FR2635175A1 - Perfectionnements apportes aux fours cloche utilises notamment pour le recuit de bobines metalliques sous atmosphere controlee - Google Patents

Abstract

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 l'on dispose des moyens limitant la température de la bride inférieure.

Description

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 contrô61ée.

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.

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.

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'atmosphère 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 le 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 mame 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.

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 atmosphérique 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 méme 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, come 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 positionnée à la partie inférieure du 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 endoumagement thermique du fait du couvercle lui-même qui est porté à haute

température par le four qui le recouvre.

Il est connu également que pour améliorer la qualité métallurgique des bobines traitées ainsi que la productivité des bases, l'atmosphère de protection 12 plus faible pourcentage de H2 peut être utilement remplacée par une atmosphère 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 consommtions 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. 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 1' 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 ml refroidi.

La présente invention s'est donc fixé come objectif d'apporter une solution permettant non seulement de simplifier la conception de la partie basse du couvercle intérieur mis 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 reposant 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.

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.

La présente invention apporte donc un four cloche notament 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 uni 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 l'on dispose des moyens limitant la température de la bride inférieure. 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 fibreux positionné dans une gorge périphérique prévue sur ladite paroi

latérale de la base.

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

1' atmosphère ambiante.

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.

En se référant à la figure 1, on voit que le four cloche selon la présente invention, comporte conme 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.

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Le couvercle intérieur 10 est 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 délimitee par le couvercle 10 (les moyens permettant d'obtenir cette circulation forcée étant bien connus, ils ne seront

pas décrits ici).

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 cylindrique 20 qui est elle-méme 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 fibreux 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.

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 t8le métallique 32 disposée vers l'extérieur.

Grâce à cette disposition, on évite tout transfert thermique par convection 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

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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.

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

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 est 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.

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.

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.

Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mis elle en englobe toutes les variantes.

REVEDICATIOJS

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.

- 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.