procédépour produire à cette extrémité du four une température inférieure à celle à. laquelle se produit une oxydation appréciable, et pour effectuer un préchauffage du métal,et on fait passer les produits du second étage de combustion dans un échangeur de chaleur où on les soumet à la combustion complète et où on les utilise au pré-
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chauffage d9-ans ou de plusieurs des substances consistant en métal air com- bustiblep oxygène ou mélange d900Q'gène=azote utilisées dans le premier éta- ge du procédé.
Dans une modifications, on fait passer les produits de combustion du second étage du procédé sur le métal chargé à la partie de chargement du four pour préchauffer le métal.
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Dans le cas oh on emploie un mélange d9oxygène-azote au premier étage du procédé le mélange renferme plus que 70% d'oxygène Dans le cas où on traite de 1'acier, les températures atteintes peuvent être comprises en- tre 90000 et 13000G au premier étage et on peut régler le rapport du. combus- tible à l'oxygène da manière à assurer qu9:U. ne se produise aucun degré d90:XY dation appréciable à la température qui règne à cette extrémité du four.
Dans le second étage, on règle la quantité d'air ou d'oxygène admise de manière à maintenir la température en dessous de celle à laquelle
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apparaît .un écai11ement libre eu considérable et qui!) dans le cas de 1?acier, est d'environ 7500 C à 8000 c.
Une légère oxydation est permise dans le second étage parce qu' elle disparaît dans le premier étage parce que les conditions qui règnent à
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cet étage sont réductrices ou désoxydant6s,-, Dans ce texte l'expression "atmosphère non-oxydante" désigne une atmosphère dans laquelle on évite suffisamment 1-9oxydation pour garantir que
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les dimensions du métal sous traitement ne soient pas modifiées de façon ap- préciable, et l'expression "four essentiellement clos" désigne un four dans lequel une rentrée d'air est exclue principalement en raison de la pression des gaz à l'intérieur du four.
Il doit cependant être ouvert suffisamment pour permettre le chargement et le déchargement du métal
Dans la pratique, un contrôle de la pression du four comprend de préférence des moyens automatiques, de sorte que quand on ouvre une porte., le registre de la cheminée se ferme automatiquement pour maintenir un écou- lement de l'atmosphère du four vers l'extérieur au lieu dun écoulement d'air vers l'intérieur du four., Les portes sont de préférence verrouillées de ma- nière que deux portes ne puissent être ouvertes en même temps.
Un moyen préféré d'application de l'invention va maintenant être décrit en se référant aux dessins en annexe, sur lesquels la fig. 1 est une coupe à travers le four représentant, schématiquement, le passage du métal et des gaz à travers un four, et la fig. 2 est un diagramme qui représente les variations de la température le long -du four.
Le genre de four tunnel long représenté en 10 est muni de portes 11 et 12, d'une paroi formant chicane 13 divisant le four en zones A et B, dune cheminée 14 et de deux séries de brûleurs respectifs 15 et 160
On introduit du gaz pour la combustion à travers un serpentin 17 disposé dans la cheminée 14, vers les brûleurs 16 au moyen .de conduites 18, l'oxygène étant introduit aux marnes brûleurs par les conduites 19 pen- dant quon introduit de Pair aux brâleurs 15 par des conduites 200
On introduit de Pair en 21 dans la cheminée 14, juste en dessous du serpentin 17, cet espace étant dénommézône C.
On introduit des billettes d'acier 22 devant subir un traite- ment thermique par la porte de chargement 11 et on les décharge par la porte 12. On les fait passer à travers le four, par des moyens convenables quel- conques, soit par étapes, soit de façon continue.
La fig. 2 est en relation avec la fig. 1 et représente la varia- tion de la température le long de la longueur du four, au cours d'une opéra- tion normale.
Dans la zône B. on chauffe les billettes depuis la température de l'atmosphère jusqu9à environ 6500 C et dans la zone A,on les chauffe da- vantage à une température convenant au laminage ou au forgeage,disons à 1200 C.
On introduit dans la zone la plus chaude A, à l'aide de brûleurs mélangeurs à tuyère 16 et par des conduites 18, du gaz de houille ayant un pouvoir calorifique de 4100 calories /m3 (460 unités thermiques britanniques par pied cube) et de l'oxygène industriel par les conduites 19.
Le rapport entre le gaz de houille et l'oxygène est d'environ 0,45 partie d'oxygène en volume pour une partie de gaz.
Le four est soumis à un tirage tel que les gaz de combustion de la zone A passent à la zone B, et on introduit à cette entrée de la zone B de l'air sous pression par les tubes 20 et les tuyères 15 de manière à sou- mettre à une combustion incomplète les produits provenant de la combustion primaire de la zone A.On règle le volume d'air admis à la zone B de manière que la température de cette zone ne dépasse jamais 650 C, ce qui signifie qu'environ 10 à 15% du pouvoir calorifique du gaz d'origine restent encore dans les produits de combustion qui quittent la zone Bo Ces gaz sortent du four à l'extrémité la plus froide dans la cheminée 14, de sorte que sur tou- te la longueur du four,
les gas brûlants passent à contre-courant des billet- tes qu'on chauffe.
Les gaz qui quittent le four sont encore chauds, de 1'ordre 'de 300 à 350 C, et contiennent encore une petite quantité de gaz combustible.
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Pour cette raison, on les fait passer immédiatement au-dessus et autour d'une série de tubes en serpentions 17 dans la cheminée 14 qui forme un échangeur de chaleur dans la zone C et on fait passer à travers ces serpentins le gaz introduit dans la zone A. On admet de l'air en 21 pour brûler les constituants combustibles dans la zone C autour des serpentinsen portant la surface des tubes à environ 700 ,et chauffant au préalable à environ 4500 C le gaz de houille introduit pour être brûlé dans la zone A.
La chaleur sensible des produits de combustion dans l'échangeur de chaleur ou dans un récupérateur qu'on peut aussi bien employer, peut être utilisée au préchauffage de l'air introduit dans la zone de combustion A.
Dans un système de ce genre., la moitié environ du pouvoir calori- fique du gaz original est utilisée dans la zone B, 35 à 40% dans la zone A et le restant de 10 à 15% est brûlé dans 1?échangeur de chaleur.
REVENDICATIONS.
1. - Procédé de traitement thermique de métaux dans un four essen- tiellement clos,, caractérisé en ce quil comprend la combustion initiale par- tielle d'un combustible fluide et d'oxygène)) ou d'un mélange d'oxygène et d'azote contenant plus de 70% d'oxygène dans le four à son extrémité de dé- chargement afin de produire à cette extrémité une atmosphère qui est essen- tiellement non-oxydante vis-à-vis du métal aux températures qui y sont at- teintes.,
le passage des produits de la combustion partielle à l'extrémité de chargement du four et leur combustion à cet endroit au moyen d'un gaz à un étage intermédiaire de combustion de manière à produire des températures in- ferieures à celles auxquelles peut se produire une oxydation substantielle quelconque du métal, et la combustion des produits de la combustion intermé- diaire de fagon essentiellement complète dans un échangeur de chaleur à tra- vers lequel on fait également passer au moins 19une des substances comprenant l'air)) le combustible, les gaz et le métal.
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'IMPROVEMENTS RELATING TO' THERMAL TREATMENT OF METALS.
The present invention relates to an improved process for the heat treatment of metals in a furnace heated directly by fuel in an atmosphere which is controlled so as to be substantially non-oxidizing at the temperature at which the treatment is carried out and, when
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It is necessary to decarburize from the metal being treated. A process of this kind is suitable for example for the bright or clean heat treatment of steels and nickel alloys, for reheating before rolling and forging of most metals and alloys, and to decarburization = tion of malleable iron.
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Heretofore, the non-oxidizing atmosphere has usually been prepared in an apparatus separate from the furnace, for example in a gasifier in which a suitably controlled partial combustion of ammonia or a solid fuel such as coal is subjected. Of wood.
An exception to this rule is the known heat treatment of copper and certain copper alloys, and in this case we have
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found that it is possible to produce the atmosphere in the heating furnace because the products of complete combustion. \! that is to say, water vapor and carbon dioxide, are non = -oxidants 3s. Is of these metals at their annealing temperatures.
Methods of heat treatment of ferrous and other metals have also been invented in which a non-oxidizing atmosphere is produced in the heat treatment furnace; these methods are described in British Patents Nos. 6370337 and 64606910 =
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In the process of patent No. 637a337, the metal is treated in an essentially closed furnace in which a fluid fuel is subjected to partial combustion by means of oxygen or a mixture of di) o: xygen6 and nitrogen containing more than 70%. d-9 oxygen.
At the temperatures reached during this partial combustion, the combustion products are essentially non-osy-
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dants for most metals)) the temperatures being about 900 C to 1300 Cp and after having extracted them from the furnace they are used for preheating the natal of 1 oxygen or of the mixture of oxygen and nitrogen, or of the fuel.
The process described in Patent No. 6460691 consists of a
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fectionning to the process which has just been described in the sense that the application is continued in a substantially closed furnace through which the fuel and gas which have been partially passed through in opposite directions.
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It is crushed at the hot end of the furnace to produce a non-oxidizing atmosphere3 and the products of this first combustion are passed to the cooler end of the furnace and burnt there with air to complete. combustion.
The products of complete combustion can be used for preheating one or more of the combustible substances,
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air or oxygen used in two-stage combustion carried out in the furnace.
By applying the last mentioned process we find that,
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second stage of the process, that is, the stage in which the gases undergo complete combustion9 there is a tendency when heating certain metals at high temperatures on the first stage to produce excess heat on the second stage, with the result that undue oxidation begins to occur, and that this excess heat could be transferred to the first stage
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by increasing the total yield of the operation.
For the application of the present invention, therefore, the gases are subjected to complete combustion in three stages.
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A fuel fluid and oxygen (or a mixture of oxygen and nitrogen containing more than 0 oxygen) is subjected to partial combustion at the discharge end of the substantially closed furnace so as to produce an atmosphere which is essentially non-existent. coding with respect to the metal at the temperature reached at this end of the furnace;
the partially burnt gases are then passed, such as the charging end of the furnace, where they are burned with 1-9ozygene or Air but still only subjecting them to Incomplete combustion, in a second stage of the process to produce at this end of the furnace a temperature lower than that at. which results in appreciable oxidation, and to effect preheating of the metal, and the products of the second combustion stage are passed through a heat exchanger where they are subjected to complete combustion and where they are used in the pre-
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heating in one or more of the substances consisting of metal fuel air oxygen or a mixture of nitrogen = nitrogen used in the first stage of the process.
In one modification, the products of combustion from the second stage of the process are passed over the charged metal to the charging portion of the furnace to preheat the metal.
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In the case where an oxygen-nitrogen mixture is used in the first stage of the process the mixture contains more than 70% oxygen. In the case of treating steel, the temperatures reached may be between 90000 and 13000G at the first stage and you can adjust the ratio of. combustible with oxygen to ensure that: U. no appreciable degree d90: XY dation occurs at the temperature prevailing at this end of the furnace.
In the second stage, the quantity of air or oxygen admitted is regulated so as to maintain the temperature below that at which
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There appears to be considerable free shearing which!) in the case of steel, is about 7500 C to 8000 C.
A slight oxidation is allowed in the second stage because it disappears in the first stage because the conditions prevailing at
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this stage are reducing or deoxidizing, -, In this text the expression "non-oxidizing atmosphere" means an atmosphere in which sufficient 1-9 oxidation is avoided to ensure that
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the dimensions of the metal under treatment are not appreciably changed, and the expression "essentially closed furnace" denotes a furnace in which a re-entry of air is excluded mainly due to the pressure of the gases inside the furnace. oven.
However, it must be open enough to allow loading and unloading of the metal.
In practice, oven pressure control preferably includes automatic means, so that when a door is opened, the chimney damper closes automatically to maintain a flow of atmosphere from the oven to the oven. instead of air flow to the interior of the oven. The doors are preferably locked so that two doors cannot be opened at the same time.
A preferred means of applying the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which FIG. 1 is a section through the furnace showing, schematically, the passage of metal and gases through a furnace, and FIG. 2 is a diagram which shows the variations in temperature along the oven.
The kind of long tunnel oven shown at 10 is provided with doors 11 and 12, a wall forming a baffle 13 dividing the oven into zones A and B, a chimney 14 and two series of respective burners 15 and 160
Gas is introduced for combustion through a coil 17 disposed in the chimney 14, to the burners 16 by means of pipes 18, the oxygen being introduced to the burner marls through the pipes 19 while air is introduced to the burners. 15 through 200 pipes
Pair is introduced at 21 into the chimney 14, just below the coil 17, this space being called the czone C.
Steel billets 22 to be heat treated are introduced through loading door 11 and unloaded through door 12. They are passed through the furnace by any suitable means, either in stages. , or continuously.
Fig. 2 is related to FIG. 1 and shows the change in temperature along the length of the furnace during normal operation.
In zone B. the billets are heated from atmospheric temperature to about 6500 C and in zone A they are further heated to a temperature suitable for rolling or forging, say 1200 C.
Coal gas having a calorific value of 4100 calories / m3 (460 British thermal units per cubic foot) and carbon dioxide is introduced into the hottest zone A, by means of nozzle mixer burners 16 and by pipes 18. industrial oxygen through pipes 19.
The ratio of coal gas to oxygen is about 0.45 part oxygen by volume to one part gas.
The furnace is subjected to a draft such that the combustion gases from zone A pass to zone B, and pressurized air is introduced at this inlet of zone B through the tubes 20 and nozzles 15 so as to subjecting the products from the primary combustion of zone A to incomplete combustion. The volume of air admitted to zone B is adjusted so that the temperature of this zone never exceeds 650 C, which means that about 10 to 15% of the calorific value of the original gas still remains in the combustion products which leave the Bo zone. These gases leave the furnace at the cooler end in the chimney 14, so that over all the oven length,
the hot gases pass against the current of the tickets which are heated.
The gases leaving the furnace are still hot, of the order of 300 to 350 ° C., and still contain a small amount of combustible gas.
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For this reason, they are passed immediately above and around a series of serpentine tubes 17 in the chimney 14 which forms a heat exchanger in zone C and the gas introduced into the chimney is passed through these coils. zone A. Air is admitted at 21 to burn the combustible constituents in zone C around the coils, bringing the surface of the tubes to about 700, and heating beforehand to about 4500 C the coal gas introduced to be burned in the zone A.
The sensible heat of the combustion products in the heat exchanger or in a recuperator which can equally well be used, can be used for preheating the air introduced into combustion zone A.
In such a system, about half the calorific value of the original gas is used in zone B, 35-40% in zone A, and the remaining 10-15% is burned in the heat exchanger. .
CLAIMS.
1. - Process for the thermal treatment of metals in an essentially closed furnace, characterized in that it comprises the initial partial combustion of a fluid fuel and oxygen)) or of a mixture of oxygen and d nitrogen containing more than 70% oxygen in the furnace at its discharge end in order to produce at that end an atmosphere which is essentially non-oxidizing to the metal at the temperatures at which it is discharged. tints.,
the passage of the products of the partial combustion at the charging end of the furnace and their combustion there by means of a gas at an intermediate combustion stage so as to produce temperatures below those at which a combustion can occur. any substantial oxidation of the metal, and the combustion of the products of the intermediate combustion substantially completely in a heat exchanger through which at least one of the substances comprising air)) the fuel, gas and metal.